УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02M7/19 

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в постоянное напряжение или переменное напряжение заданной формы.

Известны и широко применяются вторичные источники питания, основанные на предварительном выпрямлении сетевого напряжения, преобразовании полученного постоянного напряжения в переменное высокочастотное, масштабировании полученного напряжения с помощью трансформатора и выпрямлении [4]. Их недостатком является сложность, обусловленная необходимостью применения промежуточных трансформаторов. Также известны бестрансформаторные конденсаторные источники вторичного питания и преобразователи переменного тока в постоянный [1, 2, 3].

Из известных наиболее близким по технической сущности является бестрансформаторный источник питания (SU 2453030, Н02М 3/07) [1]. Его схема приведена на фиг. 1. Бестрансформаторный источник питания содержит выпрямитель 1, накопительный конденсатор 2, n цепочек, каждая из которых содержит диод 3, конденсатор 4 и, кроме последней, диод 5, диоды 6, управляемые ключи 7 и 8, блок управления 9, схему сравнения 10, регулируемый делитель напряжения 11, источник опорного напряжения 12.

Входные выводы выпрямителя 1 подключены к источнику переменного тока, а выход соединен с цепями питания блока управления 9. Каждая из n цепочек, включенных параллельно, представляет собой последовательное соединение первого диода 3, конденсатора 4 и во всех ячейках, кроме последней, второго диода 5. Каждая цепочка соединена с последующей через диод 6, включенный между разноименными обкладками конденсаторов 4. Первая цепочка соединена с выходом выпрямителя 1 через первый управляемый ключ 7. Общая точка первых диодов 3 цепочек соединена через второй управляемый ключ 8 с накопительным конденсатором 2, включенным параллельно выходу бестрансформаторного источника. Управляющие входы ключей 7 и 8 соединены с выходом блока управления 9, вход которого соединен с выходом схемы сравнения 10. Входы схемы сравнения 10 соединены соответственно с выходами регулируемого делителя напряжения 11 и источника опорного напряжения 12, подключенных по входам к выходу бестрансформаторного источника.

Работает бестрансформаторный источник питания следующим образом. В установившемся режиме блок управления 9 вырабатывает сигнал постоянной частоты и скважности. Управляемые ключи 7 и 8 работают в противофазе: когда управляемый ключ 7 замкнут, управляемый ключ 8 разомкнут, и наоборот. Под действием сигналов блока управления 9 состояние управляемых ключей 7 и 8 периодически изменяется на противоположное.

При замыкании управляемого ключа 7 происходит заряд конденсаторов 4 через диоды 6 до напряжения, равного $$\frac{U_B}{n}(1-e^{-t_{з}/\tau })$$ , где n - количество ячеек, U_B - выходное напряжение выпрямителя 1, t_з - продолжительность заряда конденсаторов 4, τ - постоянная времени заряда конденсаторов 4. При размыкании управляемого ключа 7 и замыкании управляемого ключа 8 конденсаторы 4 через диоды 3 и 5 параллельно подключаются к накопительному конденсатору 2 и заряжают его до этого напряжения.

В случае изменения нагрузки или входного напряжения переменного тока выходное напряжение бестрансформаторного источника питания начинает изменяться. Это приводит к изменению выходного напряжения управляемого делителя напряжения 11. Выходное напряжение источника опорного напряжения 12 остается неизменным. Следовательно, выходное напряжение схемы сравнения 10, равное разности выходных напряжений источника опорного напряжения 12 и управляемого делителя напряжения 11, изменяется. В результате изменяется скважность выходного сигнала блока управления 9. При уменьшении выходного напряжения бестрансформаторного источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы увеличить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 8 накопительный конденсатор 2 зарядится до большего значения и выходное напряжение восстановится. При возрастании выходного напряжения бестрансформаторного источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы уменьшить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 8 накопительный конденсатор 2 зарядится до меньшего значения и выходное напряжение восстановится.

Недостаток рассмотренного бестрансформаторного источника питания состоит в узком диапазоне регулировки выходного напряжения, зависящем от соотношения времени переключения ключей и постоянной времени заряда конденсаторов 4 τ, а также в невозможности формирования сигналов, изменяющихся во времени, например синусоидальных, треугольных и т.п. То есть известное устройство не обладает достаточной универсальностью.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение недостатков рассмотренного известного устройства, то есть повышение универсальности за счет обеспечения возможности регулировки выходного напряжения в более широких пределах и формирования выходных сигналов, изменяющихся во времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в универсальный источник питания, содержащий n цепочек, состоящих из последовательно включенных первого диода, конденсатора и во всех ячейках, кроме последней второго диода, соединенных между собой через диоды, включенные между разноименными обкладками конденсаторов этих цепочек, выпрямитель, выход которого подключен через первый управляемый ключ к входу первой цепочки, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания и соединенный через второй управляемый ключ с общей точкой первых диодов, первый блок управления, соединенный по цепи питания с выходом выпрямителя, а по выходу с входами управления первого и второго ключей, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, выход которой подключен к входу блока управления, введены дополнительные управляемые ключи, включенные параллельно вторым диодам цепочек, и второй блок управления, соединенный по входу синхронизации с выходом первого блока управления, а по выходам с управляющими входами каждого из дополнительных ключей и регулируемого делителя напряжения.

На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого универсального источника питания, который содержит выпрямитель 1, накопительный конденсатор 2, n цепочек, каждая из которых содержит диоды 3, конденсаторы 4 и во всех ячейках, кроме последней, второй диод 5 и дополнительный управляемый ключ 6, диоды 7, управляемые ключи 8 и 9, первый блок управления 10, схему сравнения И, регулируемый делитель напряжения 12, источник опорного напряжения 13 и второй блок управления 14.

Входные выводы выпрямителя 1 подключены к источнику переменного тока, а выход соединен с цепями питания блока управления 10. Каждая из n цепочек, включенных параллельно, представляет собой последовательное соединение первого диода 3, конденсатора 4 и во всех ячейках, кроме последней, диодов 5 и дополнительного управляемого ключа 6, включенного в каждой цепочке параллельно диоду 5. Каждая цепочка соединена с последующей через диод 7, включенный между разноименными обкладками конденсаторов 4. Первая цепочка соединена с выходом выпрямителя 1 через первый управляемый ключ 8. Общая точка первых диодов 3 цепочек соединена через второй управляемый ключ 9 с накопительным конденсатором 2, включенным параллельно выходу универсального источника питания. Управляющие входы ключей 8 и 9 соединены с выходом первого блока управления 10, вход которого соединен с выходом схемы сравнения И. Входы схемы сравнения 11 соединены, соответственно, с выходами регулируемого делителя напряжения 12 и источника опорного напряжения 13, подключенных по входам к выходу универсального источника питания. Вход синхронизации второго блока управления 14 подключен к выходу первого блока управления 10, а выходы - к управляющим входам дополнительных ключей 6 и регулируемого делителя напряжения 12.

Работает универсальный источника питания следующим образом. В установившемся режиме блок управления 10 вырабатывает сигнал постоянной частоты и скважности. Управляемые ключи 8 и 9 работают в противофазе: когда управляемый ключ 8 замкнут, управляемый ключ 9 разомкнут, и наоборот. Под действием сигналов блока управления 10 состояние управляемых ключей 8 и 9 периодически изменяется на противоположное.

При замыкании управляемого ключа 8 происходит заряд конденсаторов 4 через диоды 7 до напряжения, равного $$\frac{U_B}{n}(1-e^{-t_{з}/\tau })$$ , где n - количество ячеек, U_B - выходное напряжение выпрямителя 1, t_з - продолжительность заряда конденсаторов 4, τ - постоянная времени заряда конденсаторов 4. При размыкании управляемого ключа 8 и замыкании управляемого ключа 9 конденсаторы 4 через диоды 3 и управляемые ключи 6 параллельно подключаются к накопительному конденсатору 2 и заряжают его практически до этого напряжения, так как емкость конденсатора 2 выбирается значительно меньшей, чем емкость конденсаторов 4. Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 12.

В случае изменения нагрузки или входного напряжения переменного тока выходное напряжение универсального источника питания начинает изменяться. Это приводит к изменению выходного напряжения управляемого делителя напряжения 12. Выходное напряжение источника опорного напряжения 13 остается неизменным. Следовательно, выходное напряжение схемы сравнения 11, равное разности выходных напряжений источника опорного напряжения 13 и управляемого делителя напряжения 12, изменяется. В результате изменяется скважность выходного сигнала блока управления 10. При уменьшении выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы увеличить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 9 накопительный конденсатор 2 зарядится до большего значения и выходное напряжение восстановится. При возрастании выходного напряжения универсального источника питания скважность изменяется таким образом, чтобы уменьшить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате при замыкании управляемого ключа 9 накопительный конденсатор 2 зарядится до меньшего значения и выходное напряжение восстановится.

Подстройка выходного напряжения универсального источника питания в небольших пределах осуществляется путем регулирования коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 12. Для регулирования выходного напряжения универсального источника питания дискретно в широких пределах используются дополнительные управляемые ключи 6. В такте заряда, когда замкнут управляемый ключ 8, по команде второго блока управления 14 замыкается один из дополнительных управляемых ключей 6 в цепочке m. Заряд конденсаторов 4 в цепочках, последующих за m, не происходит, а конденсаторы 4 в цепочке m и предшествующих ей заряжаются до напряжения $$\frac{U_B}{m}(1-e^{-t_{з}/\tau })$$ . В такте перезаряда, когда управляемый ключ 8 разомкнут, а управляемый ключ 9 замкнут, до этого напряжения заряжается конденсатор 2. При этом по команде второго блока управления 14 соответствующим образом изменяется коэффициент передачи управляемого делителя напряжения 12, что обеспечивает стабильность напряжения заряда конденсатора 2 на соответствующем уровне. Изменяя номер цепочки m в требуемых циклах заряда-перезаряда, можно обеспечить изменение выходного напряжения по требуемому закону.

Введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.

Источники информации

1. Патент SU 2453030, Н02Μ 3/07, опубл. 10.06.2012 г., бюллетень №16.

2. Авторское свидетельство SU №1166242, Н02Μ 7/12, опубл. 07.07.1985 г., бюллетень №25.

3. Авторское свидетельство SU №1182613, Н02Μ 7/10, опубл. 30.09.1985 г., бюллетень №36.

4. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - Радио и связь, 1987.

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в регулируемое постоянное или переменное напряжение. Технический результат - повышение универсальности источника питания за счет обеспечения возможности регулировки выходного напряжения в более широких пределах и формирования выходных сигналов, изменяющихся во времени, достигается тем, что в универсальный источник питания, содержащий n цепочек, состоящих из последовательно включенных первого диода, конденсатора и во всех ячейках, кроме последней второго диода, соединенных между собой через диоды, включенные между разноименными обкладками конденсаторов этих цепочек, выпрямитель, выход которого подключен через первый управляемый ключ к входу первой цепочки, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания и соединенный через второй управляемый ключ с общей точкой первых диодов, первый блок управления, соединенный по цепи питания с выходом выпрямителя, а по выходу с входами управления первого и второго ключей, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, выход которой подключен к входу блока управления, введены дополнительные управляемые ключи, включенные параллельно вторым диодам цепочек, и второй блок управления, соединенный по входу синхронизации с выходом первого блока управления, а по выходам с управляющими входами каждого из дополнительных ключей и регулируемого делителя напряжения. 2 ил.

Универсальный источник питания, содержащий n параллельно соединенных цепочек, состоящих из последовательно включенных первого диода, конденсатора и во всех ячейках, кроме последней второго диода, соединенных между собой через диоды, включенные между разноименными обкладками конденсаторов этих цепочек, выпрямитель, выход которого подключен через первый управляемый ключ к входу первой цепочки, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу универсального источника питания и соединенный через второй управляемый ключ с общей точкой первых диодов, первый блок управления, соединенный по цепи питания с выходом выпрямителя, а по выходу с входами управления первого и второго ключей, источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом универсального источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, выход которой подключен к входу блока управления, отличающийся тем, что в него введены дополнительные управляемые ключи, включенные параллельно вторым диодам цепочек, и второй блок управления, соединенный по входу синхронизации с выходом первого блока управления, а по выходам с управляющими входами каждого из дополнительных ключей и регулируемого делителя напряжения.