УСТРОЙСТВО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ARRANGEMENT OF DIRECT CURRENT POWER SUPPLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству источника питания постоянного тока, которое повышает коэффициент мощности источника питания.
Предшествующий уровень техники
Известны устройства источника питания постоянного тока, в которых выпрямительная схема подключена к источнику питания переменного тока через дроссель (см., например, японский патент №3570835). В таком устройстве источника питания постоянного тока короткозамкнутый контур для источника питания переменного тока формируется дросселем только в течение короткого времени после того, как напряжение источника питания переменного тока пройдет точку пересечения нуля, что повышает коэффициент мощности источника питания.
Краткое изложение существа изобретения
Вышеупомянутая выпрямительная схема имеет четыре диода, соединенных по мостовой схеме, и осуществляет двухполупериодное выпрямление напряжения источника питания переменного тока. В этой выпрямительной схеме ток протекает через два диода в то время, когда промышленный источник питания переменного тока остается на положительном уровне, и протекает через другие два диода в то время, когда промышленный источник питания переменного тока остается на отрицательном уровне.
Когда ток одновременно протекает через два из диодов выпрямительной схемы, количество теплоты, выделяемое выпрямительной схемой, возрастает. Поэтому для выпрямительной схемы требуется средство рассеивания большого количества теплоты. Однако если предусмотрено средство рассеивания большого количества теплоты, устройство источника питания постоянного тока будет больше, и его стоимость будет увеличиваться.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства источника питания постоянного тока, в котором количество теплоты, выделяемое выпрямительной схемой, можно снизить, и, таким образом, уменьшить размер средства рассеивания тепла или исключить средство рассеивания тепла из выпрямительной схемы.
Устройство источника питания постоянного тока согласно изобретению включает в себя
дроссель;
первую выпрямительную схему, имеющую пару входных клемм для подключения к источнику питания переменного тока через дроссель, множество диодов, предназначенных для выпрямления напряжения, подаваемого на входные клеммы, и пару выходных клемм, предназначенных для вывода напряжения, выпрямленного диодами, причем одна из выходных клемм предназначена для подключения к одному концу нагрузки;
вторую выпрямительную схему, имеющую пару входных клемм для подключения к источнику питания переменного тока через дроссель, множество диодов, предназначенных для выпрямления напряжения, подаваемого на входные клеммы, и пару выходных клемм, предназначенных для вывода напряжения, выпрямленного диодами, причем одна из выходных клемм предназначена для подключения к другому концу нагрузки;
переключающий элемент, предназначенный для образования короткозамкнутого контура для источника питания переменного тока, совместно с дросселем, одним из диодов первой выпрямительной схемы и диодов второй выпрямительной схемы; и
блок управления, сконфигурированный для включения переключающего элемента в течение короткого времени после того, как напряжение источника питания переменного тока пройдет точку пересечения нуля, тем самым, образуя короткозамкнутый контур; и
при этом нагрузка подключена между выходной клеммой на положительной стороне первой выпрямительной схемы и выходной клеммой на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию первого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию второго варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию третьего варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию четвертого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию пятого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 изображает блок-схему, демонстрирующую конфигурацию шестого варианта осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления
Опишем первый вариант осуществления этого изобретения.
Согласно фиг.1 пара входных клемм 13a и 13b первой выпрямительной схемы 13 подключена к промышленному источнику 11 питания переменного тока через дроссель 12. Первая выпрямительная схема 13 имеет пару входных клемм 13a и 13b, четыре диода D1, D2, D3 и D4, соединенные по мостовой схеме, для достижения двухполупериодного выпрямления, выходную клемму 13c на положительной стороне и выходную клемму 13d на отрицательной стороне. Первая выпрямительная схема 13 выпрямляет напряжение переменного тока, поступающее на входные клеммы 13a и 13b, и выводит выпрямленное, таким образом, напряжение через выходные клеммы 13c и 13d.
Пара входных клемм 16a и 16b второй выпрямительной схемы 16 подключена к промышленному источнику питания переменного тока 11 через дроссель 12. Вторая выпрямительная схема 16 имеет пару входных клемм 16a и 16b, четыре диода D1, D2, D3 и D4, соединенные по мостовой схеме, для достижения двухполупериодного выпрямления, выходную клемму 16c на положительной стороне и выходную клемму 16d на отрицательной стороне. Вторая выпрямительная схема 16 выпрямляет напряжение переменного тока, поступающее на входные клеммы 16a и 16b, и выводит выпрямленное, таким образом, напряжение через выходные клеммы 16c и 16d.
Между выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13 и выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16 подключены сглаживающий конденсатор 14 и нагрузка 15.
Пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на положительном уровне ток протекает через сглаживающий конденсатор 14 и нагрузку 15 по контуру, образованному одним концом промышленного источника 11 питания переменного тока, дросселем 12, одной входной клеммой 13a первой выпрямительной схемы 13, диодом D1 первой выпрямительной схемы 13 и выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13. Пройдя через сглаживающий конденсатор 14 и нагрузку 15, ток протекает к другому концу промышленного источника 11 питания переменного тока по контуру, образованному выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16, диодом D4 второй выпрямительной схемы 16 и другой входной клеммой 16b второй выпрямительной схемы 16.
Пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на отрицательном уровне ток протекает через сглаживающий конденсатор 14 и нагрузку 15, по контуру, образованному другим концом промышленного источника 11 питания переменного тока, другой входной клеммой 13b первой выпрямительной схемы 13, диодом D2 первой выпрямительной схемы 13 и выходной клеммой 13c положительной стороны первой выпрямительной схемы 13. Пройдя через сглаживающий конденсатор 14 и нагрузку 15, ток протекает к одному концу промышленного источника 11 питания по контуру, образованному выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16, диодом D3 второй выпрямительной схемы 16, одним концом входной клеммы 16a второй выпрямительной схемы 16 и дросселем 12.
К выходной клемме 16c положительной стороны второй выпрямительной схемы 16, подключен переключающий элемент. Например, коллектор транзистора 17 подключен к выходной клемме 16c положительной стороны. Эмиттер транзистора 17 подключен к выходной клемме 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13. Транзистор 17 может быть биполярным транзистором, IGBT или MOSFET. Блок управления 20, предназначенный для приведения в действие и управления транзистором 17 и, таким образом, для повышения коэффициента мощности, подключен к промышленному источнику 11 питания переменного тока.
Дроссель 12, первая выпрямительная схема 13, сглаживающий конденсатор 14, вторая выпрямительная схема 16 и блок управления 20 образуют устройство источника питания постоянного тока.
Блок управления 20 открывает транзистор 17 только в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока, подаваемое из промышленного источника 11 питания переменного тока, пройдет точку пересечения нуля. Если транзистор 17 остается открытым, формируется короткозамкнутый контур для промышленного источника 11 питания переменного тока. Этот короткозамкнутый контур содержит дроссель 12, один из диодов второй выпрямительной схемы 16, транзистор 17 и один из диодов первой выпрямительной схемы 13.
Таким образом, если напряжение переменного тока, подаваемое из промышленного источника 11 питания переменного тока, падает от положительного уровня до отрицательного уровня и проходит точку пересечения нуля, транзистор 17 открывается только в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. Пока транзистор 17 остается открытым, ток короткого замыкания протекает, как показано штрихпунктирной стрелкой, от одного конца промышленного источника питания 11 переменного тока к другому концу промышленного источника 11 питания переменного тока, по контуру, образованному дросселем 12, одной входной клеммой 16a второй выпрямительной схемы 16, диодом D1 второй выпрямительной схемы 16, выходной клеммой 16c на положительной стороне второй выпрямительной схемы 16, переходом коллектор-эмиттер транзистора 17, выходной клеммой 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13, диодом D4 первой выпрямительной схемы 13 и другой входной клеммой 13b первой выпрямительной схемы 13.
Если напряжение переменного тока, подаваемое из промышленного источника 11 питания переменного тока, возрастает от отрицательного уровня до положительного уровня и проходит точку пересечения нуля, транзистор 17 открывается также только в течение короткого времени после того, как напряжение пройдет точку пересечения нуля. В этом случае пока транзистор 17 остается открытым, ток короткого замыкания протекает от другого конца промышленного источника 11 питания переменного тока по промышленному источнику 11 питания переменного тока по контуру, образованному другой входной клеммой 16b второй выпрямительной схемы 16, диодом D2 второй выпрямительной схемы 16, выходной клеммой 16c на положительной стороне второй выпрямительной схемы 16, переходом коллектор-эмиттер транзистора 17, выходной клеммой 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13, диодом D3 первой выпрямительной схемы 13, одной входной клеммой 13a первой выпрямительной схемы 13, дросселем 12 и одним концом промышленного источника 11 питания переменного тока.
Таким образом, короткозамкнутый контур временно формируется только в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока, подаваемое из промышленного источника 11 питания переменного тока, пройдет точку пересечения нуля. Это повышает коэффициент мощности источника питания. Повышение коэффициента мощности, обусловленное формированием короткого замыкания, не будет описано здесь, поскольку оно общеизвестно из уровня техники, что следует из вышеупомянутой публикации.
Как указано выше, пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на положительном уровне, ток протекает только через диод D1, т.е. один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13, и только через диод D4, т.е. один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16. Пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на отрицательном уровне, ток протекает только через диод D2, т.е. один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13, и только через диод D3, т.е. один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16. В случае формирования короткозамкнутого контура для повышения коэффициента мощности источника питания ток протекает через один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16 и через один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13.
Поскольку ток протекает только через один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13 и только через один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16, количество теплоты, выделяемое выпрямительными схемами 13 и 16, можно уменьшить. Таким образом, необязательно обеспечивать средство рассеивания большого количества теплоты для выпрямительных схем 13 и 16.
Благодаря тому, что необязательно обеспечивать средство рассеивания большого количества теплоты для выпрямительных схем 13 и 16, можно препятствовать увеличению размера устройства источника питания постоянного тока и увеличению его стоимости.
Второй вариант осуществления
Второй вариант осуществления настоящего изобретения будет описан со ссылкой на фиг.2. Компоненты, идентичные показанным на фиг.1, обозначены теми же позициями и не будут подробно описаны.
Согласно фиг.2 первая выпрямительная схема 13 не имеет элементов, эквивалентных диодам D3 и D4. Другими словами, первая выпрямительная схема 13 состоит только из двух диодов D1 и D2. Ток протекает через диод D1 от входной клеммы 13a к выходной клемме 13c на положительной стороне, пока входное напряжение переменного тока остается на положительном уровне. Ток протекает через диод D2 от другой входной клеммы 13b к выходной клемме 13c на положительной стороне, пока входное напряжение переменного тока остается на отрицательном уровне.
В результате выходная клемма 16c на положительной стороне второй выпрямительной схемы 16 подключена к коллектору транзистора 17. Поэтому эмиттер транзистора 17 подключен к выходной клемме на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16.
Когда блок управления 20 открывает транзистор 17, формируется короткозамкнутый контур для промышленного источника 11 питания переменного тока. Этот короткозамкнутый контур образован дросселем 12, одним из диодов второй выпрямительной схемы 16, транзистором 17 и другим диодом второй выпрямительной схемы 16.
Таким образом, если напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока возрастает от отрицательного уровня до положительного уровня и проходит точку пересечения нуля, транзистор 17 открывается только в течение короткого времени после того, как напряжение пройдет точку пересечения нуля. Когда транзистор 17 открыт, ток короткого замыкания протекает, как указано штрихпунктирной стрелкой, от одного конца промышленного источника 11 питания переменного тока к другому концу промышленного источника 11 питания переменного тока по контуру, образованному дросселем 12, одной входной клеммой 16a второй выпрямительной схемы 16, диодом D1 второй выпрямительной схемы 16, выходной клеммой 16c на положительной стороне второй выпрямительной схемы 16, переходом эмиттер-коллектор транзистора 17, выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16, диодом D4 второй выпрямительной схемы 16 и другой входной клеммой 16b второй выпрямительной схемы 16.
Когда напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока падает от положительного уровня до отрицательного уровня и проходит точку пересечения нуля, транзистор 17 открывается только в течение короткого времени после того, как напряжение пройдет точку пересечения нуля. Пока транзистор 17 остается открытым, ток короткого замыкания протекает от другого конца промышленного источника 11 питания переменного тока к одному концу промышленного 11 источника питания переменного тока, по контуру, образованному другой входной клеммой 16b второй выпрямительной схемы 16, диодом D2 второй выпрямительной схемы 16, выходной клеммой 16c на положительной стороне второй выпрямительной схемы 16, выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16, диодом D3 второй выпрямительной схемы 16, одной входной клеммой 16a второй выпрямительной схемы 16 и дросселем 12.
Таким образом, только в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока пройдет точку пересечения нуля, короткозамкнутый контур временно формируется для промышленного источника 11 питания переменного тока.
Как описано выше, пока переменный ток промышленного источника 11 питания переменного тока остается на положительном уровне, ток протекает только через диод D1, т.е. один из двух диодов первой выпрямительной схемы 13, и только через диод D4, т.е. один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16. Пока переменный ток промышленного источника 11 питания переменного тока остается на отрицательном уровне, ток протекает только через диод D2, т.е. один из двух диодов первой выпрямительной схемы 13, и только через диод D3, т.е. один из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16.
Поскольку ток протекает через только один диод первой выпрямительной схемы 13, и ток протекает через только один диод второй выпрямительной схемы 16, количество теплоты, выделяемое каждой из выпрямительных схем 13 и 16, можно уменьшить.
В случае формирования короткозамкнутого контура для повышения коэффициента мощности источника питания, токи действительно протекают через два из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16 в одно и то же время. Тем не менее, этот короткозамкнутый контур, сформированный для повышения коэффициента мощности источника питания, существует в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. Поэтому количество теплоты, выделяемое при прохождении токов через оба диода, мало.
Следовательно, средство рассеяния большого количества теплоты не нужно обеспечивать на выпрямительной схеме 13 или выпрямительной схеме 16. Это позволяет препятствовать увеличению размера устройства источника питания постоянного тока и увеличению его стоимости.
Третий вариант осуществления
Третий вариант осуществления является модификацией второго варианта осуществления.
Согласно фиг.3 первая выпрямительная схема 13 содержит четыре диода D1, D2, D3 и D4, как и в первом варианте осуществления. Во всех остальных аспектах конструкции и порядка работы третий вариант осуществления идентичен второму варианту осуществления. Таким образом, третий вариант осуществления не будет описан более подробно.
Четвертый вариант осуществления
Четвертый вариант осуществления настоящего изобретения будет описан со ссылкой на фиг.4. Компоненты, идентичные показанным на фиг.1, обозначены теми же позициями и не будут подробно описаны.
Согласно фиг.4 вторая выпрямительная схема 16 не имеет двух диодов D1 и D2. Таким образом, вторая выпрямительная схема 16 содержит только два диода D3 и D4. Пока напряжение переменного тока, подаваемое на них, остается на отрицательном уровне, диод D3 заставляет ток протекать от отрицательной входной клеммы 16d к одной входной клемме 16a. Пока напряжение переменного тока, подаваемое на них, остается на положительном уровне, диод D4 заставляет ток протекать от отрицательной входной клеммы 16d к другой входной клемме 16b.
Коллектор транзистора 17 подключен к выходной клемме 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13. Эмиттер транзистора 17 подключен к выходной клемме 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13.
Когда блок управления 20 открывает этот транзистор 17, дроссель 12 и один из диодов первой выпрямительной схемы 13, транзистор 17 и другой диод первой выпрямительной схемы 13 образуют короткозамкнутый контур для промышленного источника 11 питания.
Таким образом, напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания растет от отрицательного уровня до положительного уровня и проходит точку пересечения нуля, и транзистор 17 открыт в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. Пока транзистор 17 остается открытым, ток короткого замыкания протекает от одного конца промышленного источника 11 питания к другому концу промышленного источника 11 питания, как указано штрихпунктирной стрелкой на фиг.4, по контуру, образованному дросселем 12, входной клеммой 13a первой выпрямительной схемы 13, диодом D1 первой выпрямительной схемы 13, выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13, переходом эмиттер-коллектор транзистора 17, выходной клеммой 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13, диодом D4 первой выпрямительной схемы 13 и другой входной клеммой 13b первой выпрямительной схемы 13.
Когда напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока падает от положительного уровня до отрицательного уровня и проходит точку пересечения нуля, транзистор 17 открывается в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. В этом случае ток короткого замыкания также протекает от конца промышленного источника 11 питания к первому концу промышленного источника 11 питания, по контуру, образованному другой входной клеммой 13b первой выпрямительной схемы 13, диодом D2 первой выпрямительной схемы 13, выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13, переходом эмиттер-коллектор транзистора 17, выходной клеммой 13d на отрицательной стороне первой выпрямительной схемы 13, диодом D3 первой выпрямительной схемы 13, входной клеммой 13a первой выпрямительной схемы 13 и дросселем 12.
Таким образом, короткозамкнутый контур временно формируется для промышленного источника 11 питания переменного тока, только в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. Это повышает коэффициент мощности источника питания.
Как описано выше, пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на положительном уровне, ток протекает через диод D1, т.е. один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13, и ток протекает через диод D4, т.е. один из двух диодов второй выпрямительной схемы 16. Пока напряжение переменного тока промышленного источника питания 11 переменного тока остается на отрицательном уровне, ток протекает через диод D2, т.е. один из четырех диодов первой выпрямительной схемы 13, и ток протекает через диод D3, т.е. другой из двух диодов второй выпрямительной схемы 16.
Поскольку ток протекает только через один диод первой выпрямительной схемы 13, и ток протекает только через один диод второй выпрямительной схемы 16, количество теплоты, выделяемое каждой выпрямительной схемой, можно уменьшить.
В случае формирования короткозамкнутого контура для повышения коэффициента мощности источника питания, токи действительно протекают через два из четырех диодов второй выпрямительной схемы 16 в одно и то же время. Тем не менее, этот короткозамкнутый контур, сформированный для повышения коэффициента мощности источника питания, существует в течение короткого времени после того, как напряжение переменного тока пройдет точку пересечения нуля. Поэтому количество теплоты, выделяемое при прохождении токов через оба диода, мало.
Следовательно, средство рассеивания большого количества теплоты не нужно обеспечивать на выпрямительной схеме 13 или выпрямительной схеме 16. Это позволяет препятствовать увеличению размера устройства источника питания постоянного тока и увеличению его стоимости.
Пятый вариант осуществления
Пятый вариант осуществления является модификацией четвертого варианта осуществления.
Согласно фиг.6 вторая выпрямительная схема 16 содержит четыре диода D1, D2, D3 и D4, как и в первом варианте осуществления. Во всех остальных аспектах конструкции и порядка работы пятый вариант осуществления идентичен четвертому варианту осуществления. Таким образом, пятый вариант осуществления не будет описан более подробно.
Шестой вариант осуществления
Согласно фиг.6 последовательная цепь, состоящая из двух сглаживающих конденсаторов 14 и 18, подключена между выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13 и выходной клеммой 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16. Точка соединения сглаживающих конденсаторов 14 и 18 подключена к одной из клемм промышленного источника 11 питания переменного тока.
Первая выпрямительная схема 13, вторая выпрямительная схема 16 и сглаживающие диоды 14 и 18 образуют выпрямительную схему с удвоением напряжения.
Пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на положительном уровне, ток протекает от одного конца промышленного источника 11 питания переменного тока к сглаживающему конденсатору 14, как показано сплошной стрелкой на фиг.6, по контуру, образованному дросселем 12, одной входной клеммой 13a первой выпрямительной схемы 13, диодом D1 первой выпрямительной схемы 13 и выходной клеммой 13c на положительной стороне первой выпрямительной схемы 13. Пройдя через сглаживающий конденсатор 14, ток протекает к другому концу промышленного источника 11 питания переменного тока через точку соединения сглаживающих конденсаторов 14 и 18. Таким образом, сглаживающий конденсатор 14 заряжается.
Пока напряжение переменного тока промышленного источника 11 питания переменного тока остается на отрицательном уровне, ток протекает от другого конца промышленного источника 11 питания переменного тока к сглаживающему конденсатору 18, через точку соединения сглаживающих конденсаторов 14 и 18. Пройдя через сглаживающий конденсатор 18, ток протекает к одному концу промышленного источника 11 питания переменного тока через выходную клемму 16d на отрицательной стороне второй выпрямительной схемы 16, диод D3 второй выпрямительной схемы 16, одну входную клемму 16a второй выпрямительной схемы 16 и дроссель 12. Таким образом, сглаживающий конденсатор 18 заряжается.
Таким образом, сглаживающие конденсаторы 14 и 18 заряжаются попеременно. Таким образом, напряжение постоянного тока, примерно вдвое превышающее напряжение промышленного источника 11 питания переменного тока, подается на нагрузку 15.
Во всех остальных аспектах конструкции и порядка работы шестой вариант осуществления идентичен первому варианту осуществления. Таким образом, шестой вариант осуществления не будет описан более подробно.
Промышленная применимость
Любое устройство источника питания постоянного тока, отвечающее настоящему изобретению, можно использовать в различных электрических устройствах, работающих на постоянном токе.