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 таких устройств является применение в них 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 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 параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к сетевому источнику переменного тока - соответственно к его фазному и нулевому проводникам, к которым подключены также указанные выше однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров, кроме того, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения.
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.
Схема устройства представлена на рис.1, а действие его поясняется диаграммами напряжений, представленными на рис.2.
Схема источника включает следующие элементы:
1
Д - выпрямительный диод первой зарядной цепи,
1
C - накопительный конденсатор первой зарядной цепи,
2
Д - выпрямительный диод второй зарядной цепи,
2
C - накопительный конденсатор второй зарядной цепи,
3
Д - разделительный диод второй зарядной цепи,
4
Д - разделительный диод первой зарядной цепи,
1
T - тиристор второй зарядной цепи,
2
T - тиристор первой зарядной цепи,
1
1
S - стабилитрон запуска тиристора Т второй зарядной цепи,
2
2
S - стабилитрон запуска тиристора Т первой зарядной цепи,
3
С - конденсатор фильтра нижних частот,
3
3
S - стабилитрон защиты от перенапряжения на конденсаторе С.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
o
1
2
1
2
1
2
o
4
3
2
1
3
1
o
1
2
3
2
1
3
1
2
2
1
2
1
Переменное напряжение электрической сети (рис.2,а) с периодом Т и амплитудой U прикладывается через стабилитроны запуска S и S к параллельно включенным однополупериодным выпрямительным цепям из выпрямительных диодов Д (Д) и накопительных конденсаторов C (С) соответственно. Последние заряжаются попеременно от положительных и отрицательных полуволн сетевого переменного напряжения до амплитудных значений U в течение времени четверти периода Т/4, как это видно из рис.2,b и 2,с. Разряд этих конденсаторов через соответствующие разделительные диоды Д (Д) и тиристоры Т (T) на конденсатор фильтра нижних частот С происходит поочередно: когда в первой четверти положительной полуволны сетевого напряжения происходит заряд накопительного конденсатора C и далее сохраняется неизменным и равным U до момента времени (Т/2)+Δt, как это видно на рис.2,b, от указанного момента времени происходит разряд накопительного конденсатора С на конденсатор фильтра нижних частот С, наоборот, во время заряда от отрицательного полупериода сетевого напряжения накопительного конденсатора С происходит разряд с накопительного конденсатора C на конденсатор фильтра нижних частот С. Причем разряд накопительного конденсатора C осуществляется при открытии тиристора Т, а для разряда накопительного конденсатора С открывается тиристор T. Указанные тиристоры поочередно открываются управляющими напряжениями, образующимися на стабилитронах запуска S и S соответственно.
C1
C2
1
1
2
1
1
2
3
2
3
Временные диаграммы напряжений на накопительных конденсаторах u(t) и u(t) представлены на рис.2,b и 2,с. Когда напряжение сети достигает некоторого небольшого уровня, соответствующего напряжению пробоя стабилитронов запуска S для положительного полупериода и стабилитрона запуска S2 для отрицательного полупериода, открываются тиристоры T и Т соответственно через интервал времени Δt. Разряд накопительных конденсаторов C и C поочередно и в соответствующие полупериоды сетевого напряжения на конденсатор фильтра нижних частот С происходит быстро в течение времени Δt, как это видно на рис.2,d. Частота подзарядов конденсатора С равна 2F=2/T.
3
1
2
3
1
2
H
3
o
1
1
1
o
3
1
1
Ф
3
H
H
o
1
3
2
2
1/2
Важно отметить, что емкость конденсатора фильтра нижних частот С выбирают во много раз большей емкости накопительных конденсаторов C и C, как это следует из соотношения С>>C=С. Нетрудно понять, что при этом напряжение U на конденсаторе фильтра нижних частот С оказывается существенно меньше амплитуды сетевого напряжения U. Действительно, энергия заряженного накопительного конденсатора W, как известно, определяется выражением W=CU /2. С учетом неравенства С>>C можно считать, что при разряде накопительного конденсатора на конденсатор фильтра нижних частот практически вся энергия W передается на конденсатор фильтра нижних частот, энергия которого становится приблизительно равной W≈CU /2. Из этого следует величина так называемого коэффициента трансформации напряжения в такой схеме, равная k=U/U≈(C/С).
1
2
1
o
H
H
H
H CP
н
2
2
Величина емкости накопительных конденсаторов C и С определяет мощность источника постоянного тока Р=F C U ≈U /R, где R - сопротивление нагрузки (рис.1). Средний ток в нагрузке I=U/R (см. рис.2).
3
3
H
H
3
При отключении нагрузки напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот С будет возрастать, и этот низковольтный конденсатор электролитического типа может разрушиться от пробоя. Чтобы предотвратить опасность разрушения этого конденсатора, параллельно ему устанавливают стабилитрон защиты от перенапряжения S с напряжением пробоя (стабилизации) несколько большим расчетного напряжения U. Поэтому при подключенной нагрузке R этот стабилитрон не работает (является непроводящим). Рабочий ток через стабилитрон защиты S при отключенной нагрузки должен быть порядка тока I.
Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.
о
1
2
H
3
Пусть устройство подключено к сети напряжением 220 В, при этом U=310 В. Если емкости накопительных конденсаторов выбрать равными C=С=30 мкФ с рабочим напряжением 400 В, то для получения выходного напряжения U=12 В емкость конденсатора фильтра нижних частот С следует выбрать равной
3
1
o
н
н
2
С=C (U/U)≈20000 мкФ. Мощность такого источника питания с напряжением 12 В равна Р≈144 Вт, рассеиваемая в нагрузке R=1 Ом (ток в нагрузке 12 А).
o
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 накопительном конденсаторе равен нулю, хотя он максимален в случае чисто активной нагрузки. Правильный учет расходуемой от сети энергии электрического тока возможен при установке дополнительно 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.
Заявляемое устройство может найти спрос у разработчиков бытовых электронных приборов - телевизоров, компьютеров, музыкальных центров, радиотелефонов, светильников на светодиодных матрицах и др.
Заявляемое техническое решение следует запатентовать в основных зарубежных странах по соображениям экономической целесообразности.
Литература
1. 750 практических электронных схем. Справочное руководство под ред. Р.Фелпса, пер. с англ. В.А.Логинова, М., «Мир», 1986, с.3-40.