устройство ограничения зарядного тока для сетевого источника питания

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ЗАРЯДНОГО ТОКА ДЛЯ СЕТЕВОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ, содержащее ключевой элемент для подключения входных выводов устройства к сети, входной сетевой выпрямитель, подключенный своим входом к входным выводам устройства, входной низкочастотный конденсатор, соединенный своим положительным выводом с положительным выводом входного выпрямителя, токоограничительный резистор, включенный между отрицательным выводом выпрямителя и отрицательным выводом входного конденсатора, тиристор, включенный параллельно токоограничительному резистору и соединенный своим катодом с отрицательным выводом входного выпрямителя, инвертор повышенной частоты с выходным силовым трансформатором, силовой вход которого подключен параллельно входному конденсатору, выходной выпрямитель, вход которого соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, выполненной с выводом средней точки, выходной фильтрующий конденсатор, включенный между положительным выводом выходного выпрямителя и выводом средней точки вторичной обмотки силового трансформатора и подключенный к выходным выводам дополнительный выпрямитель, подключенный своим входом к дополнительной обмотке силового трансформатора, выполненной со средней точкой, резистор, включенный между положительным выводом дополнительного выпрямителя и управляющим электродом тиристора, накопительный конденсатор, включенный между управляющим электродом тиристора и отрицательным выводом дополнительного выпрямителя, резистор, включенный между катодом и управляющим электродом тиристора, блок управления инвертором повышенной частоты, отличающееся тем, что параллельно тиристору включена цепь формирования импульсов запуска тиристора, состоящая из последовательно соединенных диода, анод которого соединен с анодом тиристора, цепи, содержащей три параллельно соединенные цепочки, первая из которых содержит конденсатор, вторая - последовательно соединенные резистор и динистор, анод которого соединен с катодом диода, а третья - последовательно соединенные резистор и светодиод транзисторной оптопары, подключенный своим анодом к катоду диода, и резистора, фототранзистор типа n-p-n оптопары включен между катодом тиристора и отрицательным выводом дополнительного выпрямителя, причем коллектор фототранзистора соединен с катодом тиристора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве устройства ограничения зарядного тока конденсатора входного фильтра при построении источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом различного назначения.

Известны сетевые источники питания с бестрансформаторным входом, в которых функцию ограничения тока зарядки конденсатора входного низкочастотного фильтра выполняют терморезисторы (с отрицательным ТКС), включаемые последовательно в цепь зарядки конденсатора. К недостаткам таких устройств следует отнести сравнительно низкий КПД из-за достаточно большой мощности, рассеиваемой на терморезисторе в номинальном режиме работы, поскольку остаточное сопротивление терморезисторов не столь мало (от 1 до 3 Ом).

Известно устройство ограничения зарядного тока, содержащее нелинейную зарядную цепь, состоящую из токоограничительного резистора и параллельно ему включенного тиристора, формирователь импульсов запуска тиристора, входная цепь которого получает питание от напряжения анод-катод тиристора, вспомогательный выпрямитель, соединенный с дополнительной обмоткой преобразователя и предназначенный для питания управляющей цепи тиристора. Данное устройство обеспечивает импульсное управление тиристором при минимальном напряжении анод-катод тиристора, что существенно уменьшает амплитуду импульса тока дозарядки входного конденсатора и повышает КПД устройства. К недостаткам такого устройства следует отнести достаточную сложность схемы формирователя импульсов запуска тиристора, содержащей достаточно большое число элементов, что усложняет конструкцию устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство плавного включения, содержащее сетевой выпрямитель, подключенный к конденсатору фильтра через зарядную цепочку, состоящую из соединенных параллельно токоограничительного резистора и тиристора. Управление тиристором осуществляется напряжением, полученным после выпрямления и фильтрации импульсного знакопеременного напряжения дополнительной обмотки силового трансформатора преобразователя повышенной частоты. К недостаткам известного устройства следует отнести достаточно низкий КПД, что связано со значительными потерями в управляющем переходе тиристора из-за постоянной мощности, подаваемой в цепь управления, и снижение надежности устройства из-за имеющей место большой амплитуды импульса тока дозарядки конденсатора фильтра при первом отпирании тиристора в случае, если отпирание произошло при достаточно большом напряжении анод-катод тиристора.

Изобретение направлено на повышение надежности устройства путем существенного уменьшения амплитуды импульса тока дозарядки входного низкочастотного конденсатора, а также повышения КПД устройства за счет уменьшения потерь в управляющем переходе тиристора путем применения импульсного способа управления тиристором.

Для этого в устройстве, содержащем механический ключевой элемент для подключения устройства к сети, входной сетевой выпрямитель, своим входом подключенный к входным выводам устройства через механический ключевой элемент, входной низкочастотный конденсатор, соединенный своим положительным выводом с положительным выводом входного выпрямителя, токоограничительный резистор, включенный между отрицательным выводом выпрямителя и отрицательным выводом входного конденсатора, тиристор, включенный параллельно токоограничительному резистору и соединенный своим катодом с отрицательным выводом входного выпрямителя, инвертор повышенной частоты с силовым трансформатором, силовой вход инвертора подключен параллельно входному конденсатору, выходной выпрямитель, вход которого соединен с вторичной обмоткой силового трансформатора, выполненной с выводом средней точки, выходной фильтрующий конденсатор, включенный между положительным выводом выходного выпрямителя и выводом средней точки вторичной обмотки силового трансформатора, дополнительный выпрямитель, подключенный входом к дополнительной обмотке силового трансформатора, выполненной со средней точкой, резистор, включенный между положительным выводом дополнительного выпрямителя и управляющим электродом тиристора, цепочка, состоящая из параллельно соединенных резистора и накопительного конденсатора и включенная между катодом и управляющим электродом тиристора, катод тиристора соединен с выводом средней точки дополнительной обмотки силового трансформатора, блок управления инвертором повышенной частоты, введена цепь формирования импульсов запуска тиристора, включенная параллельно тиристору и состоящая из последовательно соединенных диода, анод которого соединен с анодом тиристора, цепи, содержащей три параллельно соединенные цепочки, первая из которых содержит конденсатор, вторая - последовательно соединенные резистор и динистор, анод которого соединен с катодом диода, а третья - последовательно соединенные резистор и светодиод транзисторной оптопары, подключенный своим анодом к катоду диода, и резистора, причем фототранзистор типа n-p-n-оптопары включен в разрыв цепи, подключенной к катоду тиристора и соединяющей накопительный конденсатор и параллельно ему включенный резистор, причем коллектор фототранзистора соединен с катодом тиристора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в повышении надежности устройства за счет уменьшения в 4. . . 5 раз амплитуды импульса тока дозарядки входного низкочастотного конденсатора, а также в повышении КПД, устройства за счет существенного снижения потерь в цепи управления тиристором из-за применения импульсного способа управления тиристором.

На чертеже представлена электрическая схема устройства.

Устройство содержит механический ключевой элемент 1 для подключения устройства к сети, входной сетевой выпрямитель 2, входной низкочастотный конденсатор 3, токоограничительный резистор 4, тиристор 5, инвертор 6 повышенной частоты, получающий питание от конденсатора 3, силовой трансформатор 7, первичная обмотка которого соединена с выходом инвертора 6, выходной выпрямитель 8, выходом соединенный с выходным фильтрующим конденсатором 9, дополнительный выпрямитель 10, подключенный к дополнительной обмотке трансформатора 7, цепь управления тиристором, содержащая резистор 11, резистор 12, накопительный конденсатор 13 и фототранзистор 22 транзисторной оптопары, блок 14 управления инвертором 6 повышенной частоты, цепь формирования импульсов запуска тиристора, содержащая диод 15, конденсатор 16, последовательно соединенные резистор 17 и динистор 18, последовательно соединенные резистор 19 и светодиод 20 транзисторной оптопары и резистор 21.

Устройство работает следующим образом.

При замыкании ключевого элемента 1 начинается процесс зарядки конденсатора 3 через токоограничительный резистор 4 и параллельно подключенную ему цепь формирователя импульсов запуска тиристора, в которой происходят при этом следующие процессы. Как только выпрямленное напряжение превысит напряжение на конденсаторе 3 (конденсатор 16 к этому моменту оказывается полностью разряженным), начинает протекать ток по цепи диод 15 - конденсатор 16 - резистор 21. Конденсатор 16 заряжается, напряжение на нем возрастает, это приводит к тому, что в цепи светодиод 20 - резистор 19 появляется ток, который также возрастает по мере заряда конденсатора. Величина сопротивления резистора 19 выбрана таким образом, что цепь светодиод 20 - резистор 19 практически не оказывает существенного влияния на процесс нарастания напряжения на конденсаторе 16. При достижении напряжения на этом конденсаторе величины пробоя динистора 18 последний открывается и происходит быстрый разряд конденсатора 16 по цепи динистор 18 - резистор 17. Эта цепь оказывает шунтирующее действие на цепь, в которой находится светодиод 20, в результате чего ток, протекающий через светодиод 20, быстро спадает. На этом формирование импульса запуска тиристора заканчивается. Далее напряжение на конденсаторе снова нарастает до некоторого значения, которое прямо пропорционально амплитуде импульса зарядного тока конденсатора 3, затем снова уменьшается, повторяя по форме форму импульса зарядного тока. Это вызвано тем, что через цепь формирования импульсов запуска тиристора протекает некоторая часть тока заряда конденсатора 3. Как только выходное напряжение выпрямителя понижается до уровня напряжения на конденсаторе 3, диод 15 запирается. Конденсатор 16 к этому моменту времени оказывается практически полностью разряженным. После прекращения действия импульса зарядного тока небольшой остаток своей энергии конденсатор расходует на резисторах 17 и 19. После того, как в цепи динистора 18 понизится до величины тока удержания, динистор 18 также закрывается. По мере увеличения напряжения на конденсаторе 3 в процессе его заряда амплитуда зарядных импульсов уменьшается, а амплитуда импульсов тока для запуска тиристора, протекающих через светодиод 20 практически не изменяется, поскольку она определяется напряжением пробоя динистора 18. К моменту дозарядки конденсатора 3 через тиристор 5 амплитуда зарядных импульсов тока, протекающих через светодиод 20, становится настолько мала, что свечения диода не возникает, чем исключается возможность запуска тиристора при больших напряжениях анод-катод тиристора, когда напряжение на конденсаторе 13, после запуска инвертора 6 импульсами управления с выхода блока 14, возрастает до величины, достаточной для отпирания тиристора. Величина сопротивления резистора 17 выбирается исходя из допустимого значения тока через динистор 18 при разряде конденсатора 16, когда динистор отпирается. При достижении напряжения на конденсаторе 3 установленной величины происходит запуск инвертора 6 импульсами управления блока 14, во вторичных обмотках трансформатора 7 появляются импульсные напряжения. Конденсатор 13 достаточно быстро заряжается выходным напряжением выпрямителя 10, так как его заряд происходит при отсутствии тока нагрузки, т. е. в режиме холостого хода. После заряда конденсатора 13 до величины напряжения, достаточной для отпирания тиристора, последний откроется очередным импульсом запуска. При этом фототранзистор 22 открывается и замыкает цепь разряда конденсатора 13 через резистор 12 и управляющий электрод тиристора. При открывании тиристора происходит шунтирование цепи формирования импульсов запуска тиристора. Так как при этом напряжение на конденсаторе 16 не достигает напряжения пробоя динистора 18, то конденсатор будет сравнительно медленно разряжаться через цепочку светодиод 20 - резистор 19, обеспечивая тем самым режим устойчивого отпирания тиристора. Таким образом, включение тиристора приводит к формированию спада импульса запуска тиристора. При отпирании тиристора его напряжение анод - катод минимально, чем и достигается уменьшение амплитуды импульса тока дозаряда конденсатора 3. В стационарном режиме работы устройства формирование импульсов запуска тиристора происходит аналогично. Длительность импульса запуска тиристора выбирается исходя из времени достижения тока через тиристор его нормированного значения, т. е. тока удержания. В предлагаемом устройстве длительность импульса запуска будет определяться напряжением пробоя динистора 18 до момента первого отпирания тиристора, а в стационарном режиме работы длительность импульса ограничивается моментом отпирания тиристора. Таким образом, в предлагаемом устройстве управление тиристором осуществляется импульсным напряжением, обеспечивая всегда открывание тиристора при минимальном напряжении анод-катод. Цепь формирования импульсов запуска тиристора достаточно экономична с точки зрения потерь энергии и не ухудшает массогабаритные показатели известного устройства. (56) Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. - Л. : Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991, с. 45, рис. 2.4.

Бас А. А. и др. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом - М. : Радио и связь, 1987, с. 30, рис. 2.6.