БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
TRANSFORMERLESS VOLTAGE CONVERTER

Область техники
Бестрансформаторный преобразователь напряжения относится к области электротехники и предназначен для использования во вторичных источниках электропитания приборов и устройств измерительной техники, в частности, для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети.
Предшествующий уровень техники
Известны источники питания (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах. Т.1. Пер с англ. - 4-е изд. перераб и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с, ил., рис.1.80), содержащие силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа, в котором регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Наличие компенсационного стабилизатора напряжения позволяет получить стабильное напряжение питания, а наличие трансформатора позволяет получить низкую активную мощность потребления и при необходимости соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако именно наличие трансформатора является основным недостатком таких источников, увеличивающим их габариты и стоимость.
Известен также бестрансформаторный преобразователь на МОП транзисторе (Шрайбер Г. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи: Пер. с франц. - М.: ДМК, 2000. - 224 с: ил. (В помощь радиолюбителю), рис.246), содержащий двухполупериодный мостовой выпрямитель, гасящий резистор, фильтр, параметрический стабилизатор на стабилитроне, источник опорного напряжения, сдвоенный операционный усилитель, регулирующий элемент и делитель напряжения сети. Принцип работы бестрансформаторного преобразователя на МОП транзисторе состоит в том, что в начале каждой полуволны выпрямленное напряжение через открытый регулирующий элемент заряжает емкостной фильтр, подключенный к нагрузке. При достижении на резисторе в делителе напряжения значения опорного напряжения операционный усилитель закрывает регулирующий элемент, и заряд емкостного фильтра прекращается. Основным недостатком такого источника питания является наличие пульсаций на выходе, ухудшающих работу большинства устройств измерительной техники, и отсутствие фиксированного потенциала одной из выходных точек относительно напряжения сети.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является бестрансформаторный источник электропитания (Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2077111, МПК6 Н02М 7/155, G05F 1/585, приоритет 01.06.1993. Опубликовано 10.04.1997, Бюл. №10), в котором узел гашения избыточного напряжения состоит из двух секций с равными сопротивлениями по переменному току, причем каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, общая точка соединения которых подключена к соответствующему выводу для подключения источника питания, а свободные выводы конденсаторов и резисторов первой и второй секции узла гашения избыточного напряжения соединены с входами соответственно первого и второго мостовых выпрямителей, при этом выходы первого и второго мостовых выпрямителей соединены согласно и параллельно и подключены через фильтр к стабилизатору напряжения. Стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, в котором первая ступень стабилизатора выполнена на стабилитроне, а вторая ступень стабилизатора содержит задающий элемент на стабилитроне, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, питаемый от первой ступени. Инвертирующий вход операционного усилителя через первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через второй резистор соединен с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход усилителя через третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания, выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки. В бестрансформаторном источнике электропитания с двухступенчатым стабилизатором обеспечивается высокая стабильность напряжения питания и фиксация потенциала одной из выходных клемм относительно точки «искусственный нуль» с потенциалом половины питающего напряжения сети, а основным недостатком такого источника электропитания является большая активная мощность потребления.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание бестрансформаторного преобразователя напряжения с двухполупериодным выпрямителем и фиксацией потенциала одной из выходных точек относительно напряжения сети, в котором снижено значение потребляемой активной мощности и повышена стабильность выходного напряжения.
Поставленная задача решается в бестрансформаторном преобразователе напряжения, содержащем две секции узла гашения избыточного напряжения с равными сопротивлениями по переменному току, два двухполупериодных выпрямителя, фильтр, два регулирующих элемента, два операционных усилителя и стабилизатор напряжения, причем каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных общей точкой к соответствующему выводу для подключения источника питания, свободные выводы конденсаторов обеих секций и резисторов обеих секций узла гашения избыточного напряжения соединены соответственно с входами первого и второго мостовых выпрямителей; выход первого выпрямителя соединен через фильтр параллельно и согласно со входом стабилизатора напряжения, выход второго выпрямителя соединен через последовательно и согласно включенные в первом и во втором проводах соответственно введенные первый и второй регулирующие элементы со входом стабилизатора напряжения, причем первый регулирующий элемент выполнен на n-канальном МОП транзисторе обедненного типа или n-канальном полевом транзисторе, второй регулирующий элемент выполнен на р-канальном полевом транзисторе; стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, в котором первая ступень содержит первый и второй узлы, включенные согласно и параллельно, первый узел выполнен в виде последовательного соединения первого стабилитрона и введенного первого резистора, введенный второй узел выполнен в виде последовательного соединения второго стабилитрона и второго резистора, причем общая точка соединения катода первого стабилитрона в первом узле и второго резистора во втором узле подключена к первому проводу на выходе первого мостового выпрямителя, соединенному также с истоком первого n-канального МОП транзистора обедненного типа, общая точка соединения анода второго стабилитрона во втором узле и первого резистора в первом узле подключена ко второму проводу на выходе первого мостового выпрямителя, соединенному также с истоком второго р-канального полевого транзистора; сток первого n-канального МОП транзистора обедненного типа и сток второго р-канального полевого транзистора подключены соответственно к первому и второму проводам на выходе второго выпрямителя; первым n-канальным МОП транзистором обедненного типа управляет введенный первый операционный усилитель, выводы питания которого подключены к выводам первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход первого усилителя через введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам первого стабилитрона, неинвертирующий вход первого усилителя через резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания, выход первого усилителя подключен к управляющему затвору первого n-канального МОП транзистора обедненного типа; вторым р-канальным полевым транзистором управляет введенный второй операционный усилитель, выводы питания которого подключены к выводам второго стабилитрона во втором узле первой ступени стабилизатора, инвертирующий вход второго усилителя подключен к выходу введенного источника опорного напряжения, неинвертирующий вход второго усилителя подключен к общей точке соединения анода первого стабилитрона и первого резистора в первом узле первой ступени стабилизатора, выход второго усилителя подключен к управляющему затвору второго р-канального полевого транзистора; вторая ступень стабилизатора выполнена по схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из задающего элемента на стабилитроне, узла стабилизации тока задающего элемента и операционного усилителя, питаемого с выхода первой ступени стабилизатора, а именно, питаемого от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, неинвертирующий вход усилителя во второй ступени стабилизатора соединен с неинвертирующим входом введенного первого усилителя, подключенного также через резисторы с равными сопротивлениями к выводам для подключения источника питания, инвертирующий вход усилителя во второй ступени стабилизатора подключен через резисторы к выводам для подключения первой и второй нагрузок, вывод для подключения второй нагрузки соединен также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, выход усилителя во второй ступени стабилизатора подключен к выводу для подключения первой нагрузки.
Именно за счет выполнения узла гашения избыточного напряжения в виде двух одинаковых секций с равными сопротивлениями по переменному току, выполненных в виде последовательного соединения конденсатора и резистора, включенных соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входами первого и второго мостовых выпрямителей, введения в обоих проводах на выходе второго мостового выпрямителя последовательно со входом стабилизатора напряжения первого и второго регулирующих элементов, которыми управляют соответственно введенные первый и второй операционные усилители, выполнения стабилизатора напряжения двухступенчатым, первая ступень которого состоит из включенных согласно и параллельно первого и второго узлов, содержащих соответственно первый и второй стабилитроны, от которых питаются соответственно первый и второй операционные усилители, введения соответствующих резисторов и источника опорного напряжения, а также выполнения второй ступени стабилизатора с узлом стабилизации тока задающего элемента на стабилитроне и операционным усилителем, питаемым от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, с вышеуказанным соединением элементов между собой и с другими элементами схемы осуществляется двухполупериодное выпрямление, предварительная симметрия выходного напряжения в первой ступени стабилизатора и фиксация потенциала одной из выходных клемм заявляемого устройства во второй ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети, уменьшается активная мощность потребления, повышается стабильность выходного напряжения.
Действительно, введение первого и второго регулирующих элементов, выполняющих функцию управляемых балластных сопротивлений, уменьшает ток в цепях с гасящими резисторами, что приводит к снижению активной мощности потребления.
Разбиение узла гашения избыточного напряжения на две секции и синхронное изменение сопротивления первого регулирующего элемента, управляемого первым операционным усилителем, относительно изменения сопротивления второго регулирующего элемента обеспечивает предварительную симметрию выходного напряжения первой ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети, а применение операционного усилителя во второй ступени стабилизатора, питаемого от первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора, позволяет отследить потенциал одной из выходных клемм устройства относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети.
Введение первого резистора в первом узле первой ступени стабилизатора, а также источника опорного напряжения и второго операционного усилителя, который управляет вторым регулирующим элементом, позволяет поддерживать в первом узле первой ступени стабилизатора входной постоянный ток, равный отношению эталонного опорного напряжения к сопротивлению первого резистора, и снизить пульсации напряжения на выходе первой ступени стабилизатора, а именно, снизить пульсации напряжения на первом стабилитроне в первом узле первой ступени стабилизатора, от которого питается операционный усилитель во второй ступени стабилизатора.
Выполнение второй ступени стабилизатора с узлом стабилизации тока задающего элемента позволяет исключить пульсации выходного напряжения, вызванные некоторым смещением выходного напряжения первого стабилитрона в первом узле первой ступени стабилизатора относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения сети.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство содержит две одинаковые секции 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, два мостовых выпрямителя 3 и 4, фильтр 5, стабилизатор напряжения 6, введены два регулирующих элемента, причем первый регулирующий элемент выполнен на n-канальном МОП транзисторе 7 обедненного типа (или n-канальном полевом транзисторе), второй регулирующий элемент выполнен на р-канальном полевом транзисторе 8, введены первый операционный усилитель 9 и второй операционный усилитель 10.
Секции 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, состоящие из конденсатора 11 и резистора 12, подключены с одной стороны к клеммам 13 и 14 для подключения сети, а с другой стороны подключены к входам мостовых выпрямителей 3 и 4, причем конденсаторы 11 подключены к входу первого мостового выпрямителя 3, а резисторы 12 подключены к входу второго мостового выпрямителя 4.
Выход первого мостового выпрямителя 3 через фильтр 5 включен согласно и параллельно с входом стабилизатора напряжения 6.
Стабилизатор напряжения 6 выполнен двухступенчатым. Первая ступень стабилизатора напряжения 6 содержит первый узел 15 и второй узел 16, которые включены согласно и параллельно. Первый узел 15 выполнен в виде последовательного соединения стабилитрона 17 и введенного первого резистора 18. Введенный второй узел 16 выполнен в виде последовательного соединения стабилитрона 19 и резистора 20.
В первом и во втором проводах на выходе второго мостового выпрямителя 4 включены согласно и последовательно со входом стабилизатора напряжения 6 соответственно транзисторы 7 и 8. Сток транзистора 7 подключен к первому проводу на выходе второго выпрямителя 4. Исток транзистора 7 подключен к общей точке соединения катода стабилитрона 17 в первом узле 15 и резистора 20 во втором узле 16 первой ступени стабилизатора 6, а также к первому проводу на выходе первого выпрямителя 3.
Сток транзистора 8 подключен ко второму проводу на выходе второго выпрямителя 4. Исток транзистора 8 подключен к общей точке соединения резистора 18 в первом узле 15 и анода стабилитрона 19 во втором узле 16 первой ступени стабилизатора 6, а также ко второму проводу на выходе первого выпрямителя 3.
Выводы питания операционного усилителя 9 подключены к стабилитрону 17, неинвертирующий вход усилителя 9 через резисторы 21 и 22 с равными сопротивлениями подключен к клеммам 13 и 14 для подключения сети, инвертирующий вход усилителя 9 через введенные резисторы 23 и 24 с равными сопротивлениями подключен к выводам стабилитрона 17 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, а выход усилителя 9 подключен к управляющему затвору транзистора 7.
Выводы питания операционного усилителя 10 подключены к стабилитрону 19, инвертирующий вход усилителя 10 подключен к выходу источника опорного напряжения 25, выполненного на стабилитроне 26 и ограничительном резисторе 27, неинвертирующий вход усилителя 10 подключен к общей точке соединения анода стабилитрона 17 и резистора 18 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, выход усилителя 10 подключен к управляющему затвору транзистора 8.
Вторая ступень стабилизатора напряжения 6 выполнена по известной схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из задающего элемента на стабилитроне 28, узла 29 стабилизации тока задающего элемента, выполненного на транзисторе 30, резисторах 31, 32, 33 и диоде 34, эмиттерного повторителя на транзисторе 35.
Во второй ступени стабилизатора 6 содержится также операционный усилитель 36, питаемый от стабилитрона 17 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6. Неинвертирующий вход усилителя 36 через резисторы 21 и 22 с равными сопротивлениями подключен к клеммам 13 и 14 для подключения сети, инвертирующий вход усилителя 36 подключен через резисторы 37 и 38 к выходным клеммам 39 и 40 соответственно, выход операционного усилителя 36 подключен к выходной клемме 39.
Кроме того, для ограничения максимального падения напряжения между стоком и истоком транзистора 7 подключен резистор 41, а между стоком и истоком транзистора 8 подключен резистор 42. Резисторы 41 и 42 выбираются с равными сопротивлениями.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
Входное напряжение сети подается на клеммы 13 и 14 устройства, понижается на конденсаторах 11 и резисторах 12 в обеих секциях 1 узла 2 гашения избыточного напряжения, выпрямляется на первом и втором двухполупериодных выпрямителях 3 и 4, а также понижается на первом и втором транзисторах 7 и 8, которыми управляют соответственно первый и второй операционные усилители 9 и 10, после чего сглаживается фильтром 5, стабилизируется в двухступенчатом стабилизаторе 6 и поступает на выходные клеммы 39 и 40.
Первая ступень стабилизатора 6 содержит параллельно включенные узлы 15 и 16, в которых стабилитроны 17 и 19 выбираются с равными напряжениями стабилизации, а сопротивление резистора 18 выбирается значительно меньше сопротивления резистора 20, поэтому входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 значительно больше, чем во втором узле 16.
Входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 равен сумме выпрямленных токов с выходов первого и второго выпрямителей 3, 4 и сдвинутых по фазе на 90° относительно друг друга. Сдвиг тока по фазе на выходе первого выпрямителя 3 относительно тока на выходе второго выпрямителя 4 образован благодаря сдвигу тока в конденсаторе 11 на 90° относительно тока в резисторе 12. На выходе первого выпрямителя 3 протекает двухполупериодный выпрямленный ток, мгновенное значение которого пропорционально сопротивлению конденсаторов 11, а на выходе второго выпрямителя 4 протекает выпрямленный ток, мгновенное значение которого пропорционально сумме сопротивлений резисторов 12 и изменяющихся сопротивлений транзисторов 7 и 8, играющих роль управляемых балластных сопротивлений.
Изменением сопротивления транзистора 8 управляет операционный усилитель 10, который работает по принципу обратной связи. Напряжение на резисторе 18, пропорциональное входному току в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 10 и сравнивается с эталонным значением опорного напряжения на стабилитроне 26, поступающим на инвертирующий вход операционного усилителя 10. При изменении мгновенного значения напряжения сети с выхода операционного усилителя 10 подается управляющее напряжение на затвор транзистора 8, изменяя его сопротивление так, что падение напряжения на резисторе 18 в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 поддерживается на уровне эталонного напряжения, задаваемого стабилитроном 26. То есть при номинальном действующем значении напряжения сети входной ток в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6, проходящий через резистор 18 и стабилитрон 17 без подключения нагрузки, стремится иметь постоянное значение, равное отношению эталонного напряжения на стабилитроне 26 к сопротивлению резистора 18. Таким образом, поддержание постоянного значения величины входного тока в первом узле 15 первой ступени стабилизатора 6 позволяет снизить пульсации напряжения на стабилитроне 17, от которого питается операционный усилитель 36 во второй ступени стабилизатора 6.
Одновременно с изменением сопротивления транзистора 8 синхронно изменяется сопротивление транзистора 7. Изменением сопротивления транзистора 7 управляет операционный усилитель 9, который работает по принципу обратной связи. Если потенциал общей точки соединения резисторов 21 и 22 в делителе сетевого напряжения пополам рассматривать как потенциал точки «искусственный нуль», то синхронное изменение сопротивления транзистора 7 относительно изменения сопротивления транзистора 8 обеспечивается, когда потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 с равными сопротивлениями в делителе выходного напряжения на стабилитроне 17 первого узла 15 первой ступени стабилизатора 6 равен потенциалу точки «искусственный нуль».
Потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 9 и сравнивается с потенциалом точки «искусственный нуль» на неинвертирующем входе операционного усилителя 9, а управляющее напряжение с выхода операционного усилителя 9 поступает на затвор транзистора 7, изменяя его сопротивление так, что потенциал общей точки соединения резисторов 23 и 24 стремится фиксироваться относительно потенциала «искусственного нуля». Таким образом, обеспечивается предварительная симметрия выходного напряжения на стабилитроне 17 в первой ступени стабилизатора 6 относительно точки «искусственный нуль».
Во второй ступени стабилизатора 6 операционный усилитель 36, питаемый от стабилитрона 17, по принципу обратной связи фиксирует потенциал средней точки резисторов 37 и 38 в делителе выходного напряжения относительно точки «искусственный нуль» при смене полярности входного питающего напряжения сети и других дестабилизирующих факторах. Кроме того, для исключения зависимости выходного напряжения стабилизатора 6, связанной с возможным изменением тока в стабилитроне 28 при изменении напряжения между катодами стабилитронов 17 и 28, применяется узел 29 стабилизации тока в стабилитроне 28 на базе схемы токового зеркала с элементами 30, 31, 32, 33, 34, в которой ток коллектора транзистора 30 не зависит от напряжения коллектор-база.
При равных резисторах 37 и 38 выходное напряжение источника на клеммах 39 и 40 оказывается симметричным относительно «искусственного нуля». Если резистор 37 закоротить, то потенциал клеммы 39 будет равен «искусственному нулю».
Для ограничения максимального падения напряжения между стоком и истоком транзистора 7 включен резистор 41, а между стоком и истоком транзистора 8 включен резистор 42. Резисторы 41 и 42 выбираются с равными сопротивлениями.
Так как р-канальные полевые транзисторы 7 имеют низкое напряжение пробоя, то второй регулирующий элемент может быть выполнен также на р-канальном МОП транзисторе.
На фиг.2 показан фрагмент принципиальной электрической схемы с применением в качестве второго регулирующего элемента р-канального МОП транзистора 43, которым управляет операционный усилитель 10. В этом случае вводится интегральный конвертор 44 напряжения, входные выводы которого подключаются параллельно стабилитрону 19, и конденсаторы 45 и 46. Выводы питания операционного усилителя 10 подключаются, соответственно, к катоду стабилитрона 19 и к выводу конвертора 44 с отрицательной полярностью выходного напряжения.
Промышленная применимость.
Испытания макетных образцов предлагаемого устройства подтвердили его полную работоспособность, решение поставленной задачи и возможность промышленной применимости.