Источник вторичного электропитания

 

Изобретение относится к устройствам преобразования переменного напряжения в постоянное со сниженным, по отношению к сетевому, выходным напряжением. Сетевое напряжение со входа (3) выпрямляется диодным мостом (1) и поступает в нагрузку (11), (12) и на подзаряд сглаживающего конденсатора (10). Снижение напряжения на выходе осуществляется конденсатором (К) (2) и схемой управления, выполненной на ИС (13), (14) и (15). Поддержание выходного напряжения неизменным при изменении мощности нагрузки или напряжения сети осуществляется при помощи транзистора (5), который включается при увеличении выходного напряжения свыше заданной нормы, которая определяется коэффициентом деления делителя напряжения (9) и верхним уровнем напряжения U_оп компаратора (15). При включении Т (5) обеспечивается непрерывность тока через К 2. Выключение Т (5) наступает в моменты времени, когда выходное напряжение устройства снизится ниже заданного уровня, определяемого коэффициентом деления делителя напряжения (9) и уровнем напряжения U_оп компаратора 15. Технический результат - исключаются импульсные токи через Т (5) и диодный мост (1), что повышает надежность. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям переменного (входного) напряжения в постоянное (выходное), которые обеспечивают снижение величины выходного напряжения по отношению ко входному.

Известны источники вторичного электропитания, у которых переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсаторным фильтром (Сергеев Б. С. Анализ ИВЭП с конденсаторным снижением напряжения // Техника средств связи. Сер. Средства вторичного электропитания. М.: ВНИИ Эталон.- 1992, вып. 2.- С. 10, рис.1, а). Недостатком таких источников питания является невысокая стабильность выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки и входного напряжения.

Повышение стабильности выходного напряжения обеспечивается при использовании источников вторичного электропитания с включением на выходе стабилитрона (Сергеев Б.С. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь.- 1994, N6.- С.25, рис. 1, а). Однако энергетическая эффективность, то есть КПД, подобных устройств невелики из-за высокой мощности рассеиваемой стабилитроном при больших сопротивлениях нагрузки, то есть при малых мощностях нагрузки.

Более высоким КПД обладают известные устройства, у которых введен диод, стабилитрон и тиристор, включающийся при достижении выходного напряжения заданного уровня и шунтирующий выход диодного моста (Сергеев Б.С. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь.- 1994, N 6.- С. 25, рис. 1, б). Недостатком такого источника вторичного электропитания является наличие больших импульсных токов, протекающих с выхода диодного моста через тиристор при его включении. Это обусловлено тем, что включение тиристора происходит в моменты времени наличия напряжения на выходе диодного моста.

Известны также источники вторичного электропитания с применением в схемах управления логических интегральных схем (ИС), в том числе и КМОП (Кадель В. И. Силовые электронные системы автономных объектов.- М.: Радио и связь. 1990.- С. 178, рис. 5.26).

Наиболее близким по схемотехнике и сущности происходящих процессов является источник вторичного электропитания, у которого в значительной степени уменьшены импульсные токи за счет того, что тиристор включается в моменты времени наличия достаточно малого значения напряжения на выходе диодного моста (Сергеев Б.С. Предельные возможности применения конденсаторных источников вторичного электропитания // Электросвязь.- 1996, N 2. 1996. С. 40, рис. 5 - прототип).

Это устройство обладает следующими недостатками. В схеме применен тиристор, включение которого невозможно при малых напряжениях на его электродах анод-катод, вследствие чего невозможно полное исключение импульсных токов. Использование в источнике вторичного электропитания тиристора и биполярного транзистора затрудняет реализацию схемы в интегральном виде из-за несовместимых технологических операций полупроводниковой технологии современных наиболее дешевых и распространенных КМОП ИС с тиристорами, или, в частности, с биполярными транзисторами.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно полное исключение импульсных токов на выходе диодного моста и использование однотипных полупроводниковых элементов, например, типа полевых транзисторов и КМОП ИС.

Указанная цель достигается тем, что выход диодного моста шунтируется полевым или биполярным транзистором, открывание которого не зависит от уровня напряжения на его силовых электродах. При этом, так как включение транзистора будет происходить даже при нулевом уровне напряжения на выходе диодного моста, то импульсные токи через него будут исключены полностью. Формирование сигнала на включение транзистора осуществляется при достаточно малом мгновенном значении напряжения на выходе диодного моста. Кроме того, для того, чтобы иметь возможность выполнить предлагаемую схему в виде монолитной ИС, в устройстве использованы логические элементы. Если использовать в качестве их логических КМОП ИС, то транзистор, для однотипности технологических процессов изготовления, наиболее целесообразно выполнить полевым. Аналогичные рассуждения можно распространить и на биполярные полупроводниковые элементы.

На чертеже приведена схема источника вторичного электропитания. Источник содержит диодный мост 1, входные выводы которого через последовательно включенный первый конденсатор 2 подключены к сети переменного напряжения 3. Положительный выходной вывод моста 1 подключен к аноду диода 4, к первому силовому электроду транзистора 5 и к первому выводу первого резистора 6. Отрицательный выходной вывод моста 1 соединен с первым выводом второго резистора 7, анодом стабилитрона 8, вторым силовым электродом транзистора 5, общим выводом делителя напряжения 9, первым выводом второго конденсатора 10 и с отрицательным выходом 11 источника вторичного электропитания, положительный выход 12 которого подключен ко второму выводу второго конденсатора 10, входу делителя напряжения 9 и к катоду диода 4. Вторые выводы первого 6 и второго 7 резисторов соединены с катодом стабилитрона 8 и с первым входом логического инвертора 13 типа ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к "R" входу RS-триггера 14 и инверсному выходу компаратора 15. Выход инвертора 13 соединен с "S" входом триггера 14, прямой выход которого подключен к управляющему электроду транзистора 5. Управляющий вход компаратора 15 соединен с выходом делителя напряжения 5.

Источник вторичного электропитания работает следующим образом. На вход 3 устройства подается синусоидальное переменное напряжение. Переменный ток, ограничиваемый первым конденсатором 2, выпрямляется диодным мостом 1 и через диод 4 поступает на выходные выводы 12,11 и на подзаряд второго конденсатора 10, осуществляющего сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. При наличии нагрузки на выводах 12, Ни при неработающей схеме предложенного устройства выходное напряжение источника вторичного электропитания зависит от сопротивления нагрузки. При увеличении сопротивления нагрузки оно возрастает, при уменьшении - падает.

Функция предложенного устройства заключается в том, чтобы шунтировать транзистором 5 выход диодного моста 1 в моменты времени когда выходное напряжение на выводах 11, 12 увеличивается свыше заданного уровня, который задается опорным напряжением U_оп компаратора 15.

Стабилитроном 8 формируется напряжение для управления транзистором 5. В моменты, когда синусоида сетевого напряжения на входе 3 проходит через нуль, напряжение на входе инвертора 13 кратковременно становится равным нулю. Если напряжение на выводах 11, 12 велико по сравнению с напряжением стабилизации стабилитрона 8, то длительность нулевого импульса на входе инвертора 13, или единичного импульса на его выходе, мала. Для обеспечения нулевого уровня входного сигнала на входе инвертора 13 при запертом стабилитроне 8 (когда напряжение мало) служит второй резистор 7. Резистор 6 служит для задания нормированного значения тока через стабилитрон 8.

При отсутствии на втором входе инвертора 13 единичного импульса, появляющийся на выходе инвертора 13 кратковременный единичный импульс подается на "S" вход триггера 14, что переключает последний в такое положение, что на его прямом выходе появляется единичный сигнал, открывающий транзистор 5. На схеме показан полевой транзистор, однако, принципиально здесь может использоваться также и биполярный транзистор, входная цепь которого может быть согласована с выходом триггера 14 при помощи известных схемотехнических решений.

Открывающийся транзистор 5 шунтирует выход диодного моста 1, чем нагрузка на выводах 11, 12 отключается от источника тока, и на этом интервале времени напряжение на нагрузке уменьшается за счет разряда второго конденсатора 10. Изменения напряжения на выходе источника вторичного электропитания через делитель напряжения 9 передаются на управляющий вход компаратора 15. Если выходное напряжение источника питания (выводы 11, 12) выше нормы задаваемой напряжением U_оп компаратора 15, то на его выходе будет нулевой сигнал, который не изменяет положение триггера 14 относительно рассматриваемого. Как только напряжение на выходе источника снизится до уровня U_оп компаратора 15, последний переключится и на его выходе появится единичный уровень сигнала. Это приведет к переключению триггера 14 в другое состояние, вследствие чего на его прямом выходе сигнал сменится с единичного на нулевой, что приведет к запиранию транзистора 5.

Конденсатор 10 начнет заряжаться от тока с выхода диодного моста 1 и напряжение на нагрузке (выводы 11, 12) будет увеличиваться. Для того, чтобы исключить включение транзистора 5 в ненадлежащие моменты времени при появлении коротких импульсов с выхода инвертора 13 служит связь с выхода компаратора 15 со вторым входом инвертора 13. В этом случае, если выходное напряжение составляет такую величину, при которой необходимо иметь запертое состояние транзистора 5, импульсами нулевого уровня, поступающими со стабилитрона 8, переключения выхода инвертора 13 в единичное состояние не происходит, и не происходит последующего переключения триггера 14 и последующего открывания транзистора 5.

Вместе с этим, включение транзистора 5 в надлежащие моменты времени происходит только в моменты времени, когда поступит нулевой импульс со стабилитрона 8 при одновременном отсутствии единичного импульса с выхода компаратора 15.

Таким образом, включение транзистора 5 происходит только при отсутствии мгновенного значения напряжения на выходе диодного моста 1, то есть при переходе синусоиды переменного напряжения сети 3 через нуль. Выключение транзистора 5 происходит в любой момент времени - при наличии или отсутствии напряжения синусоиды напряжения сети 3, и определяется только напряжением U_оп компаратора 15.

Следовательно, с одной стороны в устройстве исключаются импульсные токи через транзистор 5, с другой - быстродействие схемы сравнительно велико, так как моменты выключения транзистора 5 не определяются периодом (или полупериодом) частоты переменного напряжения сети 3, а зависит только от порогов срабатывания компаратора 15. В частном случае вместо традиционного компаратора аналоговых напряжений 15 может быть использован логический инвертор или последовательное включение нескольких из них (например, КМОП), питание которых должно производиться от источника стабильного напряжения. Тогда порог срабатывания такого "компаратора" будет примерно равен половине напряжения питания инвертора и регулирование выходного напряжения источника вторичного электропитания должно осуществляться изменением коэффициента деления делителя напряжения 9. Разумеется, точность поддержания напряжения на выходах 11, 12 источника вторичного электропитания будет ниже, чем при использовании традиционного компаратора. Однако во многих практических случаях подобной точности вполне достаточно. Другим вариантом замены аналогового компаратора может служить использование КМОП ИС триггера Шмитта.

Применение предложенного устройства позволяет повысить надежность его работы так как исключаются импульсные токи через транзистор 5 и диодный мост 1. Кроме того, улучшаются массогабаритные и экономические характеристики и повышается надежность работы устройства за счет реализации предлагаемой схемы в виде монолитной интегральной схемы.

Проверка принципа действия предлагаемого устройства выполнена на схеме, в которой использованы логические ИС серии 564, компаратор 521САЗ, при напряжении на выходе источника электропитания 40 В, выходной мощности 12 Вт, напряжении сети 220 В.

Формула изобретения

Источник вторичного электропитания, содержащий транзистор, резисторы, компаратор с источником опорного напряжения и диодный мост, входные выводы которого через последовательно включенный первый конденсатор соединены с сетью переменного напряжения, положительный выходной вывод диодного моста подключен к аноду диода, отрицательный выходной вывод соединен с отрицательным выходом источника вторичного электропитания и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к катоду диода и к положительному выходу источника вторичного электропитания, отличающийся тем, что катод диода соединен со входом делителя напряжения, а анод - с первым выводом первого резистора и с первым силовым электродом транзистора, второй силовой электрод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, общему выводу делителя напряжения, аноду стабилитрона и к первому выводу второго резистора, вторым выводом соединенного со вторым выводом первого резистора, катодом стабилитрона и с первым входом введенного логического инвертора ИЛИ - НЕ, второй вход которого подключен к выходу компаратора и к R входу RS-триггера, причем управляющий вход компаратора подключен к выходу делителя напряжения, S вход RS-триггера - к выходу логического инвертора ИЛИ - НЕ, а прямой выход RS-триггера - к управляющему электроду транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1