БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии и может применяться для преобразования напряжения питания переменного тока, например, промышленной сети в постоянное напряжение.
Известны и широко применяются вторичные источники питания, основанные на предварительном выпрямлении сетевого напряжения, преобразовании полученного постоянного напряжения в переменное высокочастотное, масштабировании полученного напряжения с помощью трансформатора и выпрямлении [4]. Их основным недостатком является сложность, обусловленная необходимостью применения промежуточных трансформаторов. Известны также бестрансформаторные конденсаторные источники вторичного питания и преобразователи переменного тока в постоянный [1, 2, 3].
Из известных наиболее близким по технической сущности является преобразователь переменного тока в постоянный с понижением напряжения (SU 1166242, Н02М 7/12) [2]. Его схема приведена на фиг.1.
Преобразователь переменного тока в постоянный содержит входные выводы 1 и 2 для подключения к сети переменного тока, образованные входом выпрямителя 3, один из выходов которого через управляемый ключ 4 подключен к первой цепочке делителя 5 напряжения, выполненного в виде параллельно включенных цепочек, состоящих из последовательно соединенных первого диода 6, конденсатора 7 и второго диода 8. При этом каждая цепочка соединена с последующей через диод 9, включенный между разноименными обкладками конденсаторов 7. Один выход делителя 5 соединен через управляемый ключ 10 с общим выходным выводом с подключенными к нему конденсаторами 11 и 12, другие выводы которых образуют выходные выводы 13 и 14 для подключения соответствующих нагрузок 15 и 16. При этом выходной вывод 13 через диод 17, а выходной вывод 14 через управляемый ключ 18 подключены к другому выходу делителя 5.
Делитель 19 напряжения выполнен аналогично делителю 5 напряжения, соединен с ним параллельно по выходу, а диод 20 соединяет разноименные обкладки конденсаторов последней цепочки делителя 5 и первой цепочки делителя 19. Управляемый ключ 21 включен между анодом диода 20 и катодом первого диода 6 последней цепочки делителя 19. Блок 22 управления включен между другим выходом выпрямителя 3, соединенного также с ключом 21, и входом ключа 4. Блок 22 управляет ключами 4, 10, 18 и 21.
B
Представленный на чертеже преобразователь переменного тока в постоянный работает следующим образом. В установившемся режиме на выход выпрямителя 3 подается постоянное напряжение U при малом уровне пульсации.
к
к
3
p
B
В течение времени T/2, где T - период коммутации накопительных конденсаторов, ключ 21 открыт и шунтирует делитель 19, а ключ 18 закрыт, и в преобразовании уровня напряжения участвуют n конденсаторов делителя 5, заряжаясь в последовательном соединении в течение времени t через ключи 4 и 21 и зарядные диоды 9 и разряжаясь при параллельном соединении в течение времени t через ключ 10, разрядные диоды 6 и 8 и диод 17 на конденсатор 11 фильтра и нагрузку 15, подключенную к выводу 13. При одинаковых емкостях конденсаторов 7 напряжение на нагрузке приблизительно равно U/n.
к
B
На интервале времени [T/2, T] ключ 21 закрывается, а ключ 18 открывается, и в преобразовании уровня напряжения U участвуют n конденсаторов делителя 5 и N конденсаторов делителя 19, которые заряжаются при последовательном включении через ключ 4 и зарядные диоды 9 и 20, а разряжаются через свои разрядные диоды 6 и 8 и ключи 10 и 18 на конденсатор 12 и нагрузку 16, подключенную к выходному выводу 14. Напряжение на нагрузке 16 при одинаковых емкостях всех конденсаторов приблизительно равно U/(n+N).
к
к
Неуправляемый диод 17 при этом закрыт обратным напряжением, отключая конденсатор 11 и нагрузку 15 от цепи разряда конденсаторов делителя 5. Напряжение на этой нагрузке на интервале времени [T/2, T] поддерживается за счет разряда конденсатора 11. Далее процессы в схеме повторяются.
Таким образом, напряжение переменного тока преобразуется в два напряжения постоянного тока одинаковой полярности, но различного уровня. Частота преобразования выбирается в пределах десятков-сотен килогерц для уменьшения емкостей конденсаторов.
Недостаток рассмотренного преобразователя переменного тока в постоянный состоит в невозможности плавной регулировки выходных напряжений, которые могут устанавливаться только дискретно за счет изменения количества ступеней, и недостаточной точности поддержания выходного напряжения при изменении нагрузки или входного напряжение переменного тока.
Предлагаемое изобретение направлено на устранение недостатков рассмотренного известного устройства за счет обеспечения возможности плавной регулировки и стабилизации выходного напряжения бестрансформаторного источника питания при изменении нагрузки или входного напряжения переменного тока.
Это достигается тем, что в бестрансформаторный источник питания, содержащий n параллельно соединенных цепочек, состоящих из последовательно включенных первого диода, конденсатора и во всех ячейках, кроме последней, второго диода, соединенных между собой через диоды, включенные между разноименными обкладками конденсаторов этих цепочек, выпрямитель, выход которого подключен через первый управляемый ключ к входу первой цепочки, накопительный конденсатор, включенный параллельно выходу бестрансформаторного источника питания и соединенный через второй управляемый ключ с общей точкой первых диодов и блок управления, соединенный по цепи питания с выходом выпрямителя, а по выходу с входами управления первого и второго ключей, дополнительно введены источник опорного напряжения и регулируемый делитель напряжения, соединенные по входам с выходом бестрансформаторного источника питания, а по выходу с входами схемы сравнения, выход которой подключен к входу блока управления.
Введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.
На фиг.2 представлена структурная схема бестрансформаторного источника питания. Бестрансформаторный источник питания содержит выпрямитель 1, накопительный конденсатор 2, n цепочек, каждая из которых содержит диод 3, конденсатор 4 и, кроме последней, диод 5, диоды 6, управляемые ключи 7 и 8, блок управления 9, схему сравнения 10, регулируемый делитель напряжения 11, источник опорного напряжения 12.
Входные выводы выпрямителя 1 подключены к источнику переменного тока, а выход соединен с цепями питания блока управления 9. Каждая из n цепочек, включенных параллельно, представляет собой последовательное соединение первого диода 3, конденсатора 4 и во всех ячейках, кроме последней, второго диода 5. Каждая цепочка соединена с последующей через диод 6, включенный между разноименными обкладками конденсаторов 4. Первая цепочка соединена с выходом выпрямителя 1 через первый управляемый ключ 7. Общая точка первых диодов 3 цепочек соединена через второй управляемый ключ 8 с накопительным конденсатором 2, включенным параллельно выходу бестрансформаторного источника. Управляющие входы ключей 7 и 8 соединены с выходом блока управления 9, вход которого соединен с выходом схемы сравнения 10. Входы схемы сравнения 10 соединены соответственно с выходами регулируемого делителя напряжения 11 и источника опорного напряжения 12, подключенных по входам к выходу бестрансформаторного источника.
В качестве блока управления 9 возможно использование, например, микросхемы драйвера для управления ключами IR 2153, а схема сравнения 10 и источник опорного напряжения 12 могут быть реализованы, например, на микросхеме параллельного стабилизатора напряжения TL431.
Работает бестрансформаторный источник питания следующим образом. В установившемся режиме блок управления 9 вырабатывает периодические импульсы, управляющие работой ключей 7 и 8. Управляемые ключи 7 и 8 работают в противофазе: когда управляемый ключ 7 замкнут, управляемый ключ 8 разомкнут, и наоборот. Под действием сигналов блока управления 9 состояние управляемых ключей 7 и 8 периодически изменяется на противоположное.
B
з
При замыкании управляемого ключа 7 происходит заряд конденсаторов 4 через диоды 6 до напряжения, равного  где n - количество ячеек, U - выходное напряжение выпрямителя 1, t - продолжительность заряда конденсаторов 4, τ - постоянная времени заряда конденсаторов 4. При размыкании управляемого ключа 7 и замыкании управляемого ключа 8 конденсаторы 4 через диоды 3 и 5 параллельно подключаются к накопительному конденсатору 2 и заряжают его до этого напряжения.
В случае изменения нагрузки или входного напряжения переменного тока выходное напряжение бестрансформаторного источника питания начинает изменяться. Это приводит к изменению выходного напряжения управляемого делителя напряжения 11. Выходное напряжение источника опорного напряжения 12 остается неизменным. Следовательно, выходное напряжение схемы сравнения 10, равное разности выходных напряжений источника опорного напряжения 12 и управляемого делителя напряжения 11, изменяется. В результате изменяется длительность импульсов, вырабатываемых блоком управления 9. При уменьшении выходного напряжения длительность импульсов изменяется таким образом, чтобы увеличить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. После замыкания управляемого ключа 8 накопительный конденсатор 2 зарядится до большего значения и выходное напряжение восстановится. При возрастании выходного напряжения бестрансформаторного источника питания длительность импульсов изменяется таким образом, чтобы уменьшить время заряда конденсаторов 4 и тем самым напряжение на них. В результате после замыкания управляемого ключа 8 накопительный конденсатор 2 зарядится до меньшего значения и выходное напряжение восстановится.
Благодаря управлению временем переключения управляемых ключей 7 и 8 в зависимости от напряжения на нагрузке достигается возможность стабилизации этого напряжения. Уровень выходного напряжения источника вторичного питания задается дискретно, ступенями в зависимости от количества используемых ячеек и может изменяться плавно при изменении коэффициента передачи регулируемого делителя напряжения 11. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет устранить недостатки прототипа.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 637928, Н02М 7/12, опубл. 15.12.1978 г., бюллетень №46.
2. Авторское свидетельство SU №1166242, Н02М 7/12, опубл. 07.07.1985 г., бюллетень №25.
3. Авторское свидетельство SU №1182613, Н02М 7/10, опубл. 30.09.1985 г., бюллетень №36.
4. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - Радио и связь. 1987.