БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
TRANSFORMLESS STABILISING ALTERNATING-CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизирующим преобразователям напряжения.
Известен феррорезонансный стабилизатор напряжения, включающий повышающий автотрансформатор с насыщенным сердечником, конденсатор и ненасыщенный дроссель с основной и компенсационной обмотками. Стабилизация достигается благодаря разности вольт-амперных характеристик насыщенных и ненасыщенных дросселей. Конденсатор, образуя с насыщенным дросселем резонансный контур, улучшает стабилизирующую способность устройства (В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов, «Электропитание устройств связи», издательство «Связь», Москва, 1975 г.). Достоинствами таких преобразователей являются простота и надежность. Основными недостатками являются зависимость выходного напряжения от частоты питающей сети и искажения синусоидальной формы напряжения. Известен стабилизатор напряжения с магнитным усилителем, включающий трансформатор, магнитный усилитель, рабочие обмотки которого соединены, через диоды, последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и цепь управления, соединенную с управляющими обмотками магнитного усилителя. Стабилизация достигается благодаря изменению магнитной индукции под воздействием управляющего тока, что определяет изменение падения напряжения на рабочих обмотках магнитного усилителя (под редакцией Г.С. Найвельта «Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры», издательство «Радио и связь», Москва, 1985 г.). Достоинством таких преобразователей являются достаточно большие коэффициенты стабилизации. Недостатком является искажение синусоидальной формы напряжения. Известен транзисторный стабилизатор переменного напряжения, включающий трансформатор, по крайней мере два регулирующих транзистора с диодами, включенные встречно друг другу, соединенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и цепь обратной связи. Стабилизация достигается благодаря изменению электрического сопротивления транзисторов в зависимости от напряжения во вторичной обмотке трансформатора (под редакцией Г.С. Найвельта «Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры», издательство «Радио и связь», Москва, 1985 г.). Достоинством таких преобразователей является отсутствие искажений синусоидальной формы выходного напряжения. Недостатком является значительное рассеивание мощности на регулирующих транзисторах. Известен электромеханический стабилизатор, включающий автотрансформатор с подвижным контактом, электродвигатель, вал которого соединен с осью подвижного контакта, и схему управления питанием электродвигателя. Стабилизация достигается благодаря перемещению электродвигателем подвижного контакта по обмоткам автотрансформатора в зависимости от изменений выходного напряжения (М.А. Шустов «Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Книга 2», издательство «Альтекс-А», Москва, 2002 г.). Достоинствами таких преобразователей являются высокий КПД и отсутствие искажений синусоидальной формы выходного напряжения. Общими недостатками этого устройства и всех вышеперечисленных являются плохие массогабаритные характеристики и присутствие электромагнитных помех при работе устройств, обусловленные применением в схемах моточных силовых элементов.
В качестве прототипа принят бестрансформаторный стабилизирующий преобразователь, включающий блок конденсаторно-диодных ячеек, два электронных ключа заряда блока конденсаторно-диодных ячеек, стабилизатор тока заряда, два электронных ключа разряда блока конденсаторно-диодных ячеек и цепь стабилизации с широтно-импульсной модуляцией. Преобразование напряжения происходит благодаря тому, что заряд конденсаторов происходит в режиме их последовательного соединения, а разряд - в режиме параллельного соединения, стабилизатор тока заряда обеспечивает неизменной амплитуду импульсов тока заряда, а цепь стабилизации с широтно-импульсной модуляцией изменяет длительность импульсов тока заряда в зависимости от напряжения на выходе преобразователя (Л.М. Браславский, В.Г. Кобылянский, A.M. Сажнов «Бестрансформаторный преобразователь с комбинированной стабилизацией напряжения», под редакцией И.Ф. Николаевского «Полупроводниковая электроника в технике связи. Сборник статей. Выпуск 20», издательство «Связь», Москва, 1980 г.). Достоинствами таких преобразователей являются их хорошие массогабаритные характеристики и отсутствие электромагнитных помех при работе. Основным недостатком является то, что данные преобразователи могут работать только в понижающем режиме и дают на выходе выпрямленное напряжение, что делает невозможным их применение в качестве стабилизаторов переменного напряжения.
Изобретение может быть применено как повышающий стабилизатор при пониженном напряжении в потребительской электросети.
Техническим результатом, достигаемым с помощью данного изобретения, является увеличение амплитуды пониженного переменного напряжения до заданных значений без применения моточных силовых элементов.
В описании изобретения будут использованы следующие термины: точка соединения катодов разрядных диодов блока конденсаторно-диодных ячеек, аноды которых соединены с конденсаторами, и положительного вывода конденсатора первой ячейки именуется в дальнейшем положительной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, точка соединения анодов разрядных диодов, катоды которых соединены с конденсаторами, и отрицательного вывода конденсатора последней ячейки именуется в дальнейшем отрицательной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, измерительный элемент, один из выводов которого соединен с положительной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, а другой вывод соединен с отрицательной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, именуется в дальнейшем измерительным элементом корректирующего напряжения, электронный блок, соединенный с выходом измерительного элемента входного напряжения и с управляющим входом измерительного элемента корректирующего напряжения именуется в дальнейшем блоком установки эталона.
Технический результат достигается тем, что бестрансформаторный стабилизирующий преобразователь, включающий блок конденсаторно-диодных ячеек, электронный ключ заряда блока конденсаторно-диодных ячеек и два электронных ключа разряда блока конденсаторно-диодных ячеек, согласно изобретению, содержит две одинаковые группы элементов, каждая из которых включает в себя блок конденсаторно-диодных ячеек, электронный ключ заряда блока конденсаторно-диодных ячеек и два электронных ключа разряда блока конденсаторно-диодных ячеек, кроме того, каждая из групп элементов содержит измерительный элемент входного напряжения, сравнивающий напряжение на входе преобразователя с эталонным значением выходного напряжения, блок установки эталона, задающий эталонное напряжение коррекции, зависящее от полученных измерительным элементом входного напряжения результатов, измерительный элемент корректирующего напряжения, сравнивающий подаваемое на блок конденсаторно-диодных ячеек напряжение с эталонным напряжением коррекции для управления зарядом блока конденсаторно-диодных ячеек посредством контроля работы электронного ключа заряда и шунтирующий диод, предотвращающий заряд блока конденсаторно-диодных ячеек обратным напряжением, в составе каждой из групп элементы соединены следующим образом, измерительный элемент входного напряжения соединен с контактами входа преобразователя и с блоком установки эталона, который, в свою очередь, соединен с измерительным элементом корректирующего напряжения, который, в свою очередь, соединен с положительной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, отрицательной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек и управляющим выводом электронного ключа заряда блока конденсаторно-диодных ячеек, один из коммутирующих выводов электронного ключа заряда соединен с отрицательной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, другой коммутирующий вывод электронного ключа заряда соединен с одним из входных контактов преобразователя, преобразователь содержит два входных контакта, другой входной контакт преобразователя соединен с положительной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек и с одним из коммутирующих выводов первого электронного ключа разряда блока конденсаторно-диодных ячеек, другой коммутирующий вывод первого электронного ключа разряда соединен с контактом выхода преобразователя на нагрузку и одним из коммутирующих выводов второго электронного ключа разряда блока конденсаторно-диодных ячеек, другой коммутирующий вывод второго электронного ключа разряда соединен с отрицательной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек и анодом шунтирующего диода, катод которого соединен с положительной точкой блока конденсаторно-диодных ячеек, группы элементов соединены так, что положительные точки блоков конденсаторно-диодных ячеек одной и другой групп элементов подсоединены к разным входным контактам преобразователя, а соединенные между собой коммутирующие выводы электронных ключей разряда блоков конденсаторно-диодных ячеек одной и другой групп элементов подсоединены к разным контактам выхода преобразователя на нагрузку, при том, что преобразователь содержит два контакта выхода на нагрузку.
На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя. Устройство работает следующим образом. Ко входным контактам 1 и 2 подсоединены измерительные элементы входного напряжения 3 и 4, в которых происходит сравнение входного напряжения с эталонным, при этом в измерительном элементе 3 измеряется пиковое значение входного напряжения в полупериод, предшествующий полупериоду заряда блока конденсаторно-диодных ячеек 13, а в измерительном элементе 4 измеряется пиковое значение входного напряжения в полупериод, предшествующий полупериоду заряда блока конденсаторно-диодных ячеек 14. В зависимости от значений входных напряжений, блоки установки эталона 5 и 6 задают эталонные напряжения коррекции для измерительных элементов корректирующего напряжения 7 и 8 соответственно. В измерительном элементе корректирующего напряжения 7 измеряется напряжение, подаваемое на блок конденсаторно-диодных ячеек 13 в полупериод его заряда, соответственно в измерительном элементе корректирующего напряжения 8 измеряется напряжение, подаваемое на блок конденсаторно-диодных ячеек 14 в полупериод его заряда. В измерительных элементах корректирующего напряжения подаваемое напряжение непрерывно сравнивается с заданными эталонными напряжениями коррекции, когда растущее в полупериоде заряда значение напряжения достигает значения эталонного, на управляющий вывод электронного ключа заряда подается сигнал и ключ разрывает цепь заряда. Чем меньше пиковое значение напряжения, поступающее на измерительный элемент входного напряжения, тем больше задается значение эталонного напряжения на измерительном элементе корректирующего напряжения и тем больше времени полупериода заряда ключ заряда находится в открытом состоянии, таким образом происходит регулирование корректирующего напряжения. Благодаря тому, что напряжение разряда блока конденсаторно-диодных ячеек в n раз меньше напряжения его заряда, где n - количество конденсаторно-диодных ячеек в блоке конденсаторно-диодных ячеек, эталонное напряжение коррекции устанавливается в n раз больше, чем необходимое напряжение коррекции, что позволяет компенсировать даже небольшие отклонения напряжения от заданных значений. Включение и выключение всех электронных ключей управляется входным напряжением преобразователя, кроме ключей заряда, чье выключение и включение зависит еще и от сигнала с измерительного элемента корректирующего напряжения, кроме того, ключи заряда устроены так, что после включения устройства каждый из них начинает работать в штатном режиме только после подачи на вход преобразователя напряжения, запирающего этот ключ. Увеличение амплитуды пониженного входного напряжения до заданного значения на выходе устройства происходит следующим образом. Пусть при включении устройства в первом полупериоде входного напряжения на контакт 1 подается положительный потенциал относительно контакта 2, при этом срабатывают электронные ключи 11 и 18, здесь и в дальнейшем под срабатыванием ключа понимается замыкание цепи, измерительный элемент 4 через блок установки эталона 6 задает эталонное напряжение измерительному элементу 8, на выход устройства поступает нескорректированное напряжение, то есть равное входному, ток протекает по следующей цепи: входной контакт 1, электронный ключ 11, контакт выхода на нагрузку 19, нагрузка 21, контакт выхода на нагрузку 20, электронный ключ 18, шунтирующий диод 16, входной контакт 2. В следующем полупериоде срабатывают электронные ключи 10, 12, 17, при этом блок конденсаторно-диодных ячеек 14 заряжается до заданного значения по цепи: входной контакт 2, блок конденсаторно-диодных ячеек 14, электронный ключ 10, входной контакт 1. Измерительный элемент 3 через блок установки эталона 5 задает эталонное напряжение измерительному элементу 7, на выход устройства поступает нескорректированное напряжение, ток протекает по следующей цепи: входной контакт 2, электронный ключ 12, контакт выхода на нагрузку 20, нагрузка 21, контакт выхода на нагрузку 19, электронный ключ 17, шунтирующий диод 15, входной контакт 1. В следующем полупериоде срабатывают ключи 9, 11, 18, блок конденсаторно-диодных ячеек 13 заряжается до заданного значения, на выход устройства поступает скорректированное, то есть повышенное напряжение, ток протекает по следующей цепи: входной контакт 1, электронный ключ 11, контакт выхода на нагрузку 19, нагрузка 21, контакт выхода на нагрузку 20, электронный ключ 18, блок конденсаторно-диодных ячеек 14, входной контакт 2, при этом входное напряжение складывается на выходе с напряжением заряженного блока конденсаторно-диодных ячеек 14, так как источник входного напряжения и блок конденсаторно-диодных ячеек подключены к выходу на нагрузку последовательно. Начиная с этого полупериода все электронные ключи работают в штатном режиме, блоки конденсаторно-диодных ячеек заряжаются до заданных значений, их напряжения складываются со входным напряжением в соответствующие полупериоды разряда. Шунтирующие диоды 15 и 16 предотвращают заряд обратным напряжением блоков конденсаторно-диодных ячеек и возможный выход из строя конденсаторов в случае, если они остались незаряженными или полностью разрядились. В том случае, если конденсаторы блоков конденсаторно-диодных ячеек заряжены, их напряжение запирает соответствующие диоды 15 и 16 и ток протекает через блоки конденсаторно-диодных ячеек. Заряд каждого из блоков конденсаторно-диодных ячеек происходит в соответствии с пиковым значением напряжения в предшествующем полупериоде, если это значение равнялось нулю, то конденсаторы зарядятся максимально, а это значит что при включении преобразователя будет наблюдаться однократный скачок напряжения на выходе устройства. Во избежание этого, каждый из электронных ключей заряда начинает работу в штатном режиме после подачи на вход устройства полупериода входного напряжения, во время которого устанавливается эталонное напряжение коррекции для измерительного элемента, управляющего данным ключом, иными словами, после полупериода, запирающего данный ключ. Электронные ключи, измерительные элементы и блоки установки эталона могут быть реализованы разными техническими средствами, что принципиально не влияет на достижение заявленного технического результата, поэтому их устройство и принципиальные схемы не являются объектами патентования.