ИМПУЛЬСНЫЙ ИНДУКТИВНЫЙ ОБРАТНОХОДОВЫЙ КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ С ТОКОВЫМ ВЫХОДОМ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в светодиодных источниках света общего назначения.
Известен импульсный индуктивный корректор коэффициента мощности с токовым выходом, предназначенный для реализации наиболее широко применяемой схемы построения высокочастотных обратноходовых широтно-импульсных корректоров коэффициента мощности, в которых энергия сначала, на прямом ходе, закачивается в дроссель от источника питания, а затем, на обратном ходе, отдается в нагрузку, и содержащий операционный усилитель, умножитель аналоговых сигналов, компаратор, ноль-орган, RS-триггер, и драйвер ключа (Рекомендации по применению микросхемы контроллера UCC28810 фирмы "Texas Instruments", 2008, с.1-7). В известном устройстве первый вход умножителя подключен к делителю напряжения, подключенного к выходу выпрямительного моста сетевого питания, второй вход умножителя подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования между установленным и текущим значением средней величины стабилизируемого параметра (здесь - тока нагрузки); выход умножителя подключен к первому входу компаратора, ко второму входу которого подключен датчик средней величины стабилизируемого параметра (тока нагрузки), а выход компаратора подключен к R входу RS-триггера, вход S которого подключен к выходу ноль-органа; выход RS-триггера через драйвер подключен к выходному ключу и управляет его включением и выключением; вход ноль-органа соединен с дополнительной обмоткой (датчиком нулевого тока) дросселя В известном устройстве по спаду тока дросселя до нуля производится переключение RS-триггера в состояние, соответствующее включению ключа корректора коэффициента мощности. Обратное переключение RS-триггера и выключение ключа происходит по достижению сигналом тока нагрузки при включенном ключе величины выходного напряжения умножителя.
Известное устройство обеспечивает полную гальваническую развязку нагрузки от сети, что требует введения гальванически развязанного от сети усилителя сигнала ошибки, устройства питания этого усилителя, двух дополнительных обмоток дросселя и оптрона, что неоправданно усложняет конструкцию устройства при использовании его для уличных и потолочных светильников.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является известный импульсный индуктивный обратноходовый корректор коэффициента мощности с токовым выходом, включающий дроссель с дополнительной обмоткой, ключ и входящие в состав элементов управления, связанных между собой общим проводом, операционный усилитель, компаратор, ноль-орган, RS-триггер, выпрямительный мост и драйвер (Ильин П., Соколов А. «Разработка источников питания для уличного светодиодного освещения» в ж. «Новости Электроники», 2009, №11 - прототип).
В устройстве-прототипе первый вход умножителя подключен к делителю напряжения, подключенного к выходу выпрямительного моста, второй вход умножителя подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования между установленным и текущим значением средней величины стабилизируемого параметра (здесь - тока нагрузки); выход умножителя подключен к первому входу компаратора, ко второму входу которого подключен датчик тока нагрузки, а выход компаратора подключен к R входу RS-триггера, вход S которого подключен к выходу ноль-органа. Выход RS-триггера через драйвер подключен к ключу и управляет его включением и выключением; вход ноль-органа соединен с дополнительной обмоткой (датчиком нулевого тока дросселя). По спаду тока дросселя до нуля, производится переключение RS-триггера в состояние, соответствующее включению ключа. Обратное переключение RS-триггера и выключение ключа происходит по достижению сигналом тока, снимаемого с датчика тока на прямом ходе, порогового значения, задаваемого выходным напряжением умножителя.
Общим недостатком устройства-аналога и устройства-прототипа является необходимость соединения общей цепи умножителя с минусом выпрямительного моста, что не обеспечивает обратную связь по току нагрузки в корректоре коэффициента мощности, если использовать для прямого и обратного хода тока дросселя одну и ту же обмотку, так как невозможно получить общую точку одновременно и цепи общего провода контроллера, и минуса выпрямителя, относительно которой на умножитель подают сигнал напряжения, определяющий форму кривой входного тока, и какого-либо участка цепи нагрузки. Кроме того, в устройстве-прототипе, за счет отказа от гальванической развязки, исключены дополнительный усилитель сигнала ошибки, блок питания этого усилителя и оптрон, присутствующий в аналоге, однако устройство-прототип включает дроссель с двумя рабочими обмотками, цепи защиты от выброса напряжения на обмотке прямого хода при выключении ключа и, в дополнение к недостаточно эффективной цепи ограничения выходного напряжения, для предотвращения пробоя ключа при дребезге в цепи нагрузки, введено устройство блокировки питания контроллера, требующее отключения питания корректора коэффициента мощности для снятия блокировки, что создает неудобство при эксплуатации. Необходимость использования двух рабочих обмоток, работающих поочередно, даже для устройств без гальванической развязки нагрузки от сети, увеличивает габариты дросселя, требует применения дополнительных цепей гашения импульсного выброса напряжения на ключе, возникающего в момент выключения тока ключа, ухудшает качество коррекции коэффициента мощности и параметры электромагнитной совместимости устройства. При использовании устройства-прототипа коэффициент мощности достигает значений 0,950-0,970.
Технической задачей является создание импульсного индуктивного обратноходового корректора коэффициента мощности с токовым выходом, лишенного перечисленных недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в упрощении конструкции устройства при повышении значения коэффициента мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что импульсный индуктивный обратноходовый корректор коэффициента мощности с токовым выходом, включающий дроссель с дополнительной обмоткой, ключ и входящие в состав элементов управления, связанных между собой общим проводом, операционный усилитель, компаратор, ноль-орган, RS-триггер, выпрямительный мост и драйвер, снабжен генератором линейно нарастающего напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, к неинвертирующему входу которого подключен выход операционного усилителя, выход компаратора через инвертирующую схему совпадений (И-НЕ) подключен к R входу RS-триггера, вход S которого подключен к выходу ноль-органа, выход RS-триггера через драйвер подключен к ключу, вход ноль-органа соединен с дополнительной обмоткой дросселя, при этом дроссель включен между минусом выпрямительного моста и общей точкой цепи истока ключа и общего провода элементов управления.
На Фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Предлагаемый импульсный корректор коэффициента мощности с токовым выходом содержит дроссель 1 с дополнительной обмоткой 2 контроля тока дросселя 1, ключ 3, подключенный к общей точке 4 через шунт 5 защиты ключа 3 по максимально допустимому пиковому току, импульсный диод 6, включенный последовательно с фильтрующим конденсатором 7 в цепь, замыкающую контур тока дросселя 1, после выключения ключа 3, выпрямительный мост 9, операционный усилитель 10, неинвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения 11, между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 10 включена цепь коррекции (конденсатор) 12 частотной характеристики усилителя, а выход усилителя 10 подключен к первому (неинвертирующему) входу компаратора 13, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора линейно нарастающего напряжения 14, вход пуска которого соединен с выходом ноль-органа 15, причем, вход ноль-органа 15 подключен к дополнительной обмотке 2 контроля нулевого тока дросселя 1. Выход компаратора 13 подключен к первому входу логического элемента (И-НЕ) 16, ко второму входу которого подключен выход компаратора ключа 17, контролирующего ток ключа сравнением сигнала с шунта 5 с величиной опорного напряжения второго источника 18, а выход элемента 16 подключен к входу «R» RS-триггера 19, выход которого через драйвер 20 подключен к затвору ключа 3, причем, вход «S» RS-триггера 19 подключен к выходу ноль-органа 15, нагрузка 21 подключена параллельно фильтрующему конденсатору 7, причем, в цепь между нагрузкой и общей точкой 4 включен шунт 22, который через резистор 23 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 10. К этому же входу усилителя 10 подключена цепь ограничения выходного напряжения при обрыве цепи нагрузки, состоящая из резистора 24 и стабилитрона 25.
Для достижения максимально высокого коэффициента мощности возможно введение дополнительного блока задержки 26, вход которого подключен к выходу компаратора 13, а выход объединен по «И» с выходом ноль-органа 15 дополнительным логическим элементом 27 (И), включенным между выходом ноль-органа 15 и соединенными параллельно входом генератора 14 и входом «S» RS-триггера 19.
Элементы 10, 11, 13, 16, 17, 18, 19, 20, входят в состав контроллера 8 и выполняются в едином корпусе, выпускается серийно.
По спаду тока дросселя до нуля, производится переключение RS-триггера в состояние, соответствующее включению ключа корректора коэффициента мощности. Обратное переключение RS-триггера и выключение ключа происходит по достижению сигнала, снимаемого на прямом ходе с генератора линейно нарастающего напряжения, порогового значения, задаваемого выходным напряжением операционного усилителя. Включением рабочей обмотки дросселя между общим проводом истока ключа и контроллера, и минусом выпрямительного моста создают общую точку общей цепи контроллера, цепи обратной связи по току и цепи ограничения выходного напряжения устройства при обрыве нагрузки.
0
1
1
2
0
2
1
2
На Фиг.2 представлены диаграммы прямого и обратного хода тока дросселя, соответствующие напряжениям сети U1 и U2 на интервале прямого хода (tt) и на интервале обратного хода (tt). Из диаграммы видно, что соотношение площадей под наклонными прямыми прямого и обратного хода зависят от величины напряжения сети на интервале: при уменьшении напряжения на дросселе на прямом ходе ток, потребляемый от сети, уменьшается медленнее, чем полный ток дросселя на интервале (tt), что приводит к несоответствию кривых тока и напряжения сети, которое особенно явно при малых напряжениях, вблизи перехода тока сети питания через ноль. В результате, ухудшается коррекция и снижается коэффициент мощности. Из диаграммы видно, что, при введении постоянной задержки включения прямого хода на время, превышающее максимальное время обратного хода (tt), что обеспечивается предлагаемым устройством, среднее значение тока, потребляемого корректором от сети на каждом цикле прямого и обратного хода зависит только от напряжения сети. Форма потребляемого от сети тока точно повторяет форму напряжения сети и коэффициент мощности при использовании предлагаемого устройства достигает более высоких значений.
Работа предлагаемого устройства состоит в следующем.
После включения сетевого питания на выходе выпрямительного моста 9 появляется выпрямленное напряжение питания, при этом, поскольку напряжение в сети синусоидально, форма напряжения на выходе выпрямителя - модуль синуса. Через 5-6 периодов сетевого питания напряжение поступит на все блоки контроллера корректора, в этот момент на выходе операционного усилителя 10 напряжение максимально, поскольку его неинвертирующий вход подключен к плюсу источника опорного напряжения 11. На входе ноль-органа 15 напряжение нулевое, так как ток дросселя 1 в этот равен нулю. На выходе ноль-органа 15 появляется сигнал логической единицы, запускающий генератор линейно нарастающего напряжения 14 и переключающий RS-триггер 19 по входу S в состояние логической единицы. Этот сигнал поступает на вход драйвера 20, на выходе которого появляется напряжение, открывающее ключ 3. Дроссель 1 подключается ключом 3 к выходу выпрямительного моста 9, и ток дросселя 1 возрастает со скоростью, пропорциональной мгновенному значению напряжения на выходе выпрямительного моста до тех пор, пока ключ 3 не выключится. При этом напряжение на входе ноль-органа 15 уже не является нулевым, выход ноль-органа 15 и логический уровень входа «S» RS-триггера, переходит в состояние логического нуля, и это состояние сохраняется до тех пор, пока ток дросселя не упадет до нуля. Напряжение на выходе генератора 14 линейно возрастает до тех пор, пока не сравняется с выходным напряжением операционного усилителя 10, причем в этот момент компаратор 13 переключается из состояния логической единицы в ноль, и на вход R RS-триггера 19 через логический элемент (И-НЕ) 16 подается логическая единица, так как на втором входе элемента (И-НЕ) 16 сигнал логической единицы уже присутствует. Выход триггера сбрасывается в ноль, и ключ 3 выключается. Если по какой-либо причине сигнал тока ключа 3, снимаемый с шунта 5, достигнет максимально допустимого значения, задаваемого напряжением второго источника 18, раньше, чем выходное напряжение генератора 14 переключит компаратор 13, на выходе компаратора ключа 17 появится логический ноль, который поступит на второй вход элемента элемента (И-НЕ) 16, что приведет к изменению выходного состояния элемента 16 с нуля на единицу, выход триггера переключается на ноль и выключает ключ 3, не допуская превышения тока. После выключения ключа 3 ток дросселя 1 замыкается по цепи: дроссель 1 - диод 6 - конденсатор 7 - дроссель 1. Напряжение на фильтрующем конденсаторе 7 возрастает, а ток дросселя 1 - снижается. Когда дроссель отдаст в цепь всю энергию, запасенную на прямом ходе, ток на дросселе падает до нуля. Диод 6 закрывается обратным напряжением конденсатора 7, а на дополнительной обмотке 2 дросселя 1 напряжение становится нулевым. Ноль-орган формирует единицу на выходе, и начинается новый рабочий цикл. В момент появления тока нагрузки 21 появляется и с каждым циклом возрастает напряжение на шунте 22, включенном в цепь нагрузки 21. По достижении током нагрузки величины, при которой напряжение на шунте 22 становится равным напряжению источника опорного напряжения 11, выходное напряжение операционного усилителя 10 начинает снижаться, что обеспечивает более быстрое его достижение линейно нарастающим напряжением генератора 14, при этом длительность импульса на выходе компаратора 13 уменьшается, снижается время открывания ключа 3, а вместе с ним уменьшается пиковое значение тока дросселя 1 на прямом ходе, что приводит к снижению тока нагрузки. Таким образом, формируется следящая за током нагрузки система, обладающая высоким коэффициентом усиления сигнала ошибки (разности между напряжением на шунте 22 и опорным напряжением источника 11). Устойчивость следящей системы обеспечивается интегральным звеном, образованным конденсатором 12 и резистором 23. При обрыве цепи нагрузки или при дребезге контактов в этой цепи напряжение на выходе предлагаемого стабилизатора тока растет только до тех пор, пока не достигнет значения, при котором появляется ток стабилитрона 25 и устройство переходит в режим стабилизации выходного напряжения, где сигнал обратной связи по напряжению подается на вход операционного усилителя 10 через резистор 24.
В результате проведенных испытаний установлено, что при использовании предлагаемого импульсного индуктивного обратноходового корректора коэффициента мощности достигается коэффициент мощности 0,995-0,998 (коэффициент мощности, полученный при использовании устройства-прототипа, составляет 0,950-0,970) при сокращении, по сравнению с устройством-прототипом, количества входящих в конструкцию элементов. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом имеет более простую конструкцию и позволяет достичь более высокие значения коэффициента мощности.