преобразователь синусоидального напряжения в стабилизированное постоянное

Формула изобретения

Преобразователь синусоидального напряжения в постоянное стабилизированное, содержащий пару входных клемм для подключения к источнику синусоидального напряжения и пару выходных клемм для подключения нагрузки и параллельно соединенных конденсатора фильтра и выхода выпрямителя, подключенные к входным клеммам последовательно соединенные двухсторонний управляемый ключ и первичная обмотка разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу выпрямителя, формирователь управляющего напряжения, подключенный своим входом ко входным клеммам, а выходом ко входу управления управляемого двухстороннего ключа, отличающийся тем, что в качестве двухстороннего управляемого ключа использован транзисторный ключ, а в качестве формирователя управляющего напряжения использован формирователь импульсов, сформированных в моменты перехода синусоидального напряжения через нуль с длительностью, обратно пропорциональной амплитуде синусоидального напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к маломощным трансформаторным преобразователям промышленного переменного напряжения в пониженное постоянное стабилизированное, и может использоваться в качестве стабилизатора в сетевых адаптерах и в качестве маломощного источника питания различных электро- и радиоэлектронных устройств.

Известно устройство, осуществляющее преобразование переменного напряжения в постоянное, содержащее разделительный маломощный понижающий трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр [1].

Недостатком данного устройства является однократное пополнение энергии емкостного фильтра за один полупериод выпрямленного напряжения при прохождении им амплитуды. Первичная обмотка маломощного разделительного понижающего трансформатора состоит из нескольких тысяч витков тонкого провода. Это ухудшает теплообмен из глубинной области первичной обмотки, что ведет к повреждению из-за перегрева тонкой изоляции провода и появлению межвитковых замыканий и еще большему нагреву обмотки. Намотка обмотки с несколькими тысячами витков тонким проводом - сложная и долгая технологическая операция, вызывающая износ оборудования и сопровождаемая нередко обрывами провода.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухполупериодный стабилизатор постоянного напряжения, который содержит подключенные к сети последовательно соединенные управляемый двухсторонний ключ и первичную обмотку разделительного трансформатора, выпрямитель, подключенный своим входом к вторичной обмотке разделительного трансформатора, а выходом - к емкостному фильтру, формирователь управляющего напряжения двухстороннего ключа, состоящий из схемы сравнения выходного напряжения, поданного на один ее вход, с опорным напряжением, поданным на ее другой вход, и цепи заряда конденсатора, через динистор, подключенный к управляющему входу двухстороннего ключа. Выход схемы сравнения соединен с входом оптрона, подключенного своим выходом в цепь заряда конденсатора. В качестве управляемого двухстороннего ключа применен симистор [2, с.261].

При работе двухполупериодного стабилизатора напряжение с его выхода сравнивается с опорным напряжением схемой сравнения, в качестве которого применен дифференциальный усилитель. Напряжение с его выхода поступает на вход оптрона (на светодиод), свечение которого прямо пропорционально меняет проводимость фоторезистора оптрона (выход оптрона), включенного в цепь заряда конденсатора, меняя тем самым скорость нарастания напряжения на нем. Это напряжение по достижении уровня пробоя динистора поступает на управляющий электрод симистора, вызывая его срабатывание (открывание). В открытом состоянии симистор находиться до момента прохождения синусоиды сетевого напряжения через нулевое значение. После чего его проводимость резко падает, что ведет к прекращению протекания тока через первичную обмотку разделительного трансформатора. Схема сравнения работает таким образом, что при увеличении постоянного напряжения на выходе двухполупериодного стабилизатора скорость заряда конденсатора уменьшается. Происходит запаздывание перехода симистора в открытое состояние относительно начала полупериода сетевой синусоиды. Это вызывает уменьшение амплитуды импульса тока в первичной обмотке разделительного трансформатора, что ведет к уменьшению напряжения на выходе стабилизатора. При уменьшении постоянного напряжения на выходе стабилизатора процесс регулирования выходного напряжения проходит в обратном направлении - скорость заряда конденсатора увеличивается, переход симистора в открытое состояние наступает раньше, амплитуда импульса тока в первичной обмотке разделительного трансформатора увеличивается, вызывая увеличение напряжения на выходе стабилизатора.

Недостатком известного устройства является однократное пополнение энергии конденсатора емкостного фильтра в конце каждого полупериода выпрямленного напряжения, что определяет прохождение большого по амплитуде импульса тока заряда конденсатора емкостного фильтра. Это вызывает необходимость применения симистора и диодов выпрямителя с большим допустимым импульсным током. Кроме того, разделительный трансформатор должен иметь магнитопровод большего сечения.

Цель изобретения - уменьшение веса и габаритов, обеспечение более равномерной загрузки питающей сети.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного синусоидального напряжения в постоянное стабилизированное, содержащий пару входных клемм для подключения к источнику синусоидального напряжения, и пару выходных клемм для подключения нагрузки и параллельно соединенных конденсатора фильтра и выхода выпрямителя, подключенные к входным клеммам последовательно соединенные двухсторонний управляемый ключ и первичную обмотку разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу выпрямителя, формирователь управляющего напряжения, подключенный своим входом к входным клеммам, а выходом - к входу управления двухстороннего ключа, в качестве двухстороннего управляемого ключа использован транзисторный ключ, а в качестве формирователя управляющего напряжения использован формирователь импульсов, сформированных в моменты перехода синусоидального напряжения через нуль с длительностью, обратно пропорциональной амплитуде входного синусоидального напряжения.

Сущность изобретения заключается в формировании управляющей последовательности импульсов в моменты перехода синусоидального напряжения через нуль с длительностью, обратно пропорциональной амплитуде входного синусоидального напряжения. Воздействие указанной последовательности на управляющий вход двухстороннего ключа в виде транзисторного ключа формирует на первичной обмотке разнополярные импульсы напряжения дважды за период сетевого напряжения, изменяющие магнитный поток В в магнитопроводе разделительного трансформатора от нуля до +Вмакс, -Вмакс и снова до нуля и в обратном порядке от нуля до -Вмакс, +Вмакс и снова до нуля. Такое перемагничивание магнитопровода формирует на вторичной обмотке разнополярные импульсы напряжения прямоугольной формы при каждом прохождении синусоидой сетевого напряжения нулевого значения.

На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя синусоидального напряжения в стабилизированное постоянное; на фиг.2 - эпюры напряжений и токов, поясняющие работу преобразователя; на фиг.3 приведен вариант выполнения структурной схемы формирователя управляющего напряжения 5; на фиг.4 - эпюры напряжения, поясняющие его работу; на фиг.5 приведены некоторые варианты двухсторонних транзисторных ключей [3].

На фиг.2а изображена эпюра входного напряжения Uв синусоидальной формы; на фиг.2б - импульсное напряжение Uу на управляющем входе двухстороннего управляемого ключа 4; на фиг.2в - импульсное напряжение Utp₁ на первичной обмотке разделительного трансформатора 6; на фиг.2г - импульсный ток Iтp₁ в первичной обмотке разделительного трансформатора 6; на фиг.2д - импульсное напряжение Uтр₂ на вторичной обмотке разделительного трансформатора 6, на фиг.2е - постоянное пульсирующее напряжение Uс на конденсаторе С и выходных клеммах 2’ и 2’’.

На фиг.4а представлена эпюра входного напряжения Uв; на фиг.4б - эпюра напряжения Uвып на выходе вспомогательного выпрямителя 8; на фиг.4в - эпюры напряжения на неинвертирующем Uнеинв и на инвертирующем Uинв входах компаратора DA1, на фиг.4г - эпюра напряжения на выходе компаратора DA1 Uвых к; на фиг.4д - эпюра напряжения на выходе нагрузки оптрона DA2 (на входе управляемого двухстороннего ключа 4).

Преобразователь синусоидального напряжения в стабилизированное постоянное напряжение содержит пару входных клемм 1’ и 1’’, пару выходных клемм 2’ и 2’’, выпрямитель 3, двухсторонний управляемый ключ 4, формирователь управляющего напряжения 5, разделительный трансформатор 6 с двумя обмотками, конденсатор емкостного фильтра 7.

Входные клеммы 1’ и 1’’ подключены к источнику синусодального напряжения, выходные клеммы 2’ и 2’’ - к сопротивлению нагрузки Rн. Последовательно соединенные двухсторонний управляемый ключ 4 и первичная обмотка разделительного трансформатора 6 подключены к входным клеммам 1’ и 1’’. Вторичная обмотка разделительного трансформатора 6 подключена к входу выпрямителя 3, выход которого подключен к конденсатору емкостного фильтра 7 и выходным клеммам 2’ и 2’’. Вход управления формирователя управляющего напряжения 5 подключен к входным клеммам 1’ и 1’’, а его выход - к управляющему входу двухстороннего управляемого ключа 4.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении сетевого синусоидального напряжения к клеммам 1’ и 1’’ в момент t₀ (см. фиг.2а) положительная полуволна напряжения приложена к разомкнутому управляемому двухстороннему ключу 4. При приближении полуволны к нулевому значению сетевого напряжения, в момент t₁ (см. фиг.2б), на вход двухстороннего управляемого ключа поступает фронт управляющего импульса, переводящий ключ 4 из разомкнутого в замкнутое положение. В этот момент сетевое напряжение Uтp₁ прикладывается к первичной обмотке разделительного трансформатора 6 (см. фиг.2в), вызывая в ней быстрое нарастание положительного импульса тока Iтp₁ до +Iмакс. По достижении максимума +Iмакс значение тока начинает уменьшаться из-за уменьшения значения сетевого напряжения Uтp₁ на первичной обмотке разделительного трансформатора 6 (см. фиг.2в). Этот близкий к треугольной форме положительный импульс тока (см. фиг.2г) за счет изменения магнитного потока В в магнитопроводе от нуля до +Вмакс и снова до нуля разделительного трансформатора 6 формирует во вторичной обмотке положительный импульс напряжения прямоугольной формы амплитудой +Uтр₂макс (см. фиг.2д). Этот импульс через выпрямитель 3 пополняет заряд конденсатора емкостного фильтра 7, вызывая увеличение напряжения Uс на нем. При изменении знака полуволны сетевого напряжения (см. фиг.2в) меняется направление тока Iтp₁ в первичной обмотке разделительного трансформатора 6 (см. фиг.2г). Этот нарастающий отрицательный импульс тока Iтp₁ формирует в магнитопроводе разделительного трансформатора 6 изменение магнитного потока В от нуля до -Вмакс. По достижении -Вмакс в момент t₂ прекращается действие импульса Uy на управляющем входе управляемого двухстороннего ключа 4. Ключ запирается, прекращая тем самым рост тока Iтp₁ в первичной обмотке разделительного трансформатора 6 (см. фиг.2г). Магнитный поток в магнитопроводе разделительного трансформатора 6 уменьшается до нуля. Это изменение магнитного потока формирует во вторичной обмотке отрицательный импульс напряжения –Uтp₂макс, близкий к прямоугольной форме. Этот импульс напряжения через выпремитель 3 продолжает пополнять заряд конденсатора емкостного фильтра 7 до своего окончания, продолжая увеличивать напряжение Uс на нем. После чего конденсатор фильтра 7 разряжается через сопротивление нагрузки Rн, подключенное к клеммам 2’ и 2’’, уменьшая напряжение Uc на нем. Разряд продолжается до момента t₃, близкого к пересечению отрицательной полуволной сетевого напряжения Uтp₁ нуля. В этот момент t₃ с формирователя управляющего напряжения 5 на вход управляемого двухстороннего ключа 4 вновь поступает импульс Uу, переводящий его в открытое положение. Далее процессы в преобразователе повторяются. За один период сетевого напряжения через первичную обмотку проходят 4 импульса тока Iтр₁. Середина импульсов Uy формирователя управляющего напряжения 5 совпадает или близка к моментам перехода сетевой синусоиды через ноль.

Вариант формирователя управляющих импульсов 5 (см. фиг.3) содержит вспомогательный выпрямитель 8; первый делитель напряжения R1, R2, C₁; второй делитель напряжения R3, R4; компаратор напряжения DA1; оптрон DA2; ограничительный резистор R5; резистор нагрузки R6 оптрона. Uп₁, Uп₂ - напряжения вспомогательных источников питания на фиг.3 не показаны.

Вход вспомогательного выпрямителя 8 подключен к клеммам 1’ и 1’’, его выход нагружен на первый и второй делители напряжения. Первый делитель напряжения усредняет выпрямленное напряжение Uнеинв, используемое для задания следящего опорного уровня на неинвертируемом входе компаратора DA1. Второй делитель передает на свой выход часть выпрямленного напряжения Uинв без изменения формы, поступающее на инвертирующий вход компаратора DA1. Компаратор DA1 питается от Uп₁, коллектор фототранзистора оптрона DA2 подключен к Uп₂.

В моменты времени t₁, t₃ (см. фиг.4), когда Uнеинв больше Uинв, на выходе компаратора напряжения DA1 устанавливается высокий уровень напряжения Uвых к, поступающий через резистор R5 на светодиод оптрона DA2. Под действием его излучения фототранзистор оптрона DA2 подключает верхний вывод резистора нагрузки R6 к вспомогательному источнику питания Uп₂, формируя фронт и вершину управляющего импульса Uy. В моменты времени t₂, t₄ (см. фиг.4), когда Uнеинв меньше Uинв, на выходе компаратора напряжения DA1 устанавливается низкий уровень напряжения Uвых к. Излучение светодиода оптрона DA2 прекращается, фототранзистор оптрона DA2 запирается, формируя срез и низкий уровень импульса Uу. За один период сетевого напряжения формируются два управляющих импульса Uy при прохождении сетевой синусоидой нулевого значения. Длительность сформированных управляющих импульсов Uy при изменении амплитуды сетевого напряжения изменяется обратно пропорционально за счет изменения следящего опорного уровня Uнеинв. Такая зависимость оказывает стабилизирующий эффект на выходе преобразователя за счет поддержания постоянства площади импульсов Iтp₁, формируемых в первичной обмотке разделительного трансформатора 6.

На фиг.5а показан вариант двухстороннего ключа 4 на встречно-параллельно включенных транзисторах и диодах; на фиг.5б - на встречно-последовательно включенных транзисторах и диодах; на фиг.5в - на транзисторе, включенном в диагональ диодного моста [3], на фиг.5г - на полевом транзисторе с изолированным затвором и индуцированным каналом без защитного диода между стоком и истоком [1, с.498].

Двухсторонние транзисторные ключи, см. фиг.5а, б, в, г, переводятся в замкнутое положение при поступлении на базу или затвор транзистора отпирающего импульса со схемы управления (СУ). Переменный ток проходит через транзисторный ключ в любом направлении. В отсутствии отпирающего импульса со схемы управления (СУ) ключ разомкнут.

Сформированная таким образом последовательность управляющих импульсов, воздействуя на управляемый двухсторонний ключ 4, позволяет осуществить синхронное с сетью, следящее стробирование сетевого напряжения на первичной обмотке разделительного трансформатора 6. Это стробирование обеспечивает поступление равных порций энергии сети переменного тока на конденсатор емкостного фильтра 7, позволяющих поддерживать на нем постоянный уровень требуемого пониженного напряжения.

Технико-экономический эффект от применения изобретения заключается в разгрузке сети при прохождении максимума синусоиды сетевого напряжения за счет использования околонулевых интервалов синусоиды сетевого напряжения, уменьшения сечения магнитопровода разделительного трансформатора, что улучшает весогабаритные параметры преобразователя. Помимо указанного следует отметить значительное улучшение технологичности изготовления разделительного трансформатора. Из-за приближения его коэффициента трансформации к единице обе обмотки могут быть намотаны проводом большего сечения с числом витков в несколько десятков. Применение провода большего сечения с более толстой изоляцией исключает обрыв намотки обмоток, улучшает условия для отвода тепла из глубинных областей разделительного трансформатора и вместе со снятием сетевого напряжения с первичной обмотки при прохождении им максимума устраняет появление межвитковых замыканий. Транзистор, используемый в качестве ключевого, работает с большим током при малом напряжении на низкой частоте сетевого напряжения. Из-за малого числа витков обмоток заметно снижена их индуктивность рассеяния и соответственно амплитуда выбросов напряжения при коммутации тока первичной обмотки, что позволяет применить транзистор со сравнительно низким максимально допустимым напряжением. Работа преобразователя в околонулевых интервалах сетевого напряжения позволяет расширить диапазон рабочего напряжения как в сторону повышения сетевого напряжения, так и в сторону его понижения.

Источники информации

1. Артамонов В.В. Маломощные выпрямители, Москва: Связь, 1970, стр. 48, рис. 1.21.

2. Готлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. Москва: Постмаркет, 2000, стр.261, рис. 8.4; стр. 498.

3. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. Москва: Энергоатомиздат, 1986, с.33-34, рис. 2.1, в, г, д.