ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использована для преобразования энергии переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе для однополярных или двухполярных источников питания маломощных схем, например в электронных счетчиках электрической энергии.
Известен бестрансформаторный выпрямитель переменного напряжения в постоянное, содержащий ключ, управляемый токочувствительным элементом, два конденсатора, три диода и элемент сопротивления. Первый вывод элемента сопротивления является первым входным выводом преобразователя, а второй вывод соединен с анодом первого диода. Выводы эмиттера и коллектора первого транзистора (ключа) соединены к первым выводам первого и второго конденсаторов, свободные выводы которых соединены соответственно с анодами второго и третьего диодов. Катод первого диода соединен с первым входом токочувствительного элемента (второй транзистор и второй резистор), т. е. с эмиттером второго транзистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с базовым входом второго транзистора, а также с выводом эмиттера первого транзистора и первым выводом первого конденсатора. Коллектор второго транзистора соединен с базовым входом первого транзистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с коллектором первого транзистора, соединенным с катодом второго диода и выходом преобразователя. Анод третьего диода соединен с вторым выводом второго конденсатора и образует общий вывод преобразователя (А. св. №1653103, 5 Н 02 М 7/217, опубл. БИ №20,1991 г.).
Данный преобразователь позволяет преобразовать переменное напряжение в постоянное с высоким КПД, однако он предназначен для питания только однополярной нагрузки, что ограничивает его применение в качестве источника питания, например, для электронных счетчиков. Кроме того, схема преобразователя является сложной, т. к. содержит транзисторный ключ, управляемый транзисторным токочувствительным элементом, на одну полярность выходного напряжения.
й
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является 1 вариант преобразователя переменного напряжения в постоянное (далее преобразователь) - содержащий элемент сопротивления 3, первый 5 и второй 12 токочувствительные элементы; первый 7 и второй 14 ключи; первый 6, второй 9, третий 13 и четвертый 16 конденсаторы; первый 4, второй 8, третий 18, четвертый 11 и пятый 15 диоды. Первый вывод элемента
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
222г
1
2
1
2
1
2
й
сопротивления 3 является первым входным выводом 1 преобразователя, а второй вывод соединен с анодом первого диода 4 и катодом четвертого диода 11. Катод первого диода 4 и анод четвертого диода 11 соединены соответственно с первыми токовыми входами первого 5 и второго 12 токочувствительных элементов. Вторые входы каждого из токочувствительных элементов соединены соответственно с первыми выводами первого 7 и второго 14 ключей и соответственно с первым выводом первого конденсатора 6 и первым выводом третьего конденсатора 13. Выходы первого 5 и второго 12 токочувствительных элементов соединены соответственно с управляющими входами первого 7 и второго 14 ключей. Анод второго диода 8 соединен с вторым выводом первого конденсатора 6 и катодом третьего диода 18, а его катод соединен с вторым выводом первого ключа 7 и с первым выводом второго конденсатора 9, а также с первым выходным выводом 10 преобразователя. Второй вывод второго конденсатора 9 соединен с вторым входным 2 и вторым выходным 2 выводами преобразователя, образуя его общий вывод 2. Катод пятого диода 15 подключен к второму выводу третьего конденсатора 13 и аноду третьего диода 18, а анод пятого диода 15 соединен с вторым выводом второго ключа 14 с первым выводом четвертого конденсатора 16 и с третьим выходным выводом 17 преобразователя. Второй вывод четвертого конденсатора 16 соединен с общим выводом 2 преобразователя. Оба токочувствительных элемента 5, 12 содержат транзисторы 19 и 19, резисторы 20 и 20 соответственно, причем эмиттеры транзисторов 19 и 19 и первые выводы резисторов 20 и 20 соединены и образуют первые входы токочувствительных элементов 5, 12. Вторые входы каждого из токочувствительных элементов 5, 12 образуют базы каждого из транзисторов 19 и 19, соединенные с вторыми выводами каждого из резисторов 20 и 20 соответственно. Управляющим выходом каждого из токочувствительных элементов 5, 12 служит коллектор каждого из транзисторов 19 и 19 соответственно. Оба ключа 7 и 14 также содержат транзисторы 21 и 21 и резисторы 22 и 22, причем эмиттеры каждого из транзисторов 21 и 21 служат первыми выводами каждого из ключей 7 и 14 соответственно. Объединенные соответственно первые выводы резисторов 22 и  и коллекторы транзисторов 21 и 21 образуют вторые выводы ключей 7 и 14. Управляющие входы ключей 7 и 14 образуют соответственно базы транзисторов 21 и 21.соединенные с вторыми выводами резисторов 22 и 22 (патент РФ № 2096901, 6 Н 02 М 7/12, 7/217 - 1 вариант, п.п.1, 2 формулы изобретения, опубликованной в БИ №32,1997 г.).
Преобразователь предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное для питания постоянным током нагрузки с понижением напряжения и потребляет от сети энергию в оба полупериода напряжения сети, что обеспечивает ему высокий коэффициент использования полной мощности, потребляемой от сети. Цепь нагрузки в
1
2
1
2
1
2
1
2
нем имеет общую точку с входной цепью переменного тока, а значит, возможна реализация, как однополярного, так и двухполярного питания нагрузки. Однако такой преобразователь имеет сложную схему и, как следствие, большое количество электронных элементов, что приводит к его низкой надежности и высокой стоимости. В преобразователе имеются два канала преобразования, каждый из которых содержит соответственно токочувствительные элементы 5 и 12, каждый из которых выполнен в виде транзисторов 19 и 19 и резисторов 20 и 20 соответственно. При этом каждый из токочувствительных элементов соединен с соответствующими ключами 7 и 14, каждый из которых выполнен соответственно на транзисторах 21 и 21 и резисторах 22 и 22.
Задачей полезной модели является повышение надежности преобразователя и снижение его стоимости при одновременном его упрощении и сохранении высокого коэффициента использования полной мощности, потребляемой от сети переменного тока, и питании как однополярной, так и двухполярной нагрузки.
Поставленная задача решена следующим образом. Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый диоды; первый, второй, третий и четвертый конденсаторы; первый и второй ключ, и элемент сопротивления, первый вывод которого является первым входным выводом преобразователя, а второй вывод элемента сопротивления соединен с анодом первого диода и катодом второго диода. При этом первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первого ключа, а второй вывод второго конденсатора соединен с катодом четвертого диода и анодом третьего диода, катод которого соединен с первым выводом первого конденсатора и вторым выводом первого ключа и образует первый выходной вывод преобразователя. Второй вывод первого конденсатора соединен с вторым выводом четвертого конденсатора и с вторым входным и вторым выходным выводами преобразователя, образуя общий вывод преобразователя, при этом первый вывод четвертого конденсатора и анод пятого диода связаны с вторым выводом второго ключа и образуют третий выходной вывод преобразователя. Катод пятого диода соединен с анодом четвертого диода и вторым выводом третьего конденсатора, первый вывод которого соединен с первым выводом второго ключа. Преобразователь дополнительно содержит второй и третий элементы сопротивления. Первые выводы второго и третьего элементов сопротивления соединены со вторым выводом первого элемента сопротивления. Вторые выводы второго и третьего элементов сопротивления соединены с управляющими входами первого и второго ключей соответственно, при этом катод первого диода соединен с первым выводом первого ключа, а анод второго диода соединен с первым выводом второго ключа.
Каждый из ключей выполнен в виде транзистора, эмиттер которого служит первым выводом соответствующего ключа, при этом второй вывод каждого из ключей образован коллектором соответствующего транзистора, а управляющие входы первого и второго ключей образованы базами первого и второго транзисторов соответственно.
От прототипа заявляемая полезная модель отличается тем, что преобразователь дополнительно содержит второй и третий элементы сопротивления. Первые выводы второго и третьего элементов сопротивления соединены со вторым выводом первого элемента сопротивления. Вторые выводы второго и третьего элементов сопротивления соединены с управляющими входами первого и второго ключей соответственно, при этом катод первого диода соединен с первым выводом первого ключа, а анод второго диода соединен с первым выводом второго ключа. Каждый из ключей выполнен в виде транзистора, эмиттер которого служит первым выводом соответствующего ключа, при этом второй вывод каждого из ключей образован коллектором соответствующего транзистора, а управляющие входы первого и второго ключей образованы базами первого и второго транзисторов соответственно.
Совокупность существенных признаков преобразователя, заявляемого в качестве полезной модели, не известна заявителю из уровня техники, что позволяет сделать вывод о ее новизне.
Совокупность отличительных признаков заявляемой полезной модели позволяет повысить надежность и снизить стоимость преобразователя за счет упрощения его схемы и уменьшения количества элементов. При этом становится возможным выполнение ключей в виде транзисторов без дополнительных резисторов, что также уменьшает количество элементов. Введение в оба канала преобразования дополнительных элементов сопротивления, первые выводы которых соединены со вторым выводом первого элемента сопротивления, позволяют отказаться от токочувствительных элементов, обеспечивая при этом коммутацию ключей в нужный полупериод напряжения сети. При этом преобразователь потребляет энергию в оба полупериода напряжения сети, что обеспечивает ему высокий коэффициент использования полной потребляемой мощности. Цепь нагрузки в нем имеет общую точку с входной цепью переменного тока, а значит, возможна реализация, как однополярного, так и двухполярного питания нагрузки.
На чертеже приведена схема заявляемого преобразователя напряжения. Преобразователь входными выводами 1 и 2 подключен к источнику переменного напряжения. Входной вывод 1 через первый элемент сопротивления 3 соединен с первыми выводами элемента сопротивления 4 и элемента сопротивления 5, а также с анодом первого диода 6 и катодом второго диода 7. Второй вывод второго сопротивления 4 соединен с управляющим
входом первого ключа 8, а второй вывод третьего сопротивления 5 соединен с управляющим входом второго ключа 9. Катод первого диода 6 соединен с первым выводом второго конденсатора 10, а анод второго диода 7 соединен с первым выводом третьего конденсатора 11. Второй вывод второго конденсатора 10 соединен с катодом четвертого диода 12 и анодом третьего диода 13, катод которого соединен с первым выводом первого конденсатора 14 и вторым выводом первого ключа 8 и образует первый выходной вывод 15 преобразователя. Катод пятого диода 16 соединен с анодом четвертого диода 12 и вторым выводом третьего конденсатора 11, первый вывод которого соединен с первым выводом второго ключа 9. Анод пятого диода 16 соединен с первым выводом четвертого конденсатора 17, а также с вторым выводом второго ключа 9 и образует третий выходной вывод 18 преобразователя. Второй вывод первого конденсатора 14 соединен с вторым выводом четвертого конденсатора 17 и с вторым входным выводом 2 преобразователя, образуя его общий вывод.
В качестве первого ключа 8 и второго ключа 9 применяются транзисторы, при этом эмиттер первого транзистора первого ключа 8 служит его первым выводом, а его коллектор служит вторым выводом первого ключа 8, управляющим входом которого служит база первого транзистора первого ключа 8. Эмиттер второго транзистора второго ключа 9 служит его первым выводом, а его коллектор служит вторым выводом второго ключа 9, управляющим входом которого служит база второго транзистора второго ключа 9.
Преобразователь работает следующим образом. При положительной полуволне питающего напряжения, указанной без скобок, подаваемого на первый вывод 1 относительно общего вывода 2 через первый резистор 3, включается первый диод 6, при этом второй конденсатор 10 и первый конденсатор 14 заряжаются по цепи: первый резистор 3 - первый диод 6 - второй конденсатор 10 - третий диод 13 - первый конденсатор 14 - вывод 2 (1-3-6-10-13-14-2) с полярностью, указанной на чертеже без скобок. Базоэмитгерный переход транзистора первого ключа 8 закорачивается включенным первым диодом 6, и первый ключ 8 оказывается выключенным. Второй диод 7 в это время выключен, а второй ключ 9 соответственно включен. При обратной полярности напряжения сети, показанной в скобках, включается второй диод 7, при этом третий конденсатор 11 и четвертый конденсатор 17 заряжаются по цепи: вывод 2-четвертый конденсатор 17 - пятый диод 16 - третий конденсатор 11 - второй диод 7 - первый резистор 3-вывод 1 (2-17-16-11-7-3-1), с полярностью, указанной на чертеже в скобках. Базо-эмитгерный переход транзистора второго ключа 9 закорачивается включенным вторым диодом 7, и второй ключ 9 оказывается выключенным. Первый ключ 8 в это время включен и второй конденсатор 10 разряжается по цепи: второй конденсатор 10 - первый ключ 8 - первый конденсатор 14 - четвертый
конденсатор 17 - пятый диод 16 - четвертый диод 12 - второй конденсатор 10 (10-8-14-17-16-12-10), подзаряжая первый конденсатор 14 и четвертый конденсатор 17. На следующем полупериоде, когда напряжение сети опять станет положительным, транзистор первого ключа 8 выключается, а транзистор второго ключа 9 включается и третий конденсатор 11 разряжается по цепи: третий конденсатор 11 - четвертый диод 12 - третий диод 13 - первый конденсатор 14 - четвертый конденсатор 17 - второй ключ 9 третий конденсатор 11 (11-12-13-14-17-9-11), снова подзаряжая первый конденсатор 14 и четвертый конденсатор 17 в той же полярности. Таким образом, первый конденсатор 14 и четвертый конденсатор 17, являясь выходными (сглаживающими), подзаряжаются в оба полупериода напряжения сети, что обеспечивает высокий коэфиициент использования полной мощности.
Полезная модель промышленно применима и может быть реализована на известной элементной базе. Питающее переменное напряжение в схеме преобразователя ограничивается первым элементом сопротивления 3, который может иметь активный, реактивный или комплексный характер. Указанный элемент может и не использоваться, если не надо ограничивать величину напряжения на первом 10 и третьем 11 конденсаторах. Транзистор первого ключа 8 выполнен р-n-р типа, а транзистор второго ключа 9 выполнен n-р-n типа. Преобразователь допускает подключение однополярной нагрузки между первым выходным выводом 15 и третьим выходным выводом 18. а также возможно подключение двухполярной нагрузки между первым выходным выводом 15, общим выводом 2 и третьим выходным выводом 18.