Бестрансформаторный источник электропитания

 

Использование: во вторичных источниках электропитания, в частности, предназначенных для питания электронных счетчиков электроэнергии электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети. Сущность изобретения: устройство содержит узел гашения избыточного напряжения, выполненный в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току, мостовой выпрямитель, фильтр и двухступенчатый стабилизатор напряжения с узлом стабилизации тока задающего элемента второй ступени и операционным усилителем, питаемым от первой ступени, выход которого подключен к выводу для подключения первой нагрузки. Инвертирующий вход операционного усилителя подключен через резисторы к выводам для подключения первой и второй нагрузок, а неинвертирующий через равные резисторы - к выводам для подключения источника питания. Устройство может содержать два мостовых выпрямителя, выходы которых соединены согласно и параллельно, а каждая секция узла гашения избыточного напряжения содержит последовательно соединенные резистор и конденсатор, подключенные общей точкой к соответствующему выводу до подключения источника питания, а свободные выводы резисторов и конденсаторов первой и второй секции узла гашения избыточного напряжения соединены с входами соответственно первого и второго мостовых выпрямителей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к вторичным источникам электропитания, в частности, предназначенным для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети.

Основной особенностью таких устройств является необходимость обрабатывать сигнал, пропорциональный питающему напряжению, т.е. необходимость фиксации потенциала одной из выходных точек источника относительно напряжения контролируемой сети.

Известны источники питания, содержащие трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Наличие трансформатора позволяет при необходимости соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако именно наличие трансформатора является основным недостатком таких источников, увеличивающим их габариты и стоимость (1).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является бестрансформаторный источник питания, содержащий узел гашения избыточного напряжения (резистор или чаще конденсатор), выпрямитель, фильтр и стабилизатор (2). При двухполупериодном выпрямлении такие источники не имеют фиксированнного потенциала одной из выходных точек относительно питающего напряжения.

При однополупериодном выпрямлении (1) такая фиксация есть, однако вдвое уменьшается выходная мощность источника и возрастают пульсации выходного напряжения.

Задачей изобретения является создание бестрансформаторного источника электропитания с фиксацией потенциала одной из выходных точек относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения и с двухполупериодным выпрямителем.

Поставленная задача решается в бестрансформаторном источнике питания, содержащем узел гашения избыточного напряжения, первый мостовой выпрямитель, выход которого через фильтр подключен к стабилизатору напряжения, причем узел гашения избыточного напряжения выполнен в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включенными соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и выходом первого мостового выпрямителя, а стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, причем вторая ступень включает в себя задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, выводы питания которого соединены с выходом первой ступени стабилизатора напряжения, причем выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки, инвертирующий вход через введенный первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через введенный второй резистор с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход операционного усилителя чеpез введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания.

Именно за счет выполнения узла гашения избыточного напряжения в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включением их соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входом первого мостового выпрямителя, а также выполнения стабилизатора напряжения двухступенчатым, вторая ступень которого содержит задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента, операционный усилитель и введенные четыре резистора с вышеуказанным соединением между собой и с другими элементами схемы, осуществляется фиксация потенциала одной из выходных клеммзаявляемого устройства относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения и двухполупериодное выпрямление.

Действительно, разбиение узла гашения избыточного напряжения на две секции в значительной степени симметрирует выходное напряжение источника относительно точки с потенциалом половины напряжения сети при смене его полярности, введение операционного усилителя позволяет отслеживать потенциал одной из выходных клемм источника относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения, а выполнение стабилизатора напряжения двухступенчатым и введение узла стабилизации тока задающего элемента второй ступени стабилизации позволяет исключить пульсации выходного напряжения источника, вызванные некоторым смещением выходного напряжения первой ступени относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения при смене его полярности, а в целом указанные технические решения позволяют зафиксировать потенциал одной из выходных клемм источника питания относительно точки с потенциалом половины напряжения сети при двухполупериодном выпрямлении.

На фиг.1 дана принципиальная электрическая схема предлагаемого источника, например, с транзисторным узлом стабилизации тока задающего элемента второй ступени стабилизатора; на фиг.2 принципиальная электрическая схема стабилизатора выходного напряжения источника, в котором вторая ступень выполнена на операционном усилителе с внутренней стабилизацией тока задающего элемента; на фиг.3 принципиальная электрическая схема источника с двумя мостовыми выпрямителями, в котором каждая секция узла гашения избыточного напряжения состоит из резистора и конденсатора.

Устройство (фиг.1) содержит две одинаковые секции 1 (резистор или конденсатор) узла 2 гашения избыточного напряжения, мостовой выпрямитель 3, фильтр 4, двухступенчатый стабилизатор 5 выходного напряжения, в котором первая ступень выполнена на стабилитроне 6. Вторая ступень стабилизации выполнена по схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из эмиттерного повторителя на транзисторе 7, задающего элемента (стабилитрона 8), и узла 9 стабилизации тока задающего элемента, выполненного по известной схеме (1) токового зеркала (транзистор 10, диод 11, резисторы 12-14). Стабилизатор 5 также содержит операционный усилитель 15, выход которого подключен к выходной клемме 16. Инвертирующий вход усилителя 15 подключен через резисторы 17 и 18 к выходным клеммам 19 и 16 соответственно, а неинвертирующий вход через равные резисторы 20 и 21 подключен к сети (клеммы 23 и 22).

Вторая ступень стабилизации (фиг.2) может быть выполнена также на базе операционного усилителя 24, инвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя (резисторы 25, 26) выходного напряжения стабилизатора, а неинвертирующий к задающему стабилитрону 8 и токостабилизирующему узлу, состоящему из резистора 12 и диода 11, подключенному другим концом к выходной клемме 19.

Мостовой выпрямитель 3 может быть выполнен также в виде двух мостов 27 (фиг.3), выходы которых включены согласно и параллельно фильтру 4 и стабилизатору 5, а секции 1 узла гашения избыточного напряжения, состоящие из резистора 28 и конденсатора 29, подключены, с одной стороны, к клеммам 23 и 22, а с другой ко входам мостов 27.

Принцип работы устройства состоит в следующем.

Напряжение сети (как правило, 220 В) с помощью узла 2 гашения избыточного напряжения понижается, а затем выпрямляется, сглаживается и стабилизируется (элементы 3, 4, 5).

Напряжение первой ступени стабилизации (стабилитрон 6) поступает во вторую ступень для ослабления зависимости выходного напряжения от колебаний сетевого напряжения и фиксации потенциала клеммы 16 относительно точки с потенциалом половины сетевого напряжения.

Эта фиксация необходима для возможности подачи сигнала, пропорционального напряжению сети (непосредственно от клемм 23 и 22) в блоки обработки информации (на схеме не показаны), питаемые от данного источника.

Если рассматривать среднюю точку равных резисторов 21 и 22 как "искусственный нуль" сетевого напряжения, то операционный усилитель 15 по принципу обратной связи фиксирует потенциал клеммы 16 относительно "искусственного нуля" при смене полярности напряжения сети, изменения его амплитуды и других дестабилизирующих факторах.

Таким образом, стабилизатор 5 можно рассматривать как систему авторегулирования, в которой стабилизируется выходное напряжение источника и фиксируется потенциал одной из его выходных клемм.

Для правильной работы устройства необходимо обеспечить зону возможных изменений потенциалов клемм 16 и 19 без выхода системы регулирования "на упор". Это достигается соответствующим выбором напряжений стабилизации первой и второй ступени, а также симметрированием напряжений первой ступени относительно "искусственного нуля" путем разбиения узла гашения избыточного напряжения на две одинаковые секции 1, устанавливаемые в каждый провод соответственно между клеммами 22 и 23 и входами выпрямителя 3. Кроме того, для исключения зависимости выходного напряжения стабилизатора, связанной с возможным изменением тока в стабилитроне 8 при изменении напряжения между катодами стабилитронов 6 и 8, применяется узел 9 стабилизации тока в стабилитроне 8 на базе схемы токового зеркала (элементы 10, 11, 12, 13), у которого ток коллектора транзистора 10 в линейном режиме задается элементами 6, 10-14, и практически не зависит от напряжения коллектор-база. При равных резисторах 17, 18 выходное напряжение источника (клеммы 16 и 19) оказывается симметричным, например, +6 В (клемма 19) и -6 В(клемма 16) относительно "искусственного нуля". Если резистор 18 закоротить, то потенциал клеммы 16 будет равен "искусственному нулю".

В ряде случаев бывает целесообразным, чтобы выходное напряжение второй ступе ни было больше, чем имеет задающий стабилитрон 8. Тогда можно применить в качестве второй ступени стабилизатора известную (1) схему, на базе операционного усилителя 24 (фиг.2), в которой стабилизация тока осуществляется подключением токозадающей цепи резистор 12 и диод 11 к выходу стабилизатора.

Если необходимо иметь двухканальный источник с симметричными разнополярными напряжениями относительно "искусственного нуля", тогда резисторы 17 и 18 делают равными и среднюю точку резисторов 20 и 21 подключают к усилителю 15 через промежуточный повторитель 30, как показано пунктиром в качестве примера на фиг.2.

Выходную мощность предлагаемого источника можно увеличить примерно в 1,4 раза без увеличения полной потребляемой от сети мощности, если выпрямитель выполнить в виде двух мостов 27 и каждую секцию 1 выполнить из резистора 28 и конденсатора 29 с равными сопротивлениями по переменному току и включить, как показано на фиг.3. В этом случае благодаря сдвигу тока в конденсаторе 29 на 90^o относительно тока в резисторе 28 при том же действующем значении тока, потребляемом от сети, средне-выпрямленное значение тока на выходе выпрямителя отказывается в 1,4 раза выше, чем в схеме на фиг.1.

Эта схема позволяет также значительно уменьшить емкости фильтра 4, т.к. мгновенное значение выпрямленного тока не снижается ниже уровня 0,7 амплитудного значения.

Испытания лабораторного образца предлагаемого устройства подтвердили его полную работоспособность и решение поставленной задачи.

Формула изобретения

1. Бестрансформаторный источник электропитания, содержащий узел гашения избыточного напряжения, первый мостовой выпрямитель, выход которого через фильтр подключен к стабилизатору напряжения, отличающийся тем, что узел гашения избыточного напряжения выполнен в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включенными соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входом первого мостового выпрямителя, а стабилизатор напряжения выполнен двуступенчатым, причем его вторая ступень включает в себя задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, выводы питания которого соединены с выходом первой ступени стабилизатора напряжения, причем выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки, инвертирующий вход через введенный первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через введенный второй резистор с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход операционного усилителя через введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что в него введен второй мостовой выпрямитель, причем выходы первого и второго мостовых выпрямителей соединены согласно и параллельно, а каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных общей точкой к соответствующему выводу для подключения источника питания, а свободные выводы резисторов и конденсаторов первой и второй секций узла гашения избыточного напряжения соединены с входами соответственно первого и второго мостовых выпрямителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3