БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА
TRANSFORMERLESS DC POWER SUPPLY SOURCE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока.
В приборах бытовой техники нашли широкое применение низковольтные источники постоянного тока, подключаемые к сети переменного тока 220 В 50 Гц. Основными элементами таких источников являются понижающие трансформаторы, выпрямительные схемы и фильтры нижних частот [1].
Одним из недостатков известных устройств является применение в них сетевых понижающих трансформаторов.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является упрощение конструкции и существенное уменьшение активной составляющей потребляемой энергии от источника переменного тока по сравнению с энергией постоянного тока, выделяющейся в активной нагрузке.
Указанные цели достигаются в заявляемом бестрансформаторном источнике постоянного тока, содержащем однополупериодные выпрямители и конденсатор фильтра нижних частот, отличающемся тем, что включает две последовательно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных первого и второго диодов и первого и второго накопительных конденсаторов, заряжаемых от сети переменного тока поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения, последовательно включенные накопительные конденсаторы подключены к конденсатору фильтра нижних частот через высокочастотную катушку индуктивности и силовой тиристор, управляющий электрод которого подключен через разделительный трансформатор к выходу компаратора, управляющий импульс которого образуется в момент достижения максимального напряжения в последовательно включенных первом и втором накопительных конденсаторах, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключена активная нагрузка, причем входы компаратора связаны с цепью формирования управляющего его работой сигнала, которая включает две параллельно включенные к концам последовательно соединенных первого и второго накопительных конденсаторов цепи, первая из которых состоит из последовательно соединенных третьего диода, стабилитрона и дополнительного накопительного конденсатора, а вторая - из последовательно соединенных резистора запуска компаратора, четвертого диода и резистора калиброванной утечки заряда дополнительного накопительного конденсатора, подключенного параллельно последнему.
Достижение указанных целей объясняется отсутствием в схеме источника понижающего трансформатора, а также комплексным характером устройства для сетевого источника переменного напряжения, в котором доля реактивной (емкостной) составляющей является доминирующей. Эффективное запирание силового тиристора осуществляется действием э.д.с. самоиндукции в высокочастотной катушке индуктивности при разряде первого и второго накопительных конденсаторов на конденсатор фильтра нижних частот.
Схема устройства представлена на рис.1, а действие его поясняется диаграммами напряжений, представленными на рис.2. Заявляемое устройство включает:
1
1 - первый диод однополупериодного выпрямителя D,
2
2 - второй диод однополупериодного выпрямителя D,
1,
3 - первый накопительный конденсатор C
2
4 - второй накопительный конденсатор С,
3
5 - третий диод первой цепи формирования запускающего компаратор сигнала D,
4
6 - стабилитрон D,
3
7 - дополнительный накопительный конденсатор С,
1
8 - резистор запуска компаратора во второй цепи формирования R,
4
9 - четвертый диод второй цепи формирования запускающего компаратор сигнала D,
2
10 - резистор калиброванной утечки заряда дополнительного накопительного конденсатора R,
1
11 - компаратор, вырабатывающий импульс, управляющий отпиранием силового тиристора A,
12 - источник питания компаратора ИП,
13 - силовой тиристор Т,
14 - разделительный трансформатор Тр развязки цепи управления силовым тиристором Т,
15 - высокочастотная катушка индуктивности (низкоомная) L,
4
16 - конденсатор фильтра нижних частот C,
3
17 - активная нагрузка источника постоянного тока R.
На рис.2а приведен график сетевого переменного напряжения с периодом Т.
1
2
C
C
4
H
На рис.2б дан график напряжения в функции времени, образующегося на концах последовательно соединенных первого и второго накопительных конденсаторов C и С. Амплитуда переменного сетевого напряжения обозначена как U, максимальное напряжение заряда последовательно включенных первого и второго накопительных конденсаторов (в схеме Латура) равно 2U. Максимальное напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот С в момент окончания разряда первого и второго накопительных конденсаторов 3 и 4 через открытый тиристор (Т) 13 обозначено как U.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
C
H
C
3
1
2
Переменное сетевое напряжение, например, с действующим значением 220 В, выпрямляется в схеме удвоения напряжения (в схеме Латура), состоящей их двух однополупериодных выпрямителей на элементах 1-4 (рис.1). При достижении напряжения на концах последовательно соединенных первого и второго накопительных конденсаторов 3 и 4 двойной величины амплитуды 2U (порядка 620 В) автоматически открывается силовой тиристор 13, и заряд с первого и второго накопительных конденсаторов 3 и 4 стекает в конденсатор фильтра нижних частот 16 через открытый тиристор 13 и высокочастотную катушку индуктивности 15, и напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот достигает наибольшей величины U<<2U при выборе C>>C=С. За счет импульса тока указанного разряда в высокочастотной катушке индуктивности 15 образуется э.д.с. самоиндукции, полярность которой закрывает силовой тиристор Т в конце указанного разряда. Указанные процессы повторяются с периодичностью T=20 мс при частоте сетевого напряжения f=50 Гц.
H
C
1
3
C
СТАБ
C
C
СТАБ
1
5
C
СТАБ
1
C
СТАБ
2
Рассмотрим действие управляющего работой компаратора 11 устройства на элементах 5-10. Сам компаратор представляет собой разновидность операционного усилителя со спусковой схемой в виде ждущего одновибратора с оконечным усилителем мощности импульсного сигнала, который подается на разделительный трансформатор 14, устраняющий гальваническую связь между компаратором 11, питаемым от отдельного источника питания ИП 12, и силовым тиристором 13. В установившемся режиме суммарное напряжение на первом и втором накопительных конденсаторах 3 и 4 изменяется периодически (с периодом Т) от U до 2U. При этом за счет включения стабилитрона (D) 6 напряжение на дополнительном накопительном конденсаторе (С) 7 устанавливается на уровне 2U - U, то есть меньше на несколько вольт (3-5 В) двойной амплитуды 2U. До тех пор пока напряжение на конденсаторах 3 и 4 меньше величины 2U - U, ток в резисторе R запуска компаратора отсутствует, так как третий диод (D) 9 является запертым. Когда указанное напряжение становится большим, чем величина 2U - U, третий диод 9 отпирается, и через резистор R 8 запуска компаратора протекает ток. При этом на неинвертирующем входе компаратора 11 возникает положительный сигнал, запускающий компаратор, что приводит к появлению отпирающего силовой тиристор 13 импульса, поступающего с выхода компаратора через разделительный трансформатор 14. Указанным током управления на входе компаратора дополнительно подзаряжается дополнительный накопительный конденсатор 7, что незначительно увеличивает напряжение на нем. Поэтому для снижения величины этого напряжения до уровня 2U - U к моменту следующего разряда накопительных конденсаторов 3 и 4 на конденсатор фильтра нижних частот 16 в схеме формирования использован резистор калиброванной утечки заряда дополнительного накопительного конденсатора R, величина сопротивления которого соответственно подбирается.
C
СТАБ
Следует отметить, что первоначальный запуск схемы в работу при включении ее в сеть переменного тока происходит с некоторой задержкой, обусловленной переходными процессами в источнике питания 12 компаратора 11. При действии этой задержки реализуется режим заряда дополнительного накопительного конденсатора 7 до требуемого напряжения 2U - U. Дополнительный накопительный конденсатор 7 может иметь небольшую емкость (порядка 1 мкФ) с рабочим напряжением порядка 1 кВ.
C
СТАБ
C
2
C
C
1
Поскольку 2U>>>U, можно считать, что момент разряда первого и второго накопительных конденсаторов 3 и 4 на конденсатор фильтра нижних частот 16 осуществляется периодически в момент максимального напряжения ≈2U. Указанный разряд происходит за время, меньшее четверти периода Т/4 колебаний сети (в последней четверти каждого периода), как это видно на графике рис.2б. В другой части этой четверти периода напряжение на втором накопительном конденсаторе (С) 4 снова возрастает, и в первой четверти следующего периода увеличивается на величину амплитуды U, после чего остается постоянным в течение второй четверти периода. Затем это напряжение дорастает в третьей четверти периода до величины, близкой к 2U, строго говоря, не доходя точно до этой величины, поскольку начинается разряд через открытый силовой тиристор 13, при котором это напряжение резко снижается (по экспоненте), и отпирающий компаратор 11 ток в резисторе запуска R прекращается. Разряд инициируется формированием в компараторе 11 импульса, открывающего силовой тиристор 13 на вторичной обмотке разделительного трансформатора 14.
H
Ток разряда ограничивается включением в цепи разряда высокочастотной катушки индуктивности (L) 15. Одновременно в конце разряда в этой катушке возникает э.д.с. самоиндукции, ускоряющей запирание силового тиристора 13. Поскольку ток разряда достигает значительной величины, следует использовать первый и второй накопительные конденсаторы 3 и 4 импульсного типа с малой величиной собственной индуктивности и с рабочим напряжением 500-600 В. Конденсатор фильтра нижних частот 16 может быть выполнен электролитическим на относительно низкое рабочее напряжение, превышающее напряжение в активной нагрузке U не менее чем в 1,5-2 раза.
C
C
1
2
3
H
C
H
3
H
C
H
3
H
H
3
3
3
H
H
3
2
1/2
2
2
2
Обратимся теперь к расчету напряжения на конденсаторе фильтра нижних частот 16, полагая потери в открытом силовом тиристоре и высокочастотной низкоомной катушке индуктивности 15 ничтожными. Максимальное напряжение заряда каждого из накопительных конденсаторов 3 и 4 равно U. При этом энергия заряда двух этих конденсаторов равна W=С U , где С=C=С, и эта энергия при разряде указанных конденсаторов перераспределяется между емкостями С/2 и С так, что имеем U=(2U-U) (С/2С). Нетрудно понять, что передаваемая в активную нагрузку мощность P=C(2U-U) f/4, где f=1/T. Эта же мощность в установившемся режиме должна выделяться в активной нагрузке (R) 17, величину которой можно записать в виде P=U /R, откуда значение активной нагрузки R выбирается равной R=U /P=2Т/С.
3
3
3
3
H MIN
H
H1
C
3
C
C
H1
H
H
C
H1
3
H
H
C
H
3
3
H
1/2
-4
1/2
1/2
112
1/2
2
-4
2
2
Так, при T=20 мс, С=100 мкФ и С=0,1 Ф (электролитический низковольтный конденсатор типа ЭТО или К-52М) имеем R=0,4 Ом. При этом постоянная времени нагрузки τ=R С=0,4*0,1=0,04 с=40 мс равна удвоенному периоду Т. Это означает, что за период перезаряда конденсатора фильтра нижних частот напряжение на нем не снижается ниже уровня U=0,6U при экспоненциальном квазилинейном разряде. Однако это означает, что для полного расхода потребляемой устройством мощности в активной нагрузке 17 ее величина должна быть выбрана несколько ниже вышеуказанной расчетной величины. Для рассмотренного примера величина напряжения, в первом приближении, равна U≈2U(С/2С)=2*1,41*220*(10/2*0,1)=620/2000=13,86 В. Более точно это значение находится заменой напряжения 2U на напряжение 2U-U, и тогда более точное значение напряжения U равно U=(2U-U)(С/2С)≈606/2000=13,55 В. Среднее значение этого напряжения за период T можно принять равным около 10,8 В. Мощность P, рассеиваемая в активной нагрузке 17, равна P=С(2U-U) f/4=10(606)*50/4=459 Вт, и при величине среднего напряжения на конденсаторе фильтра нижних частот, равного 10,8 В, сопротивление активной нагрузки следует снизить до величины R*=10,8/459=0,254 Ом вместо ранее указанного значения R=0,4 Ом. Но при этом уменьшится постоянная времени τ выходной цепи нагрузки, что потребует вновь произвести расчет напряжения U на основе метода последовательного приближения.
P ИМП
Разряд накопительных конденсаторов 3 и 4 является апериодическим, должен закончиться приблизительно за 1/8 периода Т, то есть за 2,5 мс. При этом средняя импульсная мощность разряда составляет 8*459=3,67 кВт при среднем токе разряда, равном I=3670/10,8=340 А, и с учетом этой величины тока должен быть выбран силовой тиристор 13 с рабочим обратным напряжением порядка 1 кВ.
-3
5
5
Если принять величину э.д.с самоиндукции, возникающую в высокочастотной катушке индуктивности 15, равной порядка 100 В, то при крутизне изменения тока разряда в ней порядка 340 А/2,5*10с≈1,36*10 А/с, находим величину индуктивности L этой катушки, равную L=100/1,36*10=735 мкГн. Эта катушка может выполняться на ферритовом сердечнике медным проводником с достаточно большим сечением для снижения сопротивления постоянному току, например, проводом с диаметром 3 мм.
H
H MAX
Особенностью заявляемой схемы является зависимость выходного напряжения U от величины активного сопротивления нагрузки 17, что непременно следует учитывать при выборе рабочего напряжения конденсатора фильтра нижних частот 16. Иначе говоря, данная схема не допускает «холостого» режима ее работы - без калиброванной нагрузки. Схема может быть дополнена устройством автоматического отключения источника питания 12 компаратора 11 при достижении определенного (предельно допустимого) напряжения на конденсаторе фильтра нижних частот 16, например, с помощью реле, включенного к этому конденсатору через стабилитрон, пробой в котором возникает при заданном предельном напряжении U, например, при использовании схемы для заряда аккумуляторных батарей (стабилитрон выбирается на напряжение 14,4 В).
C
Расчеты показали, что данная схема для источника переменного напряжения представляет собой комплексную нагрузку, активная составляющая потребляемой энергии которой существенно меньше реактивной (емкостной) с соотношением приблизительно 1:4 и, следовательно, электросчетчик активной энергии, как правило устанавливаемый в квартирах и частных домах граждан, покажет лишь 20% от реально потребленной энергии от сети переменного тока. Действительно, когда сетевое напряжение достигает максимума (величины U), ток в накопительных конденсаторах в соответствующих полупериодах равен нулю, хотя он максимален в случае чисто активной нагрузки в известных выпрямителях. Правильный учет расходуемой от сети энергии электрического тока возможен при установке дополнительного последовательно подключенного электросчетчика реактивной энергии. Если совместно с рассматриваемой схемой в том же помещении работают электродвигатели с малым cosφ, то возможна полная или частичная компенсация реактивностей (емкостной и индуктивной), и учет энергии электросчетчиком активной энергии будет более правильным.
Возможна дополнительная электронная фильтрация выходного постоянного тока с помощью широко известных схем.
Автором предложен иной вариант решения рассматриваемой задачи [2].
Заявляемое устройство может найти спрос у разработчиков бытовых электронных приборов - телевизоров, компьютеров, музыкальных центров, радиотелефонов, светильников на светодиодных матрицах, зарядных устройств для аккумуляторов и др.
Литература
1. 750 практических электронных схем. Справочное руководство под ред. Р.Фелпса, пер. с англ. В.А.Логинова. - М.: Мир, 1986, с.3-40.
2. Меньших О.Ф., Бестрансформаторный источник постоянного тока. Заявка на изобретение №2011114690/07 (021805) на «Бестрансформаторный источник постоянного тока» с приоритетом от 13.04.2011, решение о выдаче патента РФ от 06.02.2012.