ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР "ИМПУЛЬС"

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и электронике и может быть использована для преобразования напряжения однофазной сети переменного тока с понижающим коэффициентом для питания электроприборов однополярным пульсирующим током с формой пульсаций соответствующей закону синусоиды.
Сетевой выпрямитель напряжения, выполненный в виде мостового выпрямителя с конденсатором, установленным на выходе мостового выпрямителя, заложен в работу всех блоков питания с коэффициентом использования мощности сети 60-80%.
В источнике https://www.symmetron.ru/articles/brochures/SMPS.pdf рассмотрены все импульсные преобразователи, известные на сегодняшний день, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является прямоходовой (Forward) преобразователь.
Управление полевым транзистором заимствовано от импульсного блока питания, мощность 350 ватт с выходным двухполярным напряжением 35 вольт.
Блок питания предназначен для питания аудио усилителя и имеет защиту от короткого замыкания по выходу. Рабочая частота преобразователя напряжения составляет примерно 80 кГц. В качестве ШИМ контроллера используется микросхема UC3844. Она похожа на UC3842, но рабочий цикл ограничен менее чем на 50%. Схема содержит также импульсный трансформатор, оптрон, обеспечивающий обратную связь, дроссели и выпрямительный сетевой мост. На КПД и выходную мощность блока питания сильно влияет используемый мощный транзистор. Его нужно подобрать с возможно низким сопротивлением сток-исток и с напряжением не менее 800 вольт. Подойдут такие, как STW11NM80, SPP17N80C3, STW18NK80Z и им подобные. При сборке и наладке следует учитывать, что блок питания работает от сети 220 вольт.
(см.: https://zen.yandex.ru/media/toolelectric/impulsnyi-blok-pitaniia-2h35-volt-na-uc3844-5c0a16d541604d00a9113d56 Импульсный блок питания 2×35 вольт на UC3844).
Недостатком этой и аналогичных схем является форма тока, потребляемого от сети через выпрямитель с фильтрующим конденсатором. Это связано с тем, что ток через выпрямитель течет только в случае, когда напряжение в сети больше напряжения на фильтрующем конденсаторе. На практике зона проводимости выпрямителя ограничена примерно 15° в области пика напряжения. Следствием этого являются большие импульсы потребления тока с амплитудой, в несколько раз превышающей номинальное значение тока. Наличие пиков потребляемого от сети тока означает генерацию нечетных гармоник, появляется реактивная составляющая мощности. Это приводит к дополнительному нагреву и потерям в линиях электропередач. Также происходит искажение формы напряжения в питающей сети (обрезаются «верхушки»), что может привести к «перекосу» фаз (в трехфазной сети при неравномерной нагрузке) и появлению напряжения на нейтрали.
Технический результат полезной модели - создание преобразователя однофазной сети переменного тока, простого по конструкции и надежного в эксплуатации, обеспечивающего максимальный коэффициент мощности использования сети равного 96-98%.
Поставленный технический результат достигается тем, что электронный трансформатор, содержащий мостовой выпрямитель, импульсный трансформатор, ШИМ-контроллер, полевой транзистор, резисторы, конденсаторы, диоды, дополнительно содержит стабилитрон, n-p-n транзистор, положительный выход мостового выпрямителя, выполненного на диодах 1-4 через резистор 26 соединен с 7 выводом ШИМ-контроллера 33, который через резистор 29 и катод-анод диода 8 соединен с первым выводом выходной обмотки 14, второй вывод которой напрямую соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 10 и непосредственно с отрицательным выводом мостового выпрямителя, а также через конденсатор 21 катодом стабилитрона 9, анод которого соединен с отрицательным выводом мостового выпрямителя, катод диода 8 через конденсатор 20 соединен с отрицательным выводом мостового выпрямителя, катод стабилитрона 9 соединен с 7 выводом ШИМ-контроллера 33, концы обмотки 13 импульсного трансформатора 10 через последовательно соединенные анод-катод диода 6 и катод-анод диода 7 соединены между собой, точка соединения диодов 6 и 7 через дроссель 25 соединена с первым выводом резистора (нагрузки) 32, второй вывод которого соединен с анодом диода 7, нагрузка 32 шунтирована конденсатором 24, один конец обмотки 11 через конденсатор 19 соединен с обмоткой 12, точка соединения конденсатора 19 с обмоткой 12 через анод-катод диода 5 соединена с положительным выводом выпрямителя, к которому подключен один конец обмотки 11, сток полевого транзистора 15 соединен с точкой соединения обмотки 11 и конденсатора 19, затвор полевого транзистора 15 соединен через резистор 27 с отрицательным выводом мостового выпрямителя, а через переменный резистор 31 с эмиттером транзистора 16, средний вывод переменного резистора 31 соединен с 3 выводом ШИМ-контроллера 33, 4 вывод ШИМ-контроллера 33 соединен с базой транзистора 16, а через конденсатор 22 с отрицательным выводом мостового выпрямителя, а через резистор 30 с коллектором транзистора 16, который непосредственно соединен в выводом 8, а через конденсатор 23 с 2 выводом ШИМ-контроллера, который непосредственно соединен с отрицательным выводом мостового выпрямителя, 5 вывод ШИМ-контроллера 33 соединен с отрицательным выводом мостового выпрямителя, затвор полевого транзистора 15 непосредственно соединен с 6 выводом ШИМ-контроллера 33, а через резистор 28 с отрицательным выводом мостового выпрямителя, в диагонали которого включены конденсаторы 17 и 18, исключающих влияние импульсных помех.
Предлагаемый электронный трансформатор работает следующим образом. После подачи переменного напряжения однофазной сети через мостовой выпрямитель, образованный диодами, через резистор 26 начинает протекать ток зарядки конденсатора 21. Напряжение на конденсаторе 21 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на 7-ом выводе ШИМ-контроллера. Когда напряжение на 7-ом выводе достигнет порога включения ШИМ-контроллера, на 6-ой вывод начнут поступать импульсы управления транзистора 15. Когда транзистор 15 откроется, то через резистор 27 и обмотку 11 начнет протекать линейно нарастающий ток. Резистор 27 предохраняет транзистор 15 от перегрузки. В обмотках 13 и 14 протекает ток во время прямого хода, т.е. когда транзистор 15 открыт. В обмотке 14 протекает ток во время обратного хода, т.е. когда транзистор 15 закрыт, происходит размагничивание сердечника. Обмотка 14 и диод 8 формируют напряжение питания ШИМ-контроллера. Конденсатор 20 формирует однополярные пульсации промышленной частоты. Резистор 29 ограничивает ток через стабилитрон 9, который стабилизирует напряжение питания ШИМ-контроллера. Конденсатор 21 формирует постоянное напряжение. Обмотка 13 и диод 6 формируют напряжение питания нагрузки 32. Конденсатор 24 формирует однополярные пульсации промышленной частоты. Дроссель 25 и диод 7 поддерживают ток через нагрузку 32 во время обратного хода, т.е. когда транзистор 15 закрыт. Резистор 30 и конденсатор 24 формируют пилообразное напряжение и являются частотозадающими элементами. Транзистор 16 образует буферный каскад и исключает влияние на задающий генератор ШИМ-контроллера, резистором 31 устанавливается ширина импульса включения транзистора 16 для уменьшения коммутационных потерь, вызывающих дополнительный нагрев полевого транзистора.
В предлагаемой схеме не используется полярный конденсатор для сглаживания однополярных пульсаций промышленной частоты после сетевого выпрямителя. В выпрямителе напряжения обмотка 13 импульсного трансформатора 10, работает на нагрузку, не используется полярный конденсатор для сглаживания пульсаций промышленной частоты. Через нагрузку протекает однополярный пульсирующий ток синусоидальной формы промышленной частоты. Преобразователь напряжения используется вместо обычного понижающего трансформатора с сердечником из электротехнической стали, работающего на промышленной частоте. Масса и габариты предлагаемого электронного трансформатора на порядок меньше, чем у обычного трансформатора, работающего на промышленной частоте.
На текущий момент в преобразователях для повышения коэффициента мощности сети используют дроссель после выпрямителя и взаимно связанный с ним контроллер-корректор, об этом есть информация в (см.: https://www.symmetron.ru/articles/brochures/SMPS.pdf Корректоры коэффициента мощности (PFC). В предлагаемой схеме такой корректор коэффициента мощности (PFC) отсутствует.
Создание преобразователя однофазной сети переменного тока, простого по конструкции и надежного в эксплуатации, обеспечивающего максимальный коэффициент мощности использования сети, равного 96-98%, является достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с аналогами.