ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02M7/155 H02M7/217 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям переменного напряжения в постоянное с электрической изоляцией входного и выходного напряжений и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания для электронных приборов самого различного назначения.

Известны источники вторичного электропитания, у которых переменное напряжение выпрямляется диодным мостом, сглаживается конденсаторным фильтром, а затем полученное постоянное напряжение преобразуется импульсным преобразователем, имеющим электрическую изоляцию входного и выходного напряжений [1]. Недостатком таких источников питания является сложность схемы, невысокая энергетическая эффективность и надежность работы, а также высокая стоимость. Это обусловлено тем, что при высоких напряжениях сети, например 220 или 380 В, выпрямленное и сглаженное после диодного моста постоянное напряжение также высоко (более 300 В). Для коммутации высокого напряжения в диодном мосте и в преобразователе требуются дорогостоящие и сравнительно ненадежные полупроводниковые приборы, необходимо введение специальных устройств для формирования траектории движения рабочей точки силовых транзисторов при их переключении, а также использование схем демпфирования мощных импульсных сигналов. Кроме того, должны приниматься специальные меры по исключению пусковых токов при включении источника питания и заряде конденсаторов высоковольтного сглаживающего фильтра. Использование дорогих высоковольтных полупроводниковых приборов и конденсаторов и усложнение схемы увеличивает стоимость устройства. Наличие высокого напряжения, от которого питается схема управления силовым транзистором, снижает КПД источника питания.

Гораздо более простым является источник вторичного электропитания, у которого для электрической изоляции и согласования уровней напряжения применяется низкочастотный, в частности 50 Гц, силовой трансформатор [2]. Недостатком этого устройства является высокая материалоемкость - значительный расход остродефицитных и дорогостоящих трансформаторной стали и меди.

Известны также источники вторичного электропитания, у которых входное напряжение импульсного преобразователя постоянного напряжения невелико и отсутствует низкочастотный силовой трансформатор [3]. Такие устройства содержат тиристор, а также диодный мост, входные выводы которого через входной конденсатор соединены с сетью переменного напряжения, а выходные подключены к входу преобразователя постоянного напряжения и к фильтрующему конденсатору. Известны также аналогичные устройства с применением транзисторов [4].

Недостатком подобного устройства является трудность обеспечения первоначально пуска импульсного преобразователя постоянного напряжения. Это обусловлено тем, что в начальный момент включения источника вторичного электропитания при разряженных выходных конденсаторах преобразователя его входной ток обычно превышает установившееся значение, иногда значительно. Если емкость входного конденсатора выбрана таким образом, что обеспечивается работа источника питания при номинальном токе нагрузки, то при увеличенном пусковом токе преобразователь может не запуститься из-за недопустимого снижения напряжения на его входе. Можно увеличить емкость входного конденсатора, однако, это нерационально, так как при этом увеличиваются масса и габариты устройства и стоимость. Кроме того, при этом увеличивается напряжение на входе преобразователя, что вызывает необходимость применения в нем более высоковольтных силовых транзисторов и фильтрующего конденсатора.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно - обеспечение пускового режима работы источника вторичного электропитания при минимальной емкости входного конденсатора, что приведет к повышению надежности работы, уменьшению материалоемкости, массы и габаритов и снижению стоимости.

Указанная цель достигается тем, что на начальном интервале времени пускового режима подключение импульсного преобразователя к напряжению на фильтрующем конденсаторе осуществляется только после того, как напряжение на нем достигнет определенной величины и энергии, запасенной к этому времени в фильтрующем конденсаторе, достаточно для надежного запуска преобразователя. Подключение входа преобразователя осуществляется транзистором, который включается тиристором, управляющий электрод которого через стабилитрон и один из резисторов соединен с выходом диодного моста.

На чертеже приведена схема источника вторичного электропитания. Источник содержит диодный мост 1, входные выводы которого через входной конденсатор 2 подключены к сети переменного напряжения 3. Положительный выходной вывод моста 1 подключен к первому выводу фильтрующего конденсатора 4, катоду стабилитрона 5 и к эмиттеру транзистора 6 проводимости p-n-p типа. Отрицательный выходной вывод моста 1 соединен со вторым выводом конденсатора 4, с катодом тиристора 7 и с отрицательным входным выводом импульсного преобразователя постоянного напряжения 8 с электрической изоляцией входного и выходного напряжений, выходные выводы которого подключены к нагрузке 9. Анод стабилитрона 5 через первый резистор 10 соединен с управляющим электродом тиристора 7, анод которого через второй резистор 11 подключен к базе транзистора 6, эмиттером соединенного с положительным входом преобразователя 8.

Источник вторичного электропитания работает следующим образом. В первоначальный момент подачи напряжения сети 3 фильтрующий конденсатор 4 заряжается через диодный мост 1. Ток заряда определяется реактивным сопротивлением входного конденсатора 2, то есть величиной его емкости. Чем больше емкость, тем больше ток заряда и тем быстрее он зарядится до заданного напряжения. Так как на начальном этапе времени напряжение на конденсаторе 4 невелико и он заряжается относительно продолжительное время, то стабилитрон 5 заперт, что обуславливает запертое состояние тиристора 7 и транзистора 6. В соответствии с этим на входе преобразователя 8 отсутствует питающее напряжение, и он не работает.

По мере заряда конденсатора 4 напряжение на нем увеличивается, и когда оно достигнет напряжения включения стабилитрона 5, включится тиристор 7, что обусловит появление базового тока транзистора 6, который ограничивается вторым резистором 11. Транзистор 6 открывается и на входы преобразователя 8 подается питающее напряжение. Если емкость конденсатора 4 выбрана достаточно большой, то запуск преобразователя 8 не вызовет значительного снижения напряжения питающего напряжения преобразователя 8, который после пуска начинает работать в номинальном режиме, обеспечивая нагрузку 9 требуемым электрически изолированным постоянным напряжением.

В момент пуска преобразователя, когда он потребляет значительный ток, напряжение на конденсаторе 4 снижается (в допустимых пределах) и стабилитрон 5 запирается, однако, это не приводит к запиранию транзистора 6, так как тиристор 7 остается в открытом состоянии за счет протекания через него тока анода. Резистор 10 служит для ограничения тока через стабилитрон 5 и управляющий электрод тиристора 7.

Так как емкость конденсатора 4 выбирается достаточно большой, исходя из требований получения достаточно низких величин пульсаций сглаживаемого низкочастотного напряжения сети 3 (в частности 50 Гц), то ее практически всегда хватает для осуществления пуска относительно высокочастотного преобразователя 8 с относительно малыми емкостями выходного фильтра.

В качестве тиристора 7 может быть использован его транзисторный аналог на транзисторах противоположного типа проводимости. Применение его оправдано при малых мощностях, потребляемых устройством. Тогда ток базы транзистора 6, являющийся током анода тиристора 7, может быть сделан достаточно малым и повысится КПД устройства. Для дальнейшего уменьшения тока базы транзистор 6 может быть сделан составным.

Следовательно, пуск импульсного преобразователя 8 осуществляется не током, протекающим через входной конденсатор 2, а за счет энергии, накопленной в фильтрующем конденсаторе 4.

Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается пуск импульсного преобразователя постоянного напряжения источника вторичного электропитания при минимально необходимой емкости входного конденсатора, емкость которого определяет массогабаритные и экономические характеристики устройства. Это дает возможность с одной стороны уменьшить массу и объем источника электропитания, с другой - снизить его стоимость.

Работа предлагаемого источника вторичного электропитания проверена на макете. В качестве преобразователя 8 использовался импульсный преобразователь постоянного напряжения с электрической изоляцией напряжений и допустимым диапазоном изменений входного напряжения 20-72 В типа NFC15-48SO5-4 фирмы "Computer products" (Ирландия), диоды моста 1 - 2Д212А, фильтрующий конденсатор 4 - 63 B x 1000 мкФ, тиристор 7 выполнен на транзисторах 2ТС622 и 1НТ251 различного типа проводимости, входной конденсатор 2 - 6,8 мкФ х 400 В.

Устройство предназначено для преобразования энергии переменного напряжения, например промышленной сети в электрически изолированное постоянное напряжение для электропитания различных электронных устройств. Источник вторичного электропитания состоит из диодного моста 1, входными выводами через входной конденсатор 2, подключенного к сети переменного напряжения 3. Напряжение выходных выводов моста 1 поступает на фильтрующий конденсатор 4. Питающее напряжение на импульсный преобразователь 8 постоянного напряжения поступает через транзистор 6, который включается только после того, как напряжение на конденсаторе 4 достигает заданного уровня, определяемого напряжением стабилизации стабилитрона 5. При этом включается тиристор 7 и появляется базовый ток транзистора 6, ограничиваемый резистором 11. Таким образом, питающее напряжение на преобразователь 8 поступает не сразу после подключения напряжения сети 3, а только после накопления определенной энергии в конденсаторе 4. Это дает возможность обеспечить функционирование преобразователя 8 в пусковом режиме, который характеризуется увеличенным по сравнению с номинальным режимом работы значением входного тока. При этом напряжение на конденсаторе 4, то есть на входе преобразователя 8, в пусковом режиме снижается в достаточно малых пределах, так как величина емкости конденсатора 4 значительна и предназначена для сглаживания низкочастотных пульсаций выпрямленного напряжения сети 3. Так как форсирование пускового тока обеспечивается энер- гией, запасенной в фильтрующем конденсаторе 4, то использование предлагаемого технического решения позволяет уменьшить емкость входного конденсатора 4, которая в этом случае определяется функционированием преобразователя 8 в номинальном режиме работы. 1 ил.

Источник вторичного электропитания, содержащий преобразователь постоянного напряжения, стабилитрон, два резистора, транзистор, тиристор, а также диодный мост, входные выводы которого через входной конденсатор соединены с сетью переменного напряжения, положительный выходной вывод диодного моста подключен к первому выводу фильтрующего конденсатора, а отрицательный - ко второму выводу фильтрующего конденсатора, катоду тиристора и отрицательному входному выводу преобразователя постоянного напряжения, отличающийся тем, что с положительным выходным выводом диодного моста соединен эмиттер транзистора, в качестве которого применен транзистор p-n-p типа, и катод стабилитрона, анод которого через первый резистор подключен к управляющему электроду тиристора, анодом через второй резистор соединенного с базой транзистора, коллектор которого подключен к положительному входному выводу преобразователя постоянного напряжения, выходные выводы которого предназначены для подключения к нагрузке.