Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с низкими пульсациями выходного напряжения при эксплуатации в условиях больших отрицательных температур

Область техники
Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с низкими пульсациями выходного напряжения относится к преобразовательной технике и может быть использован в качестве источника питания светодиодных светильников от выпрямителя переменного тока, при эксплуатации в условиях больших отрицательных температур окружающей среды.
Известный уровень техники
Основным источником электрической энергии для осветительных устройств является сеть переменного тока. Питание светодиодных светильников в большинстве случаев осуществляется преобразователем, содержащим диодный выпрямитель. Основной характеристикой потребления тока таким преобразователем является коэффициент формы потребляемого тока. Действующие нормативные документы предъявляют к устройствам управления светодиодными светильниками жесткие требования в части коэффициента формы потребляемого тока (коэффициента мощности).
Для удовлетворения требованиям нормативных документов применяется способ управления преобразователем, обеспечивающий удовлетворительный коэффициент формы потребляемого тока. Такой преобразователь называют преобразователем с коррекцией коэффициента мощности или часто просто корректором коэффициента мощности. Негативным следствием применения такого способа будут увеличенные пульсации выходного напряжения с частотой пульсаций сетевого выпрямителя, вызывающие пульсации тока светодиодной нагрузки и пульсации светового потока.
Уровень пульсаций светового потока регламентирован нормативными документами, с тенденцией к ужесточению в будущем, для обеспечения низких пульсаций света, менее 5%, необходимо применить специальные меры.
Пульсации на выходе преобразователя с коррекцией коэффициента мощности в основном определяются величиной выходного конденсатора, так как частота среза петли обратной связи не превышает (10-15) Гц, то корректор не отрабатывает более высокие частоты, а наибольшая частота пульсаций на выходе - 100 Гц (двойная частота выпрямленного напряжения сети). Так как частота 100 Гц достаточно низкая, то требуется достаточно большая величина выходной емкости.
Пульсации выходного напряжения вызывают пульсации тока в нагрузке. Если нагрузкой являются светодиоды, то следствием пульсаций тока будут пульсации светового потока светодиодного светильника с частотой пульсаций сетевого выпрямителя. Пульсации светового потока и освещенности низкой частоты (ниже 400 Гц) повышают утомляемость и вредны для зрения человека.
Существует решение, когда первым каскадом является корректор коэффициента мощности, а вторым является либо обратноходовой, либо LLC типа стабилизатор выходного тока. Второй каскад имеет частоту среза петли обратной связи до нескольких килогерц и отрабатывает пульсации частотой 100 Гц, на выходе корректора.
Недостатком данного решения является увеличенная сложность, высокая стоимость (имеем два каскада преобразования вместо одного) и большие массогабаритные показатели.
Подобное решение применено в тестовой плате РМР8911 «High Eff 2Stage Univ Input Power Supply-Transition Mode PFC LLC Resonant Conv Reference Design», разработки фирмы «Texas Instruments» (США) (http://www.ti.com/lit/df/slura79/slura79.pdf, 25.06.2018)
Известен импульсный оптоизолированный стабилизированный источник постоянного тока для светодиодного светильника с малыми пульсациями выходного тока. (Патент RU 137169 U1, МПК Н05В 37/00, опубликован 27.01.2014), в котором малые пульсации выходного тока обеспечиваются источником стабильного тока на полевом транзисторе.
Недостатком подобного решения является то, что при больших отрицательных температурах возрастает внутреннее сопротивление и снижается емкость электролитических конденсаторов, применяемых в стабилизированном источнике питания, что приводит к увеличению пульсаций выходного напряжения стабилизированного источника питания выше пределов компенсируемых источником стабильного тока и, как следствие, к увеличению пульсаций тока светодиодной нагрузки.
Известен уличный морозоустойчивый светильник, (патент RU 2465687 С1, МПК H01L 33/00, опубликован 27.10.12), в котором нормальный режим эксплуатации электролитических конденсаторов при низких температурах обеспечивается подогревателем, управляемым термочувствительным элементом.
Недостатком подобного решения является то, что при низких температурах происходит значительная задержка включения светодиодов, до момента подогрева блока питания светодиодов.
Известен также квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении. (патент RU 139333 U1, Н02М 3/338, опубликован 10.04.2014).
Недостатком подобного решения является то, что при использовании преобразователя в качестве корректора коэффициента мощности и больших отрицательных температурах увеличиваются пульсаций выходного напряжения преобразователя.
Решение по RU 139333 является ближайшим аналогом и принято в качестве прототипа.
Технический результат заявленного решения заключается в быстром включении преобразователя в рабочем режиме, при больших отрицательных температурах окружающей среды, снижении выходных пульсаций напряжения/тока, повышении эксплуатационных параметров, а также минимизации габаритов.
Результат достигается автоматической регулировкой напряжения компенсации пульсаций на транзисторе стабилизатора тока, автоматического нагрева и поддержания температуры выходного электролитического конденсатора в оптимальных рабочих пределах в соответствии с окружающей температурой, за счет использовании повышенной мощности выделяющейся на транзисторе.
Подробное описание решения
Заявленное решение характеризуется следующей совокупностью признаков:
Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении, содержащий подключенные к первому и второму входным выводам преобразователя первичную обмотку трансформатора, первый токовый датчик и силовой ключ, управляющий вход которого подключен к выходу контроллера, один вход которого соединен со вторым входным выводом преобразователя, а вход определения нулевого напряжения соединен с первым выводом обмотки управления, при этом вторичная обмотка трансформатора через выпрямительный диод подключена к выходному конденсатору, подключенному к выходным выводам преобразователя, а второй вывод обмотки управления трансформатора соединен с входом преобразователя через параллельно включенные первый резистор и конденсатор и точкой соединения силового ключа и первого датчика тока через последовательно соединенные диод и второй резистор,
отличающийся тем, что дополнительно введены транзистор, второй токовый датчик, термочувствительный элемент, схема управления стабилизатором тока, при этом, к общей точке выходного конденсатора и вторичной обмотки трансформатора присоединен первый вывод резистора второго токового датчика, второй вывод которого соединен с истоком транзистора, сток которого является отрицательным выходом преобразователя, соединенным с третьим входом схемы управления стабилизатором тока, затвор транзистора соединен с первым выходом схемы управления стабилизатором тока, первые два входа которой соединены с термочувствительным элементом, четвертый вход соединен с общей точкой резистора второго токового датчика и истока транзистора, а второй выход соединен с дополнительным входом контроллера, при этом, конденсатор, транзистор и термочувствительный элемент находятся в тепловом контакте между собой или установлены с возможностью теплообмена.
Краткое описание чертежей
Решение иллюстрируется следующими графическими материалами:
на фиг. 1 показана электрическая схема устройства;
на фиг. 2 представлены эпюры напряжения на выходном конденсаторе (верхняя кривая) и на стоке транзистора стабилизатора тока (нижняя кривая);
на фиг. 3 представлены эпюры напряжения на выходном конденсаторе (верхняя кривая) и на стоке транзистора стабилизатора тока (нижняя кривая) при низкой отрицательной температуре при отсутствии термозависимого элемента;
на фиг. 4 представлены эпюры напряжения на выходном конденсаторе (верхняя кривая) и на стоке транзистора стабилизатора тока (нижняя кривая) при низкой отрицательной температуре с термозависимой обратной связью;
на фиг. 5 - графики коэффициента пульсаций тока, измеренного сразу после включения при различной температуре окружающей среды;
на фиг. 6 - графики коэффициента пульсаций тока, измеренного после прогрева устройств, при различной температуре окружающей среды.
На фиг. 1 позициями обозначены следующие элементы:
1
2
1 и 1 - входные вывода преобразователя,
1
2 - первичная обмотка транформатора,
2
2 - первая обмотка управления трансформатора,
3
2 - вторая обмотка управления транформатора,
3 - силовой ключ,
4 - токовый датчик,
5 - контроллер,
6 - выпрямительный диод,
7 - выходной конденсатор,
1
2
8 и 8 - выходные выводы преобразователя,
9 - первый резистор,
10 - электролитический конденсатор,
11 - диод,
12 - второй резистор,
13 - регулирующий транзистор,
14 - токовый датчик,
15 - термочувствительный элемент,
16 - схема управления стабилизатором тока.
Пояснения к эпюрам, представленным на фиг. 2, 3 и 4:
Uпульс - размах пульсаций на выходном конденсаторе;
Uc - напряжение на выходном конденсаторе;
Uc сред - среднее напряжение на выходном конденсаторе;
- напряжение на стоке стабилизатора тока;
- среднее напряжение на транзисторе стабилизатора тока;
- максимальное напряжение на транзисторе стабилизатора тока;
- размах пульсаций на транзисторе стабилизатора тока;
- размах пульсаций на выходном конденсаторе при низкой отрицательной температуре;
- размах пульсаций на транзисторе стабилизатора тока при низкой отрицательной температуре.
Принцип работы устройства
1
2
1
3
1
2
2
2
3
1
2
2
2
Квазирезонансный преобразователь (фиг. 1) содержит подключенные к первому 1 и второму 1 входным выводам преобразователя первичную обмотку 2 трансформатора 2, токовый датчик 4 и силовой ключ 3, управляющий вход которого подключен к выходу 5 контроллера 5, один вход 5 которого соединен со вторым входным выводом 1 преобразователя, а вход определения нулевого напряжения 5 соединен с первым выводом обмотки управления 2, при этом вторичная обмотка 2 трансформатора 2, через выпрямительный диод 6, подключена к выходному конденсатору 7, подключенному к выходным выводам 8 и 8 преобразователя, при этом второй вывод обмотки управления 2 трансформатора 2 соединен со вторым входным выводом 1 преобразователя через параллельно включенные первый резистор 9 и конденсатор 10 и через соединенные последовательно диод 11 и второй резистор 12.
Для обеспечения необходимых параметров светодиодного светильника при отрицательных температурах, в состав преобразователя дополнительно введен оригинальный стабилизатор тока, включающий в себя регулирующий транзистор 13, токовый датчик 14, термочувствительный элемент 15 и схему управления стабилизатором тока 16. При этом электролитический конденсатор 7, регулирующий транзистор 13 и термочувствительный элемент 15 расположены так, что бы обеспечить хороший тепловой контакт и хорошую теплопередачу между собой.
пульс
Для уменьшения пульсаций тока последовательно с выходом квазирезонансного преобразователя включен стабилизатор тока. Стабилизатор тока обеспечивает постоянный ток нагрузки практически без пульсаций, при этом на регулирующем элементе стабилизатора тока - транзисторе 13 возникают пульсации напряжения , совпадающие по частоте и фазе с пульсациями напряжения на выходном конденсаторе 7 преобразователя U (фиг. 2) и компенсирующие их.
пульс
Полное подавление пульсаций возможно, если максимальное напряжение  на регулирующем элементе стабилизатора тока - транзисторе 13, превышает или равно размаху пульсаций напряжения U на выходном конденсаторе 7. В случае равенства потери на транзисторе будут минимальны.
6
4
Максимальное напряжение  на транзисторе стабилизатора тока стабилизируется преобразователем по сигналу обратной связи 16-5 от схемы управления стабилизатором тока 16 к контроллеру 5.
пульс норм
В качестве выходных конденсаторов в большинстве преобразователей применяют электролитические конденсаторы, имеющие значительно лучшее отношение емкости к объему и массе, а также более низкую стоимость, чем другие типы конденсаторов. Однако характеристики электролитических конденсаторов зависят от температуры. При отрицательных температурах снижается емкость и возрастает внутреннее сопротивление, если температура опускается ниже критической (около -25°C), то внутренне сопротивление может вырасти в 8-10 раз, соответственно пульсации напряжения на выходном конденсаторе 7 преобразователя  (фиг. 3) вырастут в 8-10 раз по сравнению с нормальным уровнем U.
пульс
При превышении размаха пульсаций , уровня  стабилизатор тока перестает корректно работать и компенсирует только часть пульсации напряжения выходного конденсатора (заштрихованная часть U рис. 3) в результате пульсации напряжения на выходе преобразователя и пульсации тока нагрузки резко возрастают.
Привести в норму пульсации тока нагрузки при отрицательных температурах возможно двумя способами: подогревом конденсатора до нормализации его параметров, либо увеличением максимального напряжения  на регулирующем элементе стабилизатора тока - транзисторе.
Для реализации одновременно обоих способов устранения пульсаций в состав квазирезонансного преобразователя (фиг. 1) дополнительно введен стабилизатор тока, включающий в себя: транзистор 13, токовый датчик 14, термочувствительный элемент 15, схему управления стабилизатором тока 16.
пульс
1
2
6
4
3
Схема управления стабилизатором тока 16 выдает управляющий сигнал 165 на затвор транзистора 13, обеспечивая заданный уровень стабилизированного тока, и заданный уровень пульсаций тока нагрузки, за счет полной или частичной компенсации пульсаций напряжения на выходном конденсаторе U (фиг. 3). Транзистор 13 служит для стабилизации тока нагрузки. Напряжение с резистора токового датчика 14 пропорциональное току, протекающему через транзистор 13, поступает на вход 164 схемы управления стабилизатором тока 16. Термочувствительный элемент подключен ко входам 16, 16 схемы управления стабилизатором тока, по уровню напряжения с термочувствительного элемента, соответствующего температуре, схема управления 16, подавая сигнал со своего выхода 16 на вход 5 контроллера 5, регулирует работу корректора коэффициента мощности для поддержания уровня напряжения сток-исток транзистора 13 необходимого для компенсации пульсаций. Напряжение сток-исток транзистора 13 поступает на вход 16 схемы управления стабилизатором тока.
пульс
Компенсация пульсаций напряжения возможна, если размах пульсаций выходного напряжения U на конденсаторе 7 не превышает падения напряжения сток-исток транзистора 13 ( фиг. 3).
При нормальной температуре задачей схемы управления является стабилизация тока и поддержание максимального КПД преобразователя, за счет минимальной мощности потерь.
Мощность потерь на полевом транзисторе
, где
- действующее напряжение сток-исток на полевом транзисторе
- ток стабилизатора.
При нормальной рабочей температуре схема управления 16 стабилизатором тока поддерживает минимально необходимый уровень напряжения сток-исток транзистора 13 ( фиг. 2), что обеспечивает минимальные потери на транзисторе 13 и максимальный КПД преобразователя.
6
При понижении температуры электролитического конденсатора 7 размах пульсация на нем возрастает  (фиг. 4). С другой стороны напряжение с термочувствительного элемента при понижении температуры воздействует на сигнал управления 16 таким образом, чтобы увеличить напряжение на транзисторе стабилизатора тока  (фиг. 4). Увеличенное напряжение на транзисторе стабилизатора тока обеспечивает компенсацию возросших пульсаций на выходном конденсаторе.
За счет увеличения  возрастают потери на полевом транзисторе, и снижается КПД преобразователя. Тепло, выделяемое на транзисторе 13, используется для подогрева выходного конденсатора 7 до температуры нормализации его параметров, для чего конденсатор 7 транзистор 13 размещены с возможностью хорошего теплообмена между собой и с термочувствительным элементом. Через некоторое время, необходимое для прогрева выходного конденсатора, его параметры приходят в норму и пульсации напряжения на нем снижаются. Термочувствительный элемент 15 сигнализирует о повышении температуры, и схема управления 16, управляя контроллером 5, контролируя ток и падение напряжения сток-исток транзистора 13, снижает это напряжения до уровня соответствующего температуре. При дальнейшем росте температуры падение напряжения сток-исток транзистора снижается до минимального уровня, что обеспечивает минимальные потери на полевом транзисторе и максимальный КПД преобразователя.
Таким образом, осуществляется автоматическое регулирование и минимизация пульсаций на выходе корректора коэффициента мощности во всем рабочем диапазоне температур.
На основе предлагаемого решения был изготовлен блок питания светодиодного светильника PSL95C-0,7-140/80-1 и проведены его испытания. Для сравнения испытывался вариант блока питания PSL95C-0,7-140/80-1 без термочувствительного элемента с фиксированным минимальным напряжением на транзисторе стабилизатора тока, характеристики такого варианта блока примерно соответствует характеристикам устройства, описанного в патенте RU 137169. При испытаниях сравнивались пульсации тока светодиодной нагрузки при различной температуре окружающей среды. Графики коэффициента пульсаций выходного тока блоков в зависимости от температуры окружающей среды приведены на фиг. 5 и фиг. 6.
Линия 17 - Коэффициент пульсаций выходного тока преобразователя со стабилизатором тока без термочувствительного элемента, с минимальным падением напряжения на транзисторе стабилизатора тока, аналога устройства описанного в Патенте RU 137169, сразу после включения, при различной температуре окружающей среды.
Линия 18 - Коэффициент пульсаций выходного тока преобразователя в соответствии с заявляемым решением, сразу после включения при различной температуре окружающей среды.
Испытания показали в 2,5 раза меньшие пульсации выходного тока, измеренные сразу после включения, при температуре ниже минус 50°C, у источника питания PSL95C-0,7-140/80-1, изготовленного в соответствии с заявляемым решением, по сравнению с устройством, аналогичным описанном в Патенте RU 137169.
Графики коэффициента пульсаций выходного тока блоков после прогрева и в установившемся температурном режиме при различной температуре окружающей среды приведены на фиг. 6.
Линия 19 - Коэффициент пульсаций выходного тока преобразователя со стабилизатором тока без термочувствительного элемента, с минимальным падением напряжения на транзисторе стабилизатора тока, аналога устройства описанного в патенте RU 137169, через 20 минут после включения в установившемся температурном режиме, при различной температуре окружающей среды.
Линия 20 - Коэффициент пульсаций выходного тока преобразователя в соответствии с заявляемым решением, через 5 минут после включения, при различной температуре окружающей среды.
Линия 21 - Коэффициент пульсаций выходного тока преобразователя в соответствии с заявляемым решением, через 20 минут после включения, после включения, в установившемся температурном режиме, при различной температуре окружающей среды.
Испытания показали более чем в 2 раза меньшие пульсации выходного тока, в установившемся температурном режиме, при температуре ниже минус 25°C, у источника питания PSL95C-0,7-140/80-l, изготовленного в соответствии с заявляемым решением, по сравнению с устройством, аналогичным описанному в патенте RU 137169. При этом пульсации выходного тока, источника питания PSL95C-0,7-140/80-1, измеренные через 5 минут после подачи питания, близки к пульсациям в установившемся температурном режиме, после полного прогрева изделия. Таким образом, минимальный уровень пульсаций достигается в 4 раза быстрее, чем в аналоге, описанном в патенте RU 137169.
По сравнению с аналогом патент RU 2465687 преимущество еще более значительно т.к. светильник патент RU 2465687 включается с задержкой после подачи питания, необходимой для прогрева, что составляет несколько минут, a PSL95C-0,7-140/80-1, изготовленный в соответствии с заявляемым решением, включается сразу после подачи питания с приемлемыми параметрами.
Промышленная применимость
Приведенные в описании конструктивные особенности квазирезонансного преобразователя не являются исчерпывающими. Могут быть использованы эквивалентные признаки, позволяющие обеспечить достижение указанного технического результата. Преобразователь может быть изготовлен известными способами на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании.