ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
STEP-DOWN AC-TO-DC VOLTAGE CONVERTER

Заявляемое изобретение относится к электронной технике преобразования переменного напряжения в постоянное и может найти широкое применение в разнообразных вторичных источниках электропитания. Наиболее ожидаемая область применения - светодиодные осветительные приборы с питанием от сети переменного тока. Возможно также использование изобретения в преобразователях большой мощности и в преобразователях с пульсирующим выходным напряжением.
Уровень техники преобразования переменного напряжения промышленной частоты характеризуется известностью технических решений, заключающихся в выпрямлении сетевого напряжения, сглаживании его фильтрующим высоковольтным конденсатором и дальнейшим преобразованием с помощью индуктивного реактора, коммутируемого высоковольтным ключевым элементом на частоте, намного большей, чем частота питающей сети. Пример такого решения - патент США 5661645, 26.08.1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. К признакам, совпадающим с признаками заявляемого изобретения, относятся наличие выпрямителя сетевого напряжения, а также наличие силового высоковольтного ключевого элемента. Недостатки таких устройств вытекают, во-первых, из свойств самого выпрямителя, характеризующегося заметной долей реактивной составляющей в полной мощности (т.е. невысоким значением коэффициента мощности), отбираемой из сети вследствие зарядки сглаживающих конденсаторов. Во-вторых, такие устройства не могут быть простыми по конструкции (а следовательно, и дешевыми) ввиду наличия высоковольтных конденсаторов большой емкости, мощных и быстродействующих высоковольтных ключей и индуктивных реакторов с качественными сердечниками и изоляцией. Кроме того, такие устройства при их массовом применении представляют определенную угрозу загрязнения окружающей среды электромагнитным излучением, связанную с работой ключевого высоковольтного элемента на высокой частоте и с наличием индуктивного реактора.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является решение, описанное в патенте США 6577072 В2, 10.06.2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al. В этом решении описан понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий выпрямитель, подключаемый к однофазной сети переменного тока, блок управления, а также последовательную цепь, состоящую из N конденсаторов (где N больше или равно 2) и подключенную к выходу выпрямителя, а также узлы сбора и распределения тока нагрузки, связанные с указанной последовательной цепью из N конденсаторов таким образом, что указанные конденсаторы заряжаются от выпрямителя в последовательном включении, а разряжаются в цепь нагрузки в параллельном включении. Недостатком этого устройства является невысокое значение коэффициента мощности, а также сложность конструкции. Описанное устройство содержит множество высоковольтных коммутирующих транзисторов, выполняющих роль ключей и узлов сбора и распределения тока нагрузки.
Техническим результатом, который достигается в заявленном изобретении, является увеличение коэффициента мощности и упрощение конструкции устройства.
Для достижения этого технического результата в понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий выпрямитель, подключаемый к однофазной сети переменного тока, блок управления, а также последовательную цепь, состоящую из N конденсаторов (где N больше или равно 2) и подключенную к выходу выпрямителя, а также узлы сбора и распределения тока нагрузки, связанные с указанной последовательной цепью из N конденсаторов таким образом, что указанные конденсаторы заряжаются от выпрямителя в последовательном включении, а разряжаются в цепь нагрузки в параллельном включении, вводится дополнительно электронный ключ, приводимый в действие сигналами блока управления и обеспечивающий протекание тока нагрузки от узла сбора тока до узла распределения тока в моменты, когда амплитуда выпрямленного напряжения меньше заданного значения, а узлы сбора и распределения тока нагрузки выполняются в виде диодных гребенок, при этом в последовательную цепь включены дополнительно N токоограничивающих резисторов и N-1 или N диодов.
Необходимо отметить, что технический эффект, заключающийся в увеличении коэффициента мощности, является неожиданным для реализации отличительных признаков заявляемого изобретения. При решении изобретательской задачи указанные признаки были направлены, в первую очередь, на реализацию простой схемы коммутации последовательной цепи конденсаторов переноса заряда (charge pump). Однако, оказалось, что совокупность этих признаков может обеспечить также и увеличение коэффициента мощности.
На Фиг.1 изображена электрическая принципиальная схема преобразователя в соответствии с заявляемым изобретением.
На Фиг.2 изображены эпюры напряжения и тока выпрямителя, иллюстрирующие работу устройства в обычном режиме (а) и при компенсации реактивной мощности (б).
На Фиг.3 изображены варианты диодных гребенок узлов сбора и распределения тока нагрузки последовательные гребенки (а), параллельные гребенки (б), комбинированные гребенки (в).
На Фиг.4 изображены конструктивные варианты реализации выпрямителя - однополупериодный (а), двухполупериодный мостовой (б), с ограничением тока (в), с защитными элементами на входе (г).
На Фиг.5 изображены схемотехнические решения по практической реализации электронного ключа и способов подключения нагрузки: с подключением нагрузки к цепи распределения тока (а), с подключением нагрузки к цепи сбора тока (б), с ключом на полевом МДП-транзисторе (в), на тиристоре (г), на оптотиристоре (д).
На Фиг.6 изображена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая один из простейших вариантов реализации заявленного изобретения.
1
0
0
,
.
,
2
Устройство (Фиг.1) работает следующим образом. Выпрямитель 1 преобразует переменное напряжение питающей сети, например, синусоидальной формы с частотой 50 Гц, в полуволны одной полярности. На участке нарастания полуволны выпрямленного напряжения происходит зарядка конденсаторов последовательной цепи 3 приблизительно до напряжения U=√2·U/N, где U - действующее значение напряжения сети, а N - количество конденсаторов. Остальные элементы находятся в выключенном пассивном состоянии. Электронный ключ 7 - благодаря отсутствию открывающего управляющего сигнала от блока управления 2, а диодные гребенки 4 и 5 - благодаря воздействию запирающего выпрямленного напряжения обратной для них полярности. На спадающем участке полуволны все остается без изменений до определенного порога. В режиме без компенсации реактивной мощности этот порог выбирается ниже среднего значения напряжения нагрузки 6, а в режиме с компенсацией - выше среднего значения. После спадания значения выпрямленного напряжения до величины заданного порога блок управления 2 формирует сигнал на открывание электронного ключа 7. С этого момента в нагрузку 6 (которая может представлять собой, например, резистор R и сглаживающий конденсатор С) начинает закачиваться ток от N параллельно включенных конденсаторов C1-CN последовательной цепи 3 плюс ток, обусловленный остаточным напряжением на выходе выпрямителя 1 в текущий момент. Последний ток определяется токоограничивающим элементом выпрямителя или его внутренним сопротивлением. Назначение диодов VD1-VDN - размыкать последовательную цепь конденсаторов на момент их разряда, что позволяет произвести их перекоммутацию в параллельное включение. Суммарный ток выпрямителя показан на эпюрах Фиг.2 для режимов с компенсацией и без компенсации. Токоограничивающие резисторы R1-RN не выполняют функцию балласта для нагрузки в обычном смысле этого термина в электротехнике. Эти резисторы сравнительно небольшого сопротивления лишь ограничивают на приемлемом уровне коммутационные токи, и в этом их главное назначение. Указанные токи возникают в конденсаторах C1-CN при использовании совместно с нагрузкой сглаживающего конденсатора большой емкости, а также при коммутационных помехах со стороны сети (дребезг контактов при включении). Токоограничивающий элемент выпрямителя дополнительно уменьшает эти токи, а также служит профилактическим средством от самопроизвольного включения электронного ключа из-за эффекта dU/dt вследствие тех же коммутационных помех сети, но также не является балластом для нагрузки. Функцию балласта, ограничивающего ток нагрузки, выполняют сами конденсаторы C1-CNпереносящие с частотой сети при однополупериодном выпрямлении (или удвоенной частотой сети при двухполупериодном выпрямлении) с помощью электронного ключа 7 электрический заряд в нагрузку 6Разряд указанных конденсаторов происходит достаточно быстро. Он прерывается на своем затухающем участке электронным ключом 7который выключается блоком управления в момент превышения значением напряжения следующей полуволны выходного напряжения выпрямителя 1 заданного порога - в случае двухполупериодного выпрямления, или в любой другой момент следующей, неактивной, полуволны - в случае однополупериодного выпрямления. Далее работа преобразователя циклически повторяется.
.
.
.
,
д
0
0
д
0
0
Для иллюстрации практического осуществления заявленного изобретения на Фиг3 изображены варианты реализации диодных гребенок 4, 5 узлов сбора и распределения тока нагрузки. На Фиг3 (а) изображены последовательные гребенки. В таком включении ко всем диодам гребенок предъявляются одинаковые и минимальные требования по величине допустимого обратного напряжения U=√2·U/N, где U - действующее значение напряжения сети, а N - количество конденсаторов, хотя в такой схеме максимальны потери напряжения на диодах, так как разряд каждого конденсатора осуществляется через цепочку как минимум из N-1 последовательно включенных диодов. Такая схема предпочтительна для устройств малой мощности и в интегральном исполнении. На Фиг3 (б) изображены параллельные гребенки. В таком случае к некоторым диодам гребенок предъявляются максимальные требования по величине допустимого обратного напряжения U=√2·Uгде U - действующее значение напряжения сети, но в такой схеме минимальны потери напряжения на диодах, так как разряд каждого конденсатора осуществляется через цепочку из не более, чем двух последовательно включенных диодов. Такая схема предпочтительна для устройств большой мощности. На Фиг.3 (в) изображен один из вариантов комбинированных гребенок. Такие гребенки могут использоваться по специфическим технологическим соображениям. В качестве диодов гребенок 4, 5 узлов сбора и распределения тока нагрузки могут быть использованы стабилитроны для повышения надежности преобразователя. В этом случае обрыв или существенное уменьшение емкости одного из конденсаторов C1-CN последовательной цепи 3 не приведет к катастрофическому отказу преобразователя.
На Фиг.4 изображены различные аспекты практической реализации выпрямителя 1. На Фиг.4 (а) изображен однополупериодный выпрямитель, состоящий из одного диода. На Фиг.4 (б) изображен двухполупериодный мостовой выпрямитель, состоящий из четырех диодов. На Фиг.4 (в) изображен однополупериодный выпрямитель с ограничением тока. В качестве ограничителя может использоваться изображенный на схеме резистор R или любые другие известные решения аналогичного назначения. На Фиг.4 (г) изображен однополупериодный выпрямитель с защитными элементами на входе - плавким предохранителем F и варистором RU. Все перечисленные решения могут использоваться в различных комбинациях, а также в комбинациях с другими известными решениями из области однофазных выпрямителей. В том числе выпрямитель может быть выполнен управляемым с отсечкой фазы, то есть пропускающим определенную часть выпрямленной полуволны напряжения в соответствии с управляющими сигналами блока управления 2. Такое решение также улучшает коэффициент мощности.
На Фиг.5 изображены схемотехнические решения по практической реализации электронного ключа 7 и способов подключения нагрузки 6. На Фиг.5 (а) изображено подключение нагрузки 6 к узлу распределения тока 5, а однополюсного электронного ключа 7 - к узлу сбора тока 4 нагрузки 6. Такое решение возможно только при однополупериодном выпрямлении и в этом случае в последовательной цепи 3 должно быть N диодов. Диод VDN изображен отдельным обозначением внутри последовательной цепи 3. На Фиг.5 (б) изображено подключение нагрузки 6 через однополюсный электронный ключ 7 к узлу сбора тока 4, а узла распределения тока 5 нагрузки - к общей шине. Такое решение возможно и при однополупериодном, и при двухполупериодном выпрямлении. В качестве электронного ключа 7 возможно использование разнообразных электронных компонентов. Например, на Фиг.5 (в) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 силового высоковольтного МДП-транзистора. На Фиг.5 (г) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 тиристора. Такое решение целесообразно для мощных и/или высоковольтных применений. Возможны варианты подключения нагрузки 6 и без привязки ее и электронного ключа 7 к одной из выходных шин выпрямителя 1. Например, на Фиг.5 (д) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 оптотиристора. Эта же схема иллюстрирует вариант подключения нагрузки 6 без сглаживающего конденсатора для питания ее импульсным током одной полярности. Электронный ключ 7 может быть и двухполюсным, как это показано на Фиг.1. В качестве нагрузки 6 преобразователя может быть использована вторая ступень, выполненная по схеме описываемого преобразователя. При этом роль выпрямителя второй ступени может выполнять электронный ключ первой ступени. Такое решение позволяет минимизировать аппаратные затраты при больших коэффициентах преобразования напряжения.
На Фиг.6 изображена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая один из простейших вариантов практической реализации заявленного изобретения. Выпрямитель 1 выполнен на диоде VD19 с токоограничивающим резистором R8 и защитой плавким предохранителем F. Электронный ключ 7 выполнен на транзисторе VT1 Стабилитрон VD21 предназначен для защиты затвора от пробоя, резистор R10 обеспечивает закрывание ключа в отсутствие управляющего сигнала. Блок управления 2 реализован на транзисторе VT2. Для его запуска при включении использован стартовый резистор R12. Анализ уровня напряжения сети осуществляется через резистор R9. Диод VD20 обеспечивает защиту эмиттерного р-n перехода транзистора VT2 от пробоя обратным напряжением. Сигнал управления для электронного ключа 7 формируется на резисторе R11 и через конденсатор развязки уровней С8 поступает на затвор транзистора VT1. Последовательная цепь 3, а также диодные гребенки сбора и распределения тока нагрузки 4, 5 реализованы на элементах С1-С7, R1-R7, VD1-VD18. Нагрузка 6 представляет собой последовательно включенные светодиоды белого цвета свечения VD23-VD29, зашунтированные электролитическим конденсатором большой емкости С9. Стабилитрон VD22 предназначен для защиты нагрузки от перенапряжений в аварийных режимах. На схеме Фиг.6 для простоты не показаны элементы гашения светодиодов при выключении и другие вспомогательные элементы. При равной емкости каждого из семи конденсаторов С1-С7, равной 1 мкФ, потребляемый от сети ток составляет 1,5 мА, при напряжении сети 220В, при этом ток нагрузки составляет 6,5 мА при напряжении нагрузки 20В. Коэффициент полезного действия - около 40%.
Конструктивно рассматриваемый преобразователь может быть выполнен в самых различных исполнениях, в зависимости от выходной мощности и напряжения сети. В частности, для микромощных применений, таких как индикаторные лампы и гибкие светодиодные линейки с питанием от сети переменного тока 220В, указанное устройство может быть выполнено по SMD-технологии поверхностного монтажа на гибкую подложку или на жесткую печатную плату. Возможно полное или частичное изготовление преобразователя в виде интегральной схемы. В отдельных случаях в качестве токоограничивающих резисторов R1-RN может выступать высокое внутреннее сопротивление диодов или конденсаторов специальной конструкции, что не меняет техническую сущность и формулу изобретения.
Рассматриваемый преобразователь содержит только два принципиально необходимых высоковольтных элемента: выпрямитель 1 и электронный ключ 7, к которому, к тому же, не предъявляются высокие требования по быстродействию. Остальные элементы могут быть низковольтными. Простота и невысокие требования к элементам позволяют сделать очень низкой стоимость реализации преобразователя при массовом изготовлении, то есть создать в некоторых случаях реальную и более экологичную альтернативу трансформаторам и высокочастотным импульсным преобразователям.
Сразу же после отключения от сети это устройство не содержит опасных источников напряжения, при соответствующем выборе количества конденсаторов. Кроме того, устройство не содержит индуктивных реакторов и работает на низкой частоте, что делает минимальным уровень электромагнитных излучений.