Бестрансформаторный источник постоянного тока

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока. Бестрансформаторный источник постоянного тока содержит две параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к фазному и нулевому проводникам сети, к которым подключены также однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров. Параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения. Технический результат - упрощение конструкции и существенное уменьшение активной составляющей потребляемой энергии. Упрощение конструкции связано с исключением из схемы низковольтного источника постоянного тока понижающего трансформатора, включаемого к сети переменного тока. Учет электроэнергии, проводимый с помощью электросчетчика активной энергии, покажет лишь около 20% от реально потребляемой энергии в заявляемой схеме, поскольку последняя представляет собой комплексную нагрузку для сети переменного тока с подавляющей долей реактивной составляющей энергии емкостного типа. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока.

В приборах бытовой техники нашли широкое применение низковольтные источники постоянного тока, подключаемые к сети переменного тока 220 В 50 Гц. Основными элементами таких источников являются понижающие трансформаторы, выпрямительные схемы и фильтры нижних частот [1].

Одним из недостатков таких устройств является применение в них понижающих трансформаторов.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является упрощение конструкции и существенное уменьшение активной составляющей потребляемой энергии от источника переменного тока по сравнению с энергией постоянного тока в активной нагрузке.

Указанные цели достигаются в заявляемом бестрансформаторном источнике постоянного тока, содержащем однополупериодные выпрямители и конденсатор фильтра нижних частот, отличающемся тем, что включает две параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к сетевому источнику переменного тока - соответственно к его фазному и нулевому проводникам, к которым подключены также указанные выше однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров, кроме того, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения.

Достижение указанных целей объясняется отсутствием в схеме источника понижающего трансформатора, а также комплексным характером устройства для сетевого источника переменного напряжения, в котором доля реактивной (емкостной) составляющей является доминирующей.

Схема устройства представлена на рис.1, а действие его поясняется диаграммами напряжений, представленными на рис.2.

Схема источника включает следующие элементы:

Д₁ - выпрямительный диод первой зарядной цепи,

C₁ - накопительный конденсатор первой зарядной цепи,

Д₂ - выпрямительный диод второй зарядной цепи,

C₂ - накопительный конденсатор второй зарядной цепи,

Д₃ - разделительный диод второй зарядной цепи,

Д₄ - разделительный диод первой зарядной цепи,

T₁ - тиристор второй зарядной цепи,

T₂ - тиристор первой зарядной цепи,

S₁ - стабилитрон запуска тиристора Т₁ второй зарядной цепи,

S₂ - стабилитрон запуска тиристора Т₂ первой зарядной цепи,

С₃ - конденсатор фильтра нижних частот,

S₃ - стабилитрон защиты от перенапряжения на конденсаторе С₃.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Переменное напряжение электрической сети (рис.2,а) с периодом Т и амплитудой U_o прикладывается через стабилитроны запуска S₁ и S₂ к параллельно включенным однополупериодным выпрямительным цепям из выпрямительных диодов Д₁ (Д₂) и накопительных конденсаторов C₁ (С₂) соответственно. Последние заряжаются попеременно от положительных и отрицательных полуволн сетевого переменного напряжения до амплитудных значений U_o в течение времени четверти периода Т/4, как это видно из рис.2,b и 2,с. Разряд этих конденсаторов через соответствующие разделительные диоды Д₄ (Д₃) и тиристоры Т₂ (T₁) на конденсатор фильтра нижних частот С₃ происходит поочередно: когда в первой четверти положительной полуволны сетевого напряжения происходит заряд накопительного конденсатора C₁ и далее сохраняется неизменным и равным U_o до момента времени (Т/2)+Δt₁, как это видно на рис.2,b, от указанного момента времени происходит разряд накопительного конденсатора С₂ на конденсатор фильтра нижних частот С₃, наоборот, во время заряда от отрицательного полупериода сетевого напряжения накопительного конденсатора С₂ происходит разряд с накопительного конденсатора C₁ на конденсатор фильтра нижних частот С₃. Причем разряд накопительного конденсатора C₁ осуществляется при открытии тиристора Т₂, а для разряда накопительного конденсатора С₂ открывается тиристор T₁. Указанные тиристоры поочередно открываются управляющими напряжениями, образующимися на стабилитронах запуска S₂ и S₁ соответственно.

Временные диаграммы напряжений на накопительных конденсаторах u_C1(t) и u_C2(t) представлены на рис.2,b и 2,с. Когда напряжение сети достигает некоторого небольшого уровня, соответствующего напряжению пробоя стабилитронов запуска S₁ для положительного полупериода и стабилитрона запуска S2 для отрицательного полупериода, открываются тиристоры T₁ и Т₂ соответственно через интервал времени Δt₁. Разряд накопительных конденсаторов C₁ и C₂ поочередно и в соответствующие полупериоды сетевого напряжения на конденсатор фильтра нижних частот С₃ происходит быстро в течение времени Δt₂, как это видно на рис.2,d. Частота подзарядов конденсатора С₃ равна 2F=2/T.

Важно отметить, что емкость конденсатора фильтра нижних частот С₃ выбирают во много раз большей емкости накопительных конденсаторов C₁ и C₂, как это следует из соотношения С₃>>C₁=С₂. Нетрудно понять, что при этом напряжение U_H на конденсаторе фильтра нижних частот С₃ оказывается существенно меньше амплитуды сетевого напряжения U_o. Действительно, энергия заряженного накопительного конденсатора W₁, как известно, определяется выражением W₁=C₁U_o ²/2. С учетом неравенства С₃>>C₁ можно считать, что при разряде накопительного конденсатора на конденсатор фильтра нижних частот практически вся энергия W₁ передается на конденсатор фильтра нижних частот, энергия которого становится приблизительно равной W_Ф≈C₃U_H ²/2. Из этого следует величина так называемого коэффициента трансформации напряжения в такой схеме, равная k=U_H/U_o≈(C₁/С₃)^1/2.

Величина емкости накопительных конденсаторов C₁ и С₂ определяет мощность источника постоянного тока Р=F C₁ U_o ²≈U_H ²/R_H, где R_H - сопротивление нагрузки (рис.1). Средний ток в нагрузке I=U_{H CP}/R_н (см. рис.2).

При отключении нагрузки напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот С₃ будет возрастать, и этот низковольтный конденсатор электролитического типа может разрушиться от пробоя. Чтобы предотвратить опасность разрушения этого конденсатора, параллельно ему устанавливают стабилитрон защиты от перенапряжения S₃ с напряжением пробоя (стабилизации) несколько большим расчетного напряжения U_H. Поэтому при подключенной нагрузке R_H этот стабилитрон не работает (является непроводящим). Рабочий ток через стабилитрон защиты S₃ при отключенной нагрузки должен быть порядка тока I.

Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.

Пусть устройство подключено к сети напряжением 220 В, при этом U_о=310 В. Если емкости накопительных конденсаторов выбрать равными C₁=С₂=30 мкФ с рабочим напряжением 400 В, то для получения выходного напряжения U_H=12 В емкость конденсатора фильтра нижних частот С₃ следует выбрать равной

С₃=C₁ (U_o/U_н)²≈20000 мкФ. Мощность такого источника питания с напряжением 12 В равна Р≈144 Вт, рассеиваемая в нагрузке R_н=1 Ом (ток в нагрузке 12 А).

Расчеты показали, что данная схема для источника переменного напряжения представляет собой комплексную нагрузку, активная составляющая потребляемой энергии которой существенно меньше реактивной (емкостной) с соотношением приблизительно 1:4 и, следовательно, электросчетчик активной энергии, как правило устанавливаемый в квартирах и частных домах граждан, покажет лишь 20% от реально потребленной энергии от сети переменного тока. Действительно, когда сетевое напряжение достигает максимума (величины U_o), ток в накопительном конденсаторе равен нулю, хотя он максимален в случае чисто активной нагрузки. Правильный учет расходуемой от сети энергии электрического тока возможен при установке дополнительно последовательно подключенного электросчетчика реактивной энергии. Если совместно с рассматриваемой схемой в том же помещении работают электродвигатели с малым cosφ, то возможна полная или частичная компенсация реактивностей (емкостной и индуктивной), и учет энергии электросчетчиком активной энергии будет более правильным.

Возможна дополнительная электронная фильтрация выходного постоянного тока с помощью широко известных схем.

Заявляемое устройство может найти спрос у разработчиков бытовых электронных приборов - телевизоров, компьютеров, музыкальных центров, радиотелефонов, светильников на светодиодных матрицах и др.

Заявляемое техническое решение следует запатентовать в основных зарубежных странах по соображениям экономической целесообразности.

Литература

1. 750 практических электронных схем. Справочное руководство под ред. Р.Фелпса, пер. с англ. В.А.Логинова, М., «Мир», 1986, с.3-40.

Бестрансформаторный источник постоянного тока, содержащий однополупериодные выпрямители и конденсатор фильтра нижних частот, отличающийся тем, что включает две параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к сетевому источнику переменного тока - соответственно к его фазному и нулевому проводникам, к которым подключены также указанные выше однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров, кроме того, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения.