КОМПАКТНЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

Заявляемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для создания блоков питания электронных устройств.
В различных приборах, питающихся от сети переменного тока, и в частности в светодиодных светильниках, широко применяются понижающие импульсные стабилизаторы без гальванической развязки нагрузки от первичной сети.
Основу такого стабилизатора составляет преобразователь с понижением напряжения на основе дросселя (Фиг. 1), принцип действия которого известен (http://ru.wikipedia.org, раздел «Импульсный стабилизатор напряжения»)
В общем виде схема понижающего импульсного стабилизатора для питания от сети переменного тока, представлена на Фиг. 2. Она включает в себя выпрямитель сетевого напряжения VD1, фильтрующий конденсатор C1, управляемый ключ Q1, дроссель L1, блок управления ключом U1, обратный диод VD2.
Несмотря на то, что блок управления стабилизатора поддерживает среднее значение выходного тока или выходного напряжения на заданном уровне, выходной ток является пульсирующим с удвоенной частотой питающей сети, поэтому в схему, как правило, дополнительно вводят накопительный конденсатор C2 для сглаживания пульсаций, который можно подключить двумя способами: на выход стабилизатора параллельно нагрузке (Фиг. 3) или к выходу выпрямителя сетевого питания (Фиг. 4)
Первый способ подключения реализован, например, в понижающем импульсном стабилизаторе, использующем в качестве блока управления интегральную микросхему FL7701 фирмы Fairchild, а в качестве ключа n-канальный МОП-транзистор (Фиг. 5) (http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchildsemiconductor/FL7701.pdf страница 8).
Достоинством такой схемы является высокий коэффициент мощности, недостатком - необходимость значительной емкости накопительного конденсатора из-за низкой частоты (100-120 Гц) и высокой амплитуды пульсаций (примерно в 1,5 раза выше среднего значения выходного тока), что приводит к резкому увеличению размера и стоимости стабилизатора.
Таким образом, данный вариант подходит для компактных стабилизаторов, где требуется высокий коэффициент мощности, но нет требования низкого коэффициента пульсаций выходного тока.
Наиболее близким аналогом полезной модели является понижающий импульсный стабилизатор, использующий в качестве блока управления интегральную микросхему HV9910B фирмы Supertex (Фиг. 6) (http://www. supertex.com/pdf/арр_notes/AN-H48.pdf), с подключением накопительного конденсатора вторым способом.
Достоинством схемы является низкий коэффициент пульсаций выходного тока, благодаря тому, что основное сглаживание осуществляется логикой работы микросхемы управления, а накопительный конденсатор выполняет лишь вспомогательную функцию, не позволяя снижаться напряжению после выпрямителя ниже предельных значений. Недостаток схемы - низкое значение коэффициента мощности (порядка 0,5), что ограничивает использование таких стабилизаторов, в том числе из-за требований стандартов, не допускающих в большинстве случаев коэффициент мощности ниже 0,7. Кроме того, дополнительным минусом данной схемы является высокий ток пульсаций в накопительном конденсаторе, снижающий надежность, как этого конденсатора, так и стабилизатора в целом.
Техническим результатом полезной модели является улучшение электрических характеристик и повышение надежности понижающего импульсного стабилизатора за счет увеличения коэффициента мощности и облегчения режимов работы радиоэлементов схемы при сохранении низкого коэффициента пульсаций выходного тока, малых габаритов и стоимости устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее выпрямитель, первый и второй конденсаторы, управляемый ключ, дроссель, блок управления ключом, обратный диод, введен дополнительно коммутирующий диод, анод которого подключен к точке соединения катода обратного диода с плюсовым выводом второго конденсатора, а его катод подключен к точке соединения плюсового выхода выпрямителя с первым конденсатором и первой выходной клеммой стабилизатора.
На Фиг. 7 представлена электрическая схема понижающего импульсного стабилизатора с коммутирующим диодом.
Устройство включает выпрямитель VD1, первый - фильтрующий конденсатор C1, второй - накопительный конденсатор C2, ключ Q1, дроссель L1, блок управления ключом U1, обратный диод VD2, коммутирующий диод VD3.
Устройство работает следующим образом.
Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 и поступает на конденсатор небольшой емкости C1, выполняющий роль фильтра помех и слабо влияющий на коэффициент мощности стабилизатора. С конденсатора C1 напряжение подается на нагрузку через последовательно соединенные дроссель L1 и замкнутый ключ Q1. Блок управления U1 регулирует время открытия и закрытия ключа Q1 таким образом, чтобы поддерживать средний ток, протекающий через нагрузку, на заданном уровне.
При этом, в течение периода времени, когда мгновенное значение напряжения сети превышает напряжение на накопительном конденсаторе C2, отбираемая из сети энергия одновременно поступает в нагрузку и накапливается в конденсаторе C2, причем заряд указанного конденсатора осуществляется через обратный диод VD2 стабильным током, равным току нагрузки. В период времени, когда мгновенное значение напряжения сети ниже напряжения на конденсаторе C2, стабилизатор расходует энергию, накопленную в этом конденсаторе через коммутирующий диод VD3.
Таким образом, во время своего заряда накопительный конденсатор включен аналогично первому способу (Фиг. 3), что обеспечивает высокий коэффициент мощности стабилизатора, а во время разряда - аналогично второму способу (Фиг. 4), что дает низкий коэффициент пульсаций выходного тока. В итоге, импульсный стабилизатор объединяет преимущества обеих рассмотренных выше концепций, исключая их недостатки.
При необходимости изменения полярности выходного тока, в схеме стабилизатора инвертируется полярность всех диодов и конденсаторов (Фиг. 8). Устройство в этом случае работает аналогично.
В качестве ключа в реальный импульсный стабилизатор могут устанавливаться биполярные, полевые транзисторы, тиристоры или аналогичные приборы. Пример реализации компактного импульсного стабилизатора с дополнительно введенным коммутирующим диодом, с использованием в качестве блока управления интегральной микросхемы HV9910B фирмы Supertex, а в качестве ключа n-канального МОП-транзистора представлен на Фиг. 9.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов и их связями между собой. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение перечисленных элементов в указанной связи с остальными элементами приводит к существенному улучшению электрических характеристик и повышению надежности изделия в целом, поскольку позволяет получить высокий коэффициент мощности импульсного стабилизатора (от 0,75 и выше) и снизить ток пульсаций в накопительном конденсаторе.
Таким образом, предлагаемое техническое решение реализует компактный понижающий импульсный стабилизатор, имеющий высокий коэффициент мощности, низкий коэффициент пульсаций и повышенную надежность при малых габаритах и стоимости.