ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
AC INTO DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное.
Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в постоянное, выбранное в качестве аналога (патент US 6473318 на изобретение от 20.11.2000 г.). Данное устройство содержит первый, второй и третий диод, импульсный трансформатор с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, МДП-транзистор с n-каналом, первый и второй конденсаторы. Причем первый вывод первой первичной обмотки трансформатора присоединен к положительному входу преобразователя. Второй вывод присоединен к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первый вывод второй первичной обмотки трансформатора - к аноду первого диода, второй вывод второй первичной обмотки трансформатора - к катоду второго диода, при этом катод первого диода присоединен к положительному входу преобразователя, а анод второго диода - к отрицательному входу преобразователя, отрицательный вывод первого конденсатора присоединен между анодом первого диода и первым выводом второй первичной обмотки трансформатора, исток МДП-транзистора с n-каналом присоединен к отрицательному входу преобразователя, первый вывод вторичной обмотки соединен с анодом третьего диода. Второй вывод вторичной обмотки соединен с отрицательным выводом нагрузки, катод третьего диода соединен с положительным выводом нагрузки, второй конденсатор присоединен параллельно нагрузке.
Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии.
Известное устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, выбранное в качестве прототипа (патент US 6819575 на изобретение от 25.07.2002 г.). Данное устройство содержит входной выпрямительный диодный мост, первый и второй трансформаторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый диоды, первый и второй конденсаторы, выходной дроссель. Причем входные выводы диодного моста подключены к источнику переменного напряжения, положительный выходной вывод соединен с первым выводом первичной обмотки первого трансформатора, отрицательный выходной вывод соединен со стоком МДП-транзистора с n-каналом и отрицательным выводом накопительного конденсатора, Второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с анодами первого и второго диода. Катод первого диода соединен с истоком МДП-транзистора с n-каналом и с втором выводом первичной обмотки второго трансформатора. Катод второго диода соединен с положительным выводом накопительного конденсатора и с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с анодом третьего диода, второй вывод подключен к отрицательному выходному выводу. Катод третьего диода подключен к положительному выходному выводу. Первый вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к аноду четвертого диода, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора подключен к отрицательному выходному выводу. Катод четвертого диода подключен к первому выводу выходного дросселя. Второй вывод выходного дросселя подключен к положительному выходному выводу. Катод пятого диода подключен между катодом четвертого диода и первым выводом выходного дросселя, анод пятого диода подключен к отрицательному выходному выводу.
Недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия и низкая надежность за счет большого количества элементов, на которых происходит рассеивание энергии и выбросом напряжения на транзисторе от энергии, накопленной в индуктивности рассеивания обмотки трансформатора.
Технические результаты заявленного изобретения заключаются в увеличении надежности и повышении коэффициента полезного действия за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно.
упр1
упр2
Для достижения указанного технического результата устройство содержит первичную обмотку первого трансформатора, начало которой соединено с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со стоком первого МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U, исток которого соединен со вторым входом преобразователя. Начало первичной обмотки второго трансформатора соединено с анодом третьего диода, катод которого соединен с анодом четвертого диода, катод которого соединен со стоком второго МДП-транзистора с n-каналом, затвор которого является входом для управляющего сигнала U, исток которого соединен с первым входом преобразователя. Входной конденсатор подключен параллельно входам преобразователя. Первый вывод накопительного конденсатора подключен между катодом первого диода и анодом второго диода, второй вывод накопительного конденсатора подключен между катодом третьего диода и анодом четвертого диода. Начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к положительному выходу преобразователя, а конец подключен к отрицательному выходу преобразователя. Первый вывод выходного конденсатора подключен к положительному выходу преобразователя, второй вывод выходного конденсатора к отрицательному выходу преобразователя.
Изобретение поясняется схемами:
фиг. 1 - Структурная схема преобразования переменного напряжения в постоянное;
фиг. 2 - Временная диаграмма управления транзисторами в зависимости от входного и выходного напряжения преобразователя;
фиг. 3 - Форма токов в обмотках трансформаторов и форма выходного напряжения преобразователя в при подаче управляющих импульсов на транзисторы.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит:
1.1 - первый вход преобразователя;
1.2 - второй вход преобразователя;
2 - входной конденсатор;
3 - выходной конденсатор;
4 - накопительный конденсатор;
5 - первый МДП-транзистор с n-каналом;
6 - второй МДП-транзистор с n-каналом;
7.1 - первичная обмотка первого трансформатора;
7.2 - вторичная обмотка первого трансформатора;
8 - первый диод;
9 - второй диод;
10.1 - первичная обмотка второго трансформатора;
10.2 - вторичная обмотка второго трансформатора;
11 - третий диод;
12 - пятый диод;
13.1 - положительный выход преобразователя;
13.2 - отрицательный выход преобразователя.
14 - четвертый диод;
Функционирование заявляемого преобразователя переменного напряжения в постоянное происходит следующим образом.
упр1
упр2
упр1
упр1
В начальный момент времени входное напряжение преобразователя на входах 1.1 и 1.2 равно 0. Входной конденсатор 2, выходной конденсатор 3 и накопительный конденсатор 4 - заряжены. Далее величина напряжения начинает увеличивается. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U, который на протяжении всей положительной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 5 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.1 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 - диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5 - вход 1.2 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 9 - МДП-транзистор с n-каналом 5 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 -диод 9 - МДП-транзистора с n-каналом 5. Так как в этот момент выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 5 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора 10.1, через диод 11, диод 14, МДП-транзистор с n-каналом 6 восстанавливается в входной конденсатор 2. В то же время входной конденсатор 2 заряжается через вход преобразователя 1.1 и вход преобразователя 1.2.
упр2
упр1
упр2
упр2
Входное напряжение меняет полярность. Далее величина напряжения начинает уменьшаться. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 6 подается сигнал управления U, частота импульсов которого зависит от входного и выходного напряжения преобразователя и регулируется контроллером управления, как показано на фигуре 2. На затвор МДП-транзистора с n-каналом 5 подается сигнал управления U, который на протяжении всей отрицательной полуволны входного напряжения равен напряжению включения транзистора. В момент времени, когда значение сигнала управления U равно напряжению включения транзистора, сопротивление канала МДП-транзистора с n-каналом 6 уменьшается, вследствие чего по цепи вход преобразователя 1.2 - первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистор с n-каналом 6 - вход 1.1 начинает протекать ток. Одновременно с этим по цепи диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6 - первичная обмотка трансформатора 7.1 - диод 8 происходит разряд накопительного конденсатора 4. В то же время происходит разряд входного конденсатора 2 по цепи первичная обмотка трансформатора 10.1 - диод 11 - диод 14 - МДП-транзистора с n-каналом 6. Так как выпрямительный диод 12 закрыт, энергия накапливается в первом и втором трансформаторе, а выходной конденсатор 3 разряжается в нагрузку по цепи выход преобразователя 13.1 - выход преобразователя 13.2. После перехода сигнала U в выключенное состояние, МДП-транзистор с n-каналом 6 закрывается, напряжение в первичной обмотке трансформатора 7.1 и первичной обмотке трансформатора 10.1 меняет полярность, ток во вторичной обмотке трансформатора 7.2 и во вторичной обмотке трансформатора 10.2 начинает протекать через выпрямительный диод 12, начинает заряжать выходной конденсатор 3 и течь в нагрузку через выход преобразователя 13.1, нагрузку, выход преобразователя 13.2. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 10.1, через диод 11 восстанавливается в накопительный конденсатор 4. Энергия, запасенная в индуктивности рассеивания первой обмотки трансформатора 7.1, через диод 8, диод 9, МДП-транзистор с n-каналом 5 восстанавливается во входной конденсатор 2.
Повышение КПД в предлагаемом устройстве достигается за счет отсутствия входного выпрямительного диодного моста, тем самым уменьшая общее количество полупроводниковых элементов, по которым протекает входной ток преобразователя, и уменьшая падение напряжения на преодоление их р-n переходов, и за счет отсутствия выходного сглаживающего дросселя, потери на котором обусловлены падением напряжения на его омическом сопротивлении и затратами энергии на создание потока рассеивания и заряд паразитных емкостей.
Повышение надежности в предлагаемом устройстве достигается за счет уменьшения общего количества элементов, а также улучшения условий работы транзисторов с помощью схемы поглощения выброса энергии, накопленной индуктивностями рассеивания первичных обмоток трансформаторов.
Таким образом, использование предложенного технического решения в качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное за счет организации преобразователя для каждой половины периода входного переменного напряжения отдельно позволяет увеличить надежность и повысить коэффициент полезного действия.