Преобразователь напряжения

Полезная модель относится к области электротехники и касается устройств для запитывания нагрузки постоянного тока более низкого напряжения от источника питания выпрямленного переменного тока более высокого напряжения, например, для функционирования электронных приборов домашней автоматики, «уютного дома», счетчиков электроэнергии и др.
Известен преобразователь напряжения [1, Патент JP 5709736, МПК Н05В 37/02. приоритет 17.12.2011 JP 20110276529, опубликован 30.04.2015] для понижения входного выпрямленного напряжения переменного тока, приложенного между входными контактами, для получения более низкого напряжения для нагрузки, включенной между выходными контактами.
Причем первый переключатель, первый конденсатор, диод и второй конденсатор соединены последовательно. Второй диод соединен параллельно с первым диодом и вторым конденсатором. Второй переключатель соединен параллельно с первым конденсатором и первым диодом. Для понижения входного напряжения первый и второй переключатели переключаются попеременно. Когда первый переключатель замкнут, а второй переключатель разомкнут, последовательно соединенные конденсаторы заряжаются, и нагрузка запитывается от напряжения, накапливаемого между первым диодом и вторым конденсатором. Затем второй переключатель замыкается, а первый переключатель размыкается. В это время конденсаторы разряжаются таким образом, что нагрузка запитывается от обоих конденсаторов.
В таком преобразователе напряжения [1] значения емкостей конденсаторов должны быть равны, чтобы получить выходное напряжение, которое равно половине входного напряжения. При увеличении понижающей схемы до определенной величины напряжения последовательно включенных в нее конденсаторов можно добиться деления этой величины.
Тем не менее, этот тип схемы имеет несколько недостатков. Например, если эта схема запитана от сети, то оба переключателя должны быть точно синхронизированы заданным временным соотношением с сигналом напряжения сети. Необходимо как минимум два переключателя для того, чтобы можно было использовать двухполупериодное входное напряжение сети.
Кроме того, так как ток между двумя конденсаторами в момент замыкания переключателя может достигать больших значений, компоненты должны быть рассчитаны на высокую пиковую нагрузку, что обязательно приводит к увеличению их размера и к удорожанию по сравнению с компонентами, которые не должны выдерживать такие пиковые токи. Более того, когда переключатель разомкнут, любые колебания напряжения на входных контактах (например, возникающие в результате бросков напряжения в сети, к которой подключены входные контакты) не ограничены и не фиксированы и приведут к градиенту напряжения на переключателе.
При замкнутом состоянии переключателя броски приведут к протеканию большего тока через переключатель. Вкратце, переключатель подвержен высоким нагрузкам при работе от фактического напряжения сети, подверженного броскам. Более того, возможно только фиксированное деление напряжения 1/N, что приводит к ограничению возможных вариантов применения.
Данные недостатки устранены в принятом за прототип преобразователе напряжений [2, патент RU 2560835, МПК Н05В 33/08, Н02М 3/07, конвенционный приоритет 14.05.2010 CN 201010176180.0, опубликован 20.08.2015].
Он включает в себя входной фильтр, понижающий преобразователь, выходной фильтр и устройство стабилизации выходного напряжения. При этом понижающий преобразователь содержит схему накопления заряда, причем схема накопления заряда содержит первый конденсатор и второй конденсатор, соединенные, по существу, последовательно, при этом второй конденсатор соединен, по существу, параллельно с нагрузкой. Для управления током нагрузки дополнительно введен активный переключатель, реализованный в виде управляемого источника тока для управления током нагрузки через нагрузку таким образом, что в замкнутом состоянии переключателя ток нагрузки подан, по меньшей мере, от первого конденсатора схемы накопления заряда, а во время разомкнутого состояния переключателя ток нагрузки подан, по существу, от второго конденсатора.
Однако недостатком такого преобразователя напряжения [2] является ее сложность из-за наличия сравнительного большого числа компонентов и соответствующего количества линий связи между ними. Кроме того, наличие в схеме преобразователя напряжения активного переключателя увеличивает габариты блока питания, где такой преобразователь применяется.
Поэтому задачей полезной модели является упрощении преобразователя напряжения за счет уменьшения числа компонентов его схемы и соответствующего количества линий связи между ними.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе напряжения (см. иллюстрацию), содержащем последовательно соединенные между собой входной фильтр (16), понижающий преобразователь (17), устройство стабилизации выходного напряжения (18) и выходной фильтр (19), имеется отличительный признак: понижающий преобразователь (17) построен на базе интегральной микросхемы DA2 (12), которая соединена с устройством стабилизации выходного напряжения (18) через конденсатор (3), резистор (8), дроссель (13) и диодный выпрямитель (10).
Построение понижающего преобразователя (17) на базе известной интегральной микросхемы DA2 (12), который, как известно, имеет свой фильтр питания с возможностью пропускания тока по обводному пути в моменты выключения такой схемы, позволит обойтись без громоздкого активного переключателя с большим количеством компонентов, как в прототипе [2], что упростит адаптивную схему.
Упомянутое соединение интегральной микросхемы DA2 (12) с другими элементами преобразователя напряжения является наиболее рациональной схемой его построения с наименьшим количеством элементов. Это, в сравнении со схемой прототипа [2] значительно упрощает схему самого преобразователя напряжения, делая ее адаптивной для различных блоков питания. При этом в них сохраняется высокий КПД стабилизации выходного напряжения.
Дополнительные признаки полезной модели:
- устройство стабилизации выходного напряжения (18) сформировано односторонним стабилитроном (15), другим резистором (9), транзистором (14), другим конденсатором (4) и другим диодным выпрямителем (11).
Сущность полезной модели поясняется одной иллюстрацией, где А-Г - точки схемы; 1-6 - конденсаторы в ней; 7-9 -резисторы; 10, 11 - диодные выпрямители; 12 - интегральная микросхема DA2; 13 - дроссель; 14 - транзистор; 15 - односторонний стабилитрон.
Конденсаторами 1,2 с резистором 7 образован входной фильтр 16, подключенный к точке А.
Интегральная микросхема DA2 12, конденсатор 3, резистор 8, диодный выпрямитель 10 и дроссель 13 образуют понижающий преобразователь 17 с входной точкой Б. При этом конденсатор 3 предназначен для выполнения функции фильтра питания интегральной микросхемы DA2 12 применен, а диодный выпрямитель 10 предназначен для обеспечения возможности пропускания тока по обводному пути в моменты выключения интегральной микросхемы DA2 12.
Устройство стабилизации выходного напряжения 18 в преобразователе напряжения подключено к точке В и сформировано односторонним стабилитроном 15, резистором 9, транзистором 14, конденсатором 4 и диодным выпрямителем 11.
Выходной фильтр 19 подключен к точке Г и сформирован конденсаторами 5 и 6.
Данная схема предназначена для понижения выпрямленного сетевого напряжения 300…400 В до значений от 5 до 48 В, которым может питаться низковольтная электроника приборов домашней автоматики, «умного дома», счетчиков электроэнергии и др.
Понижающий преобразователь работает следующим образом.
Выпрямленное напряжение сети подается на точку А схемы преобразователя и проходит через входной фильтр 16. Далее отфильтрованное напряжение подается к точке Б где понижается через понижающий преобразователь 17 и поступает к точке В на устройство стабилизации выходного напряжения 18, где измеряется и поддерживается на выбранном уровне (например 7 В), периодически шунтируя выход в точке В понижающего преобразователя 17 и подавая выходное напряжение на выходной фильтр 19 к потребителям. В моменты шунтирования интегральная микросхема DA2 12 детектирует режим короткого замыкания и резко снижает выходной ток и потребляемую из сети энергию.
Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения с высоким КПД.
Благодаря такому нестандартному включению через конденсатор 3, диодный выпрямитель 10, дроссель 13, транзистор 14 и односторонний стабилитрон 15 к выходному фильтру 19 интегральной микросхемы DA2 12, которая традиционно применяется для питания светодиодных светильников, упрощается схема самого преобразователя напряжения в сравнении со схемой-прототипом [2]. При этом сохраняется высокий КПД стабилизации выходного напряжения и преобразователь напряжения является адаптивным для применения в различных блоках питания.
Преобразователю напряжения по полезной модели присуща простота, компактность, высокая экономическая эффективность и универсальность при применении для различных потребителей низковольтного оборудования.
Источники информации:
1. Патент JP 5709736, МПК Н05В 37/02. приоритет 17.12.2011 JP 20110276529, опубликован 30.04.2015.
2. Патент RU 2560835, МПК Н05В 33/08, Н02М 3/07, конвенционный приоритет 14.05.2010 CN 201010176180.0, опубликован 20.08.2015 /протопип/.