БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к вторичным источникам электропитания, в частности, предназначенным для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети.
Основной особенностью таких устройств является наличие общей точки с сетью.
Известны источники питания, содержащие трансформатор, выпрямитель и фильтр (Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т.Т. 1: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н.Покровского. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.211-215.). Наличие трансформатора позволяет при необходимости соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако именно наличие трансформатора является основным недостатком таких источников, так как увеличивает их габариты, массу и стоимость.
Известны бестрансформаторные источники питания, содержащие балластный элемент (резистор или чаще конденсатор) для гашения избыточного напряжения, а также выпрямитель и фильтр (Справочник по схемотехнике для радиолюбителя./ Под ред. В.П.Боровского. - Киев: Техника, 1987, с.189, рис.8.7А.).
При двухполупериодном выпрямлении такие источники не имеют общей точки с сетью. Общую точку можно создать при однополу периодном выпрямлении, однако в этом случае вдвое уменьшается выходная мощность источника и возрастают пульсации выходного напряжения.
Известна схема бестрансформаторного двуполярного источника питания с конденсатором в качестве балластного сопротивления (Шрайбер Г. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи: Пер. с франц. - М.: ДМК, 2000, с.28, рис.59), имеющая общую точку с сетью. Однако, эта схема формирует два разнополярных напряжения вместо одного, тем самым разделяя мощность на два разнополярных выхода.
Задачей полезной модели является создание бестрансформаторного источника электропитания с однополярным выходным напряжением, имеющего общую точку с сетью, и с выходной мощностью и коэффициентом пульсаций практически соответствующим двухполупериодному выпрямлению, что позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики и снизить стоимость устройства.
Поставленная задача решается тем, что бестрансформаторный источник электропитания содержит последовательно соединенные балластный конденсатор, одним выводом соединенный с фазным проводом сети, и резистор, к выводу которого подсоединен первый вывод симметричного стабилитрона и два выпрямительных диода, соединенные последовательно, образуя совместно с двумя накопительными и двумя фильтрующими конденсаторами два разнополярных однополупериодных выпрямителя переменного напряжения, второй вывод симметричного стабилитрона и оставшиеся выводы накопительных и фильтрующих конденсаторов - с общим проводом устройства, соединенного с нейтральным проводом сети, при этом в устройство введена микросхема, представляющая собой преобразователь постоянного напряжения на коммутируемых конденсаторах, два вывода которой соединены с конденсатором переноса заряда, вход ее - с положительным выходом выпрямителя, а выход - с отрицательным выходом выпрямителя. Параллельно балластному конденсатору может быть подключен резистор.
Именно за счет введения стабилитрона, двух выпрямительных диодов, микросхемы, двух накопительных конденсаторов, двух фильтрующих конденсаторов и конденсатора переноса заряда решается задача создания бестрансформаторного источника питания с однополярным выходным напряжением, имеющего общую точку с сетью, и с выходной мощностью и коэффициентом пульсаций, практически соответствующим двухполупериодному выпрямлению. Применение микросхемы с конденсатором переноса заряда позволяет осуществить перенос заряда с накопительного конденсатора отрицательной полярности на накопительный конденсатор положительной полярности, умощняя тем самым выход устройства почти в два раза. А отсутствие в схеме низкочастотного сетевого трансформатора позволило улучшить габаритно-массовые характеристики и снизить стоимость устройства.
Принципиальная электрическая схема устройства показана на фигуре.
Бестрансформаторный источник электропитания содержит конденсатор С1 в качестве балластного сопротивления, два резистора R1 и R2, симметричный стабилитрон VD1, два выпрямительных диода VD2 и VD3, микросхему D1, два накопительных конденсатора С3 и С5, два фильтрующих конденсатора С4 и С6 и конденсатор переноса заряда С2. Конденсатор С1 одним выводом соединен с фазным проводом сети, а вторым выводом соединен с первым выводом резистора R2. Резистор R1 включен параллельно конденсатору С1. Стабилитрон VD1 одним выводом соединен с общим проводом устройства, который имеет непосредственное соединение с нейтральным проводом сети, а другим выводом - ко второму выводу резистора R2. Выпрямительные диоды VD2 и VD3 катодом и анодом соответственно соединены с первым выводом стабилитрона VD1, а анодом и катодом соответственно к накопительным конденсаторам СЗ и С5, которые совместно с диодами образуют два разнополярных однополупериодных выпрямителя переменного напряжения. Два фильтрующих конденсатора С4 и С6 включены параллельно накопительным конденсаторам СЗ и С5. Микросхема D1 (например, ICL7660) подключена выводом 3 к общему проводу, выводом 8 к накопительному конденсатору С5, выводом 5 к накопительному конденсатору СЗ. К выводам 2 и 4 микросхемы D1 подключен конденсатор переноса заряда С2.
Рассмотрим работу заявляемого источника питания. Сетевое напряжение (как правило, 230 В) подается на схему через балластный элемент С1, служащий для гашения избыточного напряжения, так как выходное напряжение источника, снимаемое с конденсатора С6, составляет обычно 3-10 В (для питания электронных схем). Резистор R2 служит для ограничения броска тока через конденсатор при включении в сеть. Резистор R1 предназначен для разряда конденсатора С1 при отключении от сети с целью повышения безопасности работы с устройством. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение на катоде диода VD2 и аноде диода VD3, тем самым задавая напряжение на выходе источника. Положительная полуволна ослабленного конденсатором С1 сетевого напряжения формирует на накопительном конденсаторе С5 положительное напряжение, а отрицательная - отрицательное на конденсаторе С3. Микросхема ICL7660 включена таким образом, что использует энергию отрицательного плеча выпрямителя для умощнения положительного плеча. В силу симметричности своей структуры она переносит заряд с конденсатора С3 на С5, удваивая максимальный ток нагрузки. Эта схема позволяет в два раза уменьшить емкость конденсатора С 1 при том же токе нагрузки при сохранении гальванической связи сетевой нейтрали и нагрузки. Это особенно актуально в схемах статических счетчиков электроэнергии.
Так, согласно ГОСТ Р 52322-2005 (МЭК 62053-21), полная потребляемая мощность в цепи напряжения счетчика активной энергии не должна превышать 10 В-А. Емкость конденсатора С1 не должна в этом случае превышать 0,5 мкФ. При использовании простой однополупериодной схемы выпрямителя максимальный ток нагрузки ограничен значением 18 мА при сетевом напряжении 230 В, а при сетевом напряжении 0,8 от номинала - 14 мА, что может быть недостаточным для питания электронной схемы счетчика. Использование микросхемы ICL7660 позволит удвоить максимальный ток нагрузки до значений 36 мА при сетевом напряжении 230 В и 28 мА при значении сетевого напряжения 0,8 от номинала.
Испытание лабораторного образца заявляемого устройства подтвердило его работоспособностью и решение поставленной задачи.
В качестве микросхемы D1 могут быть использованы микросхемы ICL7660, МАХ660, МАХ665, МАХ1044, LTC1044, LTC1046, ADM660, ADM8660 и их аналоги.