Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1988 года по МПК H02M7/10 

i Изобретение относится к области hfеобразовательной техники и может использовано в источниках электропитания радиоэлектронной аппарату- ры.

Цель изобретения - повьшение коэффициента мощности.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие его ррботу; на фиг. 3 - структур.ная схе м|а блока управления; на, фиг, 4 - то ж|е, узла выбора полуволны; на фиг,.5 ц 6 - схемы вариантов выпоспнения со- гласующего каскада; на фиг..7 - предлагаемое устройство, но с обратным В1спючением вентилей и транзисторов ключей.Преобразователь (фиг. 1) содержит П цепочек, каждая из которых, кроме п ервой со стороны отрицательного fixo- да, состоит из конденсатора 1 и двух неуправляемых вентилей 2 и 3, а первая цепочка состоит из конденсатора 1 И вентиля 2, каждая предыдущая цепочка соединена с последующей через неуправляемый вентиль 4, четыре управ- т1яемьк ключа , блок 9 управления, диод 10 и конденсатор 11.. Положительный вход 12 цепочек через ключ 5 соединен с .фазной входной шиной 13, а через диод .10 .в обратном включении - С общей шиной 14. Отрицательный вход 15 и отрицательш :й выход 16 цепочек Соединены между собой и через управляемые ключи 6 и 7 соединены соответственно с ринами 13 и 14. Положитель- йый выход 17 цепочек через управляемый ключ 8 соединен с положительной ,вькодной шиной 18. Конденсатор 11 включен между шинами 18 и 14. Блок 9 управления входом 19 соединен с шиной 13, входом 20 соединен с шиной 14 а выходами 21-24 соединен соответст- венно с управляющими входами клю1чей 6|-8. Источник переменного напряжения Uj и нагрузке 25 подключаются к шинам 13 и 14 и 18 и 14 соответственно.

Ключи 5-8 управляются в соотв етстВИИ с диаграммами напряжений, где Uc. - преобразуемое переменное напряжение на шинах 13 и 14; напряжение срабатьгоания порогового устройства; ij- ток, потребляемый от пер- вичного источника (ток заряда конденсаторов 1 цепочек); U, U, Uj - управляющие напряжения ключей 5, 6 и 7, 8 соответственно; U, - напряжение на выходных шинах 18 и 14 (на нагрузке); tj, t - время заряда и разряда конденсаторов 1; время задержки; Т - период преобразуемого напряжения (фиг. 2).

Блок. 9 управления (фиг, 3) содержит систему 26 вентилей, состоящую из четырех диодов, включенных по мо- стовой схеме, источ1&1ка 27 опорного напряжения, порогового устройства 28, два формирователя 29 и 30 задержки, формирователь 31 времени заряда, RS-триггер 32, согласуюш 1й каскад 33, узел 34 выбора полуволны и источник 35 питания.

Входные шины 19, 20 блока управления 9 соединены с входными шинами 36, 37 системы 26 вентилей соответственно, а щина 19 соединена -с входом 38 узла 34 выбора полуволны. Выходные шины 39 и 40 сис-пемы 26 вентилей соединены с входными шинами 41 и 42 источника опорного напряжения 27, шина- ми 43 и 44 порогового устройства 28, шинами 45 и 46 источника 35 питания соответственно. Выход 47 источника 27 опорного напряжения,соединен с управляющим входом порогового устройства

28,выход которого соединен с R-входи RS-триггера 32 и через формирователь

29.задержки, формирователь 31 времени заряда и формирователь 30 задерж- ки - с S-входом. RS-триггера 32 выход которого шиной 48 соединен с входом согласующего каскада 33. Общая шина 46 соединена с вторым входом узла 34, выбора полуволны, а его третий вход йиной 49 соединен с выходом формирователя 31 вермени заряда. Выход источника питания (шины 50 и 46) соединен с цепями питания упомянутых устройств блока управле.ния,

I

Узел 34 выбора полуволны (фиг,4)

содержит усипитель-ограничитель 51, инвертор 52, два коъюнктора 53 и 54 и два согласуюш 1х каскада 55 и 56, Выход усилителя-ограничителя 51 через инвертор 52 и конъюнктор 53 соединен с согласующим каскадом 55, а через конъюнктор 54 - с входом согласующего каскада 56. Вторые входы конъюнкторов соединены шиной 49 с выходом формирователя 31 времени заряда.

Управляемые ключи 5-8 (фиг, 1), система 26 вентилей, источник 27 Ъпор ного напряжения и источник 35 питания (фиг. 3) могут быть вьшолнены по

известным схемам. Пороговое устройство 28 (фиг. 3) также может быть выполнено по известным схемам, например на интегральном компараторе. Фор- мирователи 29 и 30 задержки и формирователь 31 времени заряда (фиг.З) могут быть выполнены по известным . схемам формирователей временных интервалов. Усилитель-ограничитель 51 (фиг. У может быть выполнен по из- вестйым схемам. Согласующие каскады 55 и 56 (фиг. 5) и 33 (фиг. 6) могут быть выполнены по известным схемам эмиттерных повторителей с оптронньм выходом.

Устройство работает следующим образ ом о

В момент t, (фиг„ 2) равенства мгновенного значения преобразуемого переменного напряжения сети Uc, напряжению срабатывания U/, порогового устройства 28 (фиг. 3) блока 9 управления (фиг, 1) прекращается подача управляющего напряжения U на разрядные ключи 7 и 8, которые в пределах времени задержки t

30.5

t t, закрываются, и ток разряда конде нсатора 1 цепочек, образуюг 1их схему накопления ..энергии и деления напряжения (СНД), прекращается. Начиная с этого момента времени и до момента времени t,, напряжение ц на нагрузке 25 поддерживает заряженный конденсатор 11. В момент t с блока 9 управления на ключ 5 поступает управляющее напря- . жение и/, которое открывает зарядный ключ 5 и удерживает его в этом состоянии в течение времени заряда t«. Образуется цепь для потреб яемого от сети в положительный прлуперио д тока заряда ij конденсаторов 1 СНД: шина 13 - ключ 5 - шина 12 - последовательно включенные через диоды 4 конПеременное дапряжение U., посту ющее на вход 19 и 20 системы 26 ве тилей, преобразуется ею в периодическую последовательность синусо- идальньк импульсов, которые поступают на вход источника 27 опорного напряжения и порогового устройства В момент tf (фиг, 2) на вход 47 по гового устройства 28 поступает опо ное напряжение U,; , а на вход 43 - мгновенное значение , равное U ,

денсаторы- 1 - шина 16 - диод ключа 7-д и на вькоде порогового устройства шина 14, В момент t., (окончание запоявляется импульс, которьй передн фронтом переключает RS-триггер 32 нулевое состояние и тем сам,ым согл сующий каскад 33 запирается и закр вает разрядные ключи 7 и 8, Этот в ходной импульс порогового устройст задержанный формирователем 29 заде ки на время ,t jaj необходимое для полного закрывания разрядных ключе передним фронтом запускает формиро ватель 31 времени заряда которьш рябатывает и myльc с момента tj дл тельностью tj. Этот импульс по цеп 49 управляет узлом 34 выбора полув

ряда) прекращается импульс ключ 5 в пределах tj до момента t закрывается. В момент t с блока 9 упра.в- ления подается напряжение U , которое открывает разрядные ключи 7 и 8 и удерживает их в этом состоянии в течение времени разряда t,,. Образуется цепь разряда конденсаторов 1 СНД: положительный вывод конденсаторов 1 - диод 2 - шина 17 - ключ 8 - шина 18 - конденсатор 11 и нагрузка 25 (параллельно) - шина 14 - транзистор ключа 7 - шина 16 - диод 3 - отрицательg5

0 5

0

5

0

ный вывод конденсатора 1. В течение tp напряжение U, на нагрузке создают конденсаторы СПД и подзарядившийся от них конденсатор 11 фильтра, В момент tf,, когда мгновенное значение напряжения сети Uc в отрицательный полупериод равно напряжению срабатывания порогового устройства, прекращается подача управляющего напряжения Ujна разрядные ключи и они закрьшаются. По истечении времени задержки ад с блока управления на ключ 6 подается управляющее напряжение U , которое открывает ключ 6 и удерживает его в этом состоянии в течение времени заряда tj. При этом образуется цепь заряда конденсаторов СНД: шина 14 - диод 10 - шина 12 - последовательно включенные через диоды 4 конденсаторы 1 - шина 15 - ключ 6 - шина 13, По этой цепи протекает ток заряда i, потребляемьй от сети в отрицательный полупериод, в течение-tj. Затем ключ 6 закрывается. По прошествии t под воздействием Uj вновь открываются разрядные ключи 7 и 8 и процесс повторяется. Таким образом, за период преобразуемого напряжения энергия от сети потребляется на подзаряд конденсаторов СНД каждый полупериод.

Блок 9 управления (4яг, 3) работает следующим образом.

Переменное дапряжение U., поступающее на вход 19 и 20 системы 26 вентилей, преобразуется ею в периодическую последовательность синусо- идальньк импульсов, которые поступают на вход источника 27 опорного напряжения и порогового устройства 28, В момент tf (фиг, 2) на вход 47 порогового устройства 28 поступает опорное напряжение U,; , а на вход 43 - мгновенное значение , равное U ,

и на вькоде порогового устройства

и на вькоде порогового устройства

появляется импульс, которьй передним фронтом переключает RS-триггер 32 в нулевое состояние и тем сам,ым согласующий каскад 33 запирается и закрывает разрядные ключи 7 и 8, Этот выходной импульс порогового устройства, задержанный формирователем 29 задержки на время ,t jaj необходимое для полного закрывания разрядных ключей, передним фронтом запускает формирователь 31 времени заряда которьш вы- рябатывает и myльc с момента tj длительностью tj. Этот импульс по цепи 49 управляет узлом 34 выбора полувол51

ны и через него работой зарядных ключей 5 и 6, а своим задним фронтом за ускает формирователь 30 задержки, рыходной импульс формирователя 30 задержки своим задним фронтом в мо- iieHT tj переключает триггер 32 в единичное состоЯ ше, Своим выходным импульсом триггер 32 через согласующий Каскад 33 открывает разрядные ключи и удерживает их в таком состоянии в течение времени разряда t, В мо- :мент tj} цикл работы блока управления повторяется. Длительность одного цикла работы блока управления равна половине периода преобразуемого на-, пряжения

+ t

tb т/2.

20

30

-За -3 jO -f

Узел 34 выбора полуволны (фиг.4) правляет работой зарядных ключей в соответствии с полуволной (положительной или отрицательной) преобразуемого напряжения: с . момента t в течение to. (положительный полу- 25 ериод) проводит ток заряда открытьй ключ 5, а с момента (t + ) в теение tj (отрицательный полупериод) роводит ток заряда открьггый ключ 6„ роисходит это следующим образом. На вход 38 относительно пины 46 усиителя-ограничителя 51 узла 34 выбо-.. ра полуволны с выхода 36 системы 26 вентилей поступает периодическая последовательность однополупериодных положительных синусоидальных импульсов, которая преобразуется усилитеем-ограничителем в выходную периодическую последовательность положительных прямоугольных импульсов, сдвинутых относительно входных на половину периода. Эти импульсы поступают на вход конъюнктора 54 и через инвертор 52 на вход конъюнктора 53, На другой вход каждого конъюнктора по шине 49 поступает сигнал с выхода формирователя 31 времени заряда. Когда на оба входа конъюнктора поступают сигналы высокого уровня, то на его выходе появляется сигнал логической 1, который через согласующий каскад открывает соответствующий зарядный ключ. Так в положительный полупериод преобразуемого напряжения,(фиг. 2) в момент t на выходе формирователя 31 времени заряда появляется импульс, который по шине 49 поступает на один из входов конъюнкторов 53 и 54 и является для них логической , В этот

35

40

45

50

55

0

5

0

0

5

5

0

5

0

5

момент времени на другом входе конъюнктора 53 действует логическая 1, а на другом входе конъюнктора 54 действует логический О. Поэтому на выходе конъюнктора 53 присутствует логическая, 1, которая открьшает через согласующий каскад 55 ключ 5 и удерживает его в этом состоянии в течение tJ, а на выходе конъюнктора 54 - логический О, В отрицательный полупериод преобразуемого напряжения, когда выходной импульс усилителя-ограничителя представляет собой логическую 1 для одного из входов конъюнктора 54, а на другой его вход поступает сигнал логической 1 с выхода формирователя 31 времени заряда, на вь5ходе этого конъюнктора появляется сигнал логической 1, к;оторый через согласующий каскад 56 открывает ключ 6 и удерживает его в этом состоянии в течение В это время на входах конъюнктора 53 действуют логический , О и логическая 1, и ключ 5 не открыт, -.

Таким образом, преобразователь переменного напряжения в постоянное потребляет энергию от сети и в положительный полупериод, и в отрицательный полупериод преобразуемого напряжения, т.е. оно является двухполупе- риодным преобразователем. Ток, потреб- эдяемьй от сети, не содержит постоян- ной составляющей, что приводит к уменьшению его действующего значения и повьшению коэффициента мощности.

Кроме обеспечения более высокого коэффициента мощности, предлагаемое устройство позволяет также более полно обеспечивать установленную мощность первичного источника и, как следствие, обеспечить уменьшение массы, объема и стоимости первичного источника и системы электропитания в целом.

Кроме того, обеспечивается частота преобразования в два раза вьш1е , частоты сети, что позволяет использовать конденсаторы СНД меньшей емкости и уменьшить массу, объем и стоимость реактивной части преобразователя.

Формула изобретения

1. Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержаший п параллельно включенных между собой

цепочек, каждая из которых, кроме первой со стороны первого из входов, состоит из последовательно соединенных конденсатора и двух неуправля- емых вентилей, а первая - из ковден- сатора и одного неуправляемого вентиля, и соединена с последующей це- ,почкой через неуправпяемьй вентиль, причем второй вход цепочек через ди- од в обратном включении и первьй вход цепочек, объединенный с их первым выходом, через управляемьй ключ соединены с общей шиной, образованно объединением первой входной с первой выходной шинами, при этом между второй выходной шиной и общей шиной включен конденсатор, а управляющий вход управляемого ключа через блок управления соединен с второй фазной входной шиной, отличающи й- с я тем, что, с целью повьшгения коэффициента мощности, в него дополнительно введены три управляемых ключа, причем первый из них включен меж ду вторым выходом цепочек и второй выходной шиной, второй - между вторым входом цепочек и фазной входной шиной, а третий включен между фазной входной шиной и первым входом цепо- чек, при этом второй вход блока управления соединен с общей шиной, а его выходы - с управляклцими входами управляемых ключей.

2. Преобразователь по п. 1, от- личающийся тем, что блок управления содержит систему вентилей, состоящую из четырех диодов, включенных по мостовой схеме, источник опорного напряжения, пороговое устройство, два формирователя задержки, формирователь времени заряда, RS-триггер, согласуюш11й каскад, узел выбора полуволны и источник питания, причем один вход системы вентилей

соединен с фазной входной шиной, а другой - с общей шиной, выходные шины системы вентилей соединены с входными шинами источника питания, порогового устройства и источника опорного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом порогового устройства, вькод которого соединен с R-входом и через первьй формирователь задержки, формиро;ватель времени заряда и второй формирователь задержки - с S-входом RS-триггера, выход которого через согласующий каскад соединен с управлякнцими входами управляемых ключей, включенных в выходные шины цепочек, при этом один вход узла выбора полуволны соединен с фазной входной шиной, другой - с отрицательной выходной шиной источника питания, третий - с выходом формирователя времени задержки, причем один вькод узла выбора полуволны соединен с управляющим входом управляемого ключа, включенного в цепь второго входа цепочек, а другой выход - с управляющим входом управляемого ключа, включенного в цепь первого входа этих же цепочек, а выход источника питания соединен с цепями питания устройств.

3. Преобразователь по п. 2, о т- личающийся тем, что узел выбора полуволны содержит усилитель- ограничитель, инвертор, два конъюн- ктора и два согласующих каскада, причем вьрсод усилителя-ограничителя через инвертор и первьй конъюнктор соединен с первым согласующим каскадом, вькод которого соединен.с управляющим входом управляемого ключа, включенного в цепь второго входа цепочек, а через второй конъюнктор - с вторым согласующим каскадом, выход которого соединен с управляюшлм входом управляемого ключа, включенного в цепь первого входа цепочек, кроме того один вход усилителя-ограничителя соединен с фазной входной шиной, другой - с отрицательной выходной шиной: источника питания, а вторые входы конюънкторов соединены с выходом формирователя времени заряда.

Изобретение относится к преобра- зовательной технике и может быть использовано в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение коэффициента мощности. Преобразователь содержит диодно-конденсатор1ную систему деления напряжения, точка соединения катодов диодов 2 которой через управ- ляемьй ключ 8 соединена с положительной выходной шиной 18, а точка соединения анодов диодов 3 через управляемый ключевой элемент 7 соединена с общей шиной 14. Положительный вход 12 системы деления напряжения через управляемый ключевой элемент 5 соединен с входной шиной 13, а через диод 10, включенный в обратном направлении - с общей шиной 14, Управляемьй ключевой элемент 6 включен между входной шиной 13 и точкой соединения анодов диодов 3. Введение зшравляемых ключевых элементов 5, 6 и 8 позволяет за перь д преобразуемого напряжения для накопления энергии в конденсаторах испольаова ть две полуволны, при этом в токе, потребляемом от сети в каждый полупериод, исключается постоянная составляющая, а частота преобразования увеличивается-в два раза по сравнению с частотой питающей сети. Кроме того, уменьшается величина емкости исцользуемых конденсаторов и обеспечивается лучшее использование установленной мощности. 2 з.п. ф-лы, 7 ил. i (Л С

ZTv

фиг. г

2f л

.rtTT..

rtr±r:

V

to

X

2s; 2;.

Е5Я MB

.J8

3if

Zf

гг

23

те,

32

f2f

50

Vnunt.

-W

плт

/

3

+Vnum 55(5S)

Г

(Риг. 5

9иг.

П

t.

(риг. 6