CN102386756A

CN102386756A - 一种工频开关电源

Info

Publication number: CN102386756A
Application number: CN2011103684856A
Authority: CN
Inventors: 任永斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-20
Filing date: 2011-11-20
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种工频开关电源，由交流电源、整流电路、电压检测电路、开关信号电路、开关执行电路、低压直流电源、负载组成，采用电压检测电路检测经整流电路整流形成的脉动高压直流电源的电压值，当该值低于或高于某一设定值，由开关信号电路产生控制信号去控制开关执行电路中的开关管的开或关；开关管可以是场效应管或三极管，开关信号电路由三极管或场效应管或运算放大器构成，本发明产生了一种除变压器、电容、高频开关电源、电阻四种方法外的全新的降压方法，电路结构简单、成本低廉，输出功率与电路成本增加关系不明显，与现有的高频开关电源相比，具有非常明显的优势，将在LED节能灯等需要低压直流电源的领域获得广泛使用。

Description

一种工频开关电源

所属技术领域

本发明涉及一种开关电源，尤其是使用开关电路实现的一种将工频交流电整流后直接使用开关管开关某一电压值，实现将高压交流电变为低压直流电的一种工频开关电源。

背景技术

要将高压交流电变为低压直流电，供低压负载使用，目前主要有四种方法：1、使用变压器将高压交流电降压成低压交流电，再整流滤波，这种方法很简单，但使用变压器成本高、笨重、体积大；2、使用电容降压，一般是将电容串联在交流电路中，利用电容的容抗，使电容上分得高压，负载电路分得相对低压，这种方法简单、成本低，但功率小、体积大；3、电阻降压，利用串联在交流电路中的电阻分得部分电压，负载分得部分电压，这种方法电阻要消耗电能，效率低；4、使用高频开关电源，该方法是目前使用很广泛的一种方法，但同样要使用高频变压器，由于工作频率远远超过工频，电路元件要求高、电路复杂、成本高。

发明内容

为了克服现有将高压交流电变低压直流电的技术使用变压器成本高、笨重、体积大，使用电容功率小、体积大，使用电阻要消耗电能、效率低，使用高频开关电源电路复杂、成本高的缺点，本发明提出了一种工频开关电源来解决这一问题，它是利用工频交流电源整流后形成高压直流电源（脉动直流电），利用开关管直接对脉动直流电低于某一值时执行开，高于某一值时执行关，形成低压直流电源，经过滤波、稳压或其它处理电路处理后，供负载使用，采用本发明的积极效果是，利用了不多的元件，就能够实现一种价格低廉的低压直流电源，且低压直流电源的成本与输出功率的关系不大，即输出功率增加后，其电路成本不增加或小幅增加。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种工频开关电源，由交流电源、整流电路、电压检测电路、开关信号电路、开关执行电路、低压直流电源、负载组成，电压检测电路检测经整流电路整流形成的脉动高压直流电源的电压值低于或高于某一设定值，由开关信号电路产生控制信号去控制开关执行电路中的开关管的开或关；开关管可以是场效应管或三极管，其接法分为四种情况：第一种是开关执行电路中的开关管为场效应管, 场效应管的漏极接高压直流电源的正极，源极接低压直流电源的正极，低压直流电源的负极接高压直流电源的负极；第二种是开关执行电路中的开关管为场效应管, 场效应管的漏极接低压直流电源的负极，源极接高压直流电源的负极，低压直流电源的正极接高压直流电源的正极；第三种是开关执行电路中的开关管为三极管,三极管的集电极接高压直流电源的正极，发射极接低压直流电源的正极，低压直流电源的负极接高压直流电源的负极；第四种是开关执行电路中的开关管为三极管,三极管的集电极接低压直流电源的负极，发射极接高压直流电源的负极，低压直流电源的正极接高压直流电源的正极。开关信号电路主要有三种构成方式：第一种是开关信号电路由一只三极管构成，三极管的集电极与开关执行电路中的三极管的基极或开关执行电路中的场效应管的栅极连接；第二种是开关信号电路由一只场效应管构成，场效应管的漏极与开关执行电路中的三极管的基极或开关执行电路中的场效应管的栅极连接；第三种是开关信号电路由一只运算放大器构成，运算放大器的正输入端与电压检测电路中的一个电阻的一端、稳压管的一端、电容的一端连接在一起，利用电阻引入高压直流电源的直流电，经过电容滤波、二极管稳压后形成基准电压，负输入端与接入串联在高压直流电源的正负极之间的两个电阻的中间，即与一个电阻的一端、另一个电阻的一端连接在一起，输出端直接与开关执行电路中的场效应管的栅极连接或通过电阻与开关执行电路中的三极管的基极连接。

本发明的方案在附图说明和具体实施方式中将作更详细介绍。

附图说明

下面结合附图对本发明简要说明。

图1是本发明场效应管与场效应管配合的第一种接法电路原理图。

图中1.交流电源，2.整流电路，3.电压检测电路，4.开关信号电路，5.开关执行电路，6、低压直流电源，7、负载。

图2是本发明场效应管与场效应管配合的第二种接法电路原理图。

图3是本发明场效应管与三极管配合的第一种接法电路原理图。

图4是本发明场效应管与三极管配合的第二种接法电路原理图。

图5是本发明运算放大器与场效应管配合的第一种接法电路原理图。

图6是本发明运算放大器与场效应管配合的第二种接法电路原理图。

图7是本发明运算放大器与三极管配合的第一种接法电路原理图。

图8是本发明运算放大器与三极管配合的第二种接法电路原理图。

图9是本发明三极管与场效应管配合的第一种接法电路原理图。

图10是本发明三极管与场效应管配合的第二种接法电路原理图。

图11是本发明三极管与三极管配合的第一种接法电路原理图。

图12是本发明三极管与三极管配合的第二种接法电路原理图。

具体实施方式

在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12中，我们以实施一种工频开关电源为例对本发明进一步说明：

图1是本发明场效应管与场效应管配合的第一种接法电路原理图，图中交流电源1（虚线包围部分）一般为市电220V；整流电路2（虚线包围部分）由二极管D1、D2、D3、D4组成桥式整流电路，将交流电变为脉动直流电源，为区别低压直流电源（其电压相对比高压直流电源的最大值小，小多少根据具体的电路需要来确定），将交流电变换后的脉动直流电源称为高压直流电源，高压直流电源的正极为二极管D1、D2的负极连接处及直接连接在一起的线路，高压直流电源的负极为二极管D3、D4的正极连接处及直接连接在一起的线路（接地），由于高压直流电源是正弦波的正半周，电压并不是每时每刻都高，是随时间按正弦规律变化的，只是其平均值较高，当然也可以采用半波整流，但效率低些；电压检测电路3（虚线包围部分）对高压直流电源的脉动电压进行检测，由R1、R2分压，W1限压后提供给开关信号电路4（虚线包围部分），改变R1、R2阻值的大小，可以改变分压比，将R2换为可调电阻，则分压比可调；开关信号电路4由一只场效应管V1构成,不管使用哪类场效应管，只要栅极电压高于一定值，漏极与源极之间导通就行，其作用是用栅极去感知电压检测电路3检测的电压值，当电压高于一定值时，漏极与源极之间导通，相当于产生了一个开关信号，去控制后面的开关执行电路5；开关执行电路5（虚线包围部分）由场效应管V2、电阻R3、稳压管W2组成，电阻R3的作用是引入高压直流电源的电压，稳压管W2起限压作用，保护场效应管V2的栅极，当然如有必要，可以直接为V2制作一个电压比较稳定的偏压，而不用脉动电压作为偏压，效果更好，当开关信号电路4中的场效应管V1栅极的电压低于设定值时，V1栅源极间不导通，V2栅极为高电位，场效应管V2栅源极导通，相当于开关开启，高压直流电源通过场效应管V2的栅源极向低压直流电源6（虚线包围部分）中的电容C1充电；低压直流电源6（虚线包围部分）由电容C1、稳压管W3构成，电容C1的正极为低压直流电源6的正极，电容C1负极为低压直流电源的负极，在本图中，高压直流电源的正极与场效应管V2的漏极连接，源极与低压直流电源6的正极连接，低压直流电源6的负极与高压直流电源的负极连接。整个工作过程如下：交流电源1经过整流电路变为高压直流电源，当电压低于设定值时，VT1不导通，VT2导通，高压直流电源向低压直流电路6中的电容C1充电，使其电压达到一定值，当高压直流电源的电压上升到一定值时，VT1导通，VT2关闭，停止向低压直流电路6中的C1充电，这一过程周而复始，使低压直流电源6的电压维持在一定值，并向负载7供电，经过多次试验，在使用多个1瓦大功率LED灯串联使用的情况下，其电压值变化为０.1V,对电压要求不严格的负载，可以直接使用，当然也可以以此低压直流电源为基础，增加恒流电路，供LED灯等要求严格的负载使用；负载7可以是电灯、LED节能灯、直流电机等负载。

图2是本发明场效应管与场效应管配合的第二种接法电路原理图，与图1的区别是，将低压直流电源6与负载7接在高压直流电源的正极与场效应管漏极之间，即场效应管V2的漏极接低压直流电源的负极，源极接高压直流电源的负极，其余部分相同，工作原理相同，只是元件参数略有不同，图1已经介绍得很详细，这里不再重复介绍，该种接法经过多次试验，不需要设延时电路或抗冲击电流电路也可以使用，因为不管电源开关在脉动高压直流电源的哪一个电压值时打开，电压检测电路3、开关信号电路4、开关执行电路5都会立即进入工作状态，不会出现开关执行电路5失控的情况，这是一种非常理想的接法。

图3是本发明场效应管与三极管配合的第一种接法电路原理图，与图1相比，只是将图1的场效应管V2用一只三极管VT1代替，将三极管VT1作为开关管使用，三极管VT1的集电极接高压直流电源正极，发射极接低压直流电源6的正极，利用场效应管V1的导通与关闭控制三极管VT1的基极偏压高低，从而控制三极管的开与关,即控制向低压直流电源6中的电容C1充电的电压值，在具体实施时，如果三极管VT1的放大倍数不够，可以使用两只或三只组合，R2也可以使用可调电阻，改变R2的大小，就可以改变低压直流电源6的电压大小。

图4是本发明场效应管与三极管配合的第二种接法电路原理图，与图3相比，区别在于三极管VT1的集电极接低压直流电源的负极，发射极接高压直流电源的负极，其他的与图3差不多，在具体实施时，原件参数与图3略有区别。

图5是本发明运算放大器与场效应管配合的第一种接法电路原理图。图5与前面的图1、图2等的区别在于，电压检测电路3略有不同，电阻R1、电阻R2仍是起分压作用，把分压送入开关信号电路4的运算放大器的负输入端，由电阻R4、稳压管W4、电容C2形成基准电压送入运算放大器的正输入端，开关信号电路4由一只运算放大器组成，由电阻R5、稳压管W5、电容C3组成运算放大器工作电源电路，其工作原理是：当负输入端的电压低于正输入端的基准电压时，运算放大器的输出端为高电位，场效应管V2开启，高压直流电源通过场效应管V2向低压直流电源6中的电容C1充电，直到运算放大器的负输入端电压大于正输入端的基准电压时，运算放大器输出端变为低电压，场效应管V2停止导通，即场效应管V2关闭，停止向低压直流电源6中的C1充电，当运算放大器的负输入端的电压低于基准电压时，高压直流电再通过场效应管V2向低压直流电源6充电，在具体实施时，最理想的是选用低功耗运算放大器，比如CMOS运算放大器，这样可以简化运算放大器的工作电源设计难度，同时减小整个电路功耗；由于在刚打开电源的瞬间，运算放大器的工作电源还没建立，其开关信号的形成还没起作用，这时开关管可能执行不受控制的开功能，可以在电路中设延时电路或其它抗冲击电流的电路。

图6是本发明运算放大器与场效应管配合的第二种接法电路原理图。图6与图5的区别在于，场效应管V2接在低压直流电源6的负极与高压直流电源的负极之间，其余部分与图5相同，在具体实施时，原件的参数与图5略有差异，比如稳压管的稳压值等。

图7是本发明运算放大器与三极管配合的第一种接法电路原理图。图7与图5的区别在于，将图5中的场效应管V2替换成三极管VT1，工作原理基本相同，在运算放大器的输出端加了一个限流电阻R6（有时可省略）接入三极管VT1的基极，当运算放大器的负输入端电压低于设定值时，三极管VT1开启，当运算放大器的负输入端电压高于设定值时，三极管VT1关闭。

图8是本发明运算放大器与三极管配合的第二种接法电路原理图。图8与图7的区别在于，三极管VT1的集电极接低压直流电源6的负极，发射极接高压直流电源的负极，其余部分与图7相同。

图9是本发明三极管与场效应管配合的第一种接法电路原理图。图9与图1的区别在于，将图1中的场效应管V1替换为三极管VT2，场效应管V2的漏极接高压直流电源的正极，源极接低压直流电源的正极，工作原理是，当R1、R2分压使三极管VT2的基极电压高于某一值得时，三极管VT2导通，场效应管V2关闭，反之则开启。

图10是本发明三极管与场效应管配合的第二种接法电路原理图，与图9的区别在于，场效应管V2的漏极接低压直流电源6的负极，源极接高压直流电源的负极，即工作原理与图9一样。

图11是本发明三极管与三极管配合的第一种接法电路原理图。与图9的区别在于，将图9中的场效应管V2换成了三极管VT1,即三极管VT1的集电极接高压直流电源的正极，发射极接低压直流电源的正极，当高压直流电源由零伏逐步开始上升，在电阻R1、R2的分压下，三极管的基极电压逐步上升，基极电流同步上升，当基极电流大到一定值，VT2的集电极与发射极导通使三极管VT1关闭，停止向低压直流电源6中的C1充电，当高压直流电源电压按正弦规律降低到一定值时，VT2关闭，VT1导通，再次向低压直流电源6充电，就这样周而复始地循环，实现了将高压直流电源变为低压直流电源的目的。

图12是本发明三极管与三极管配合的第二种接法电路原理图。与图11的区别在于三极管VT1的接法不同，图12的三极管的集电极与低压直流电源的负极连接，发射极与高压直流电源的负极连接，其工作原理与图11的一样，只是图中元件参数有些区别。

以上12种实施图所示的实施例，各有优缺点，比如场效应管与场效应管配合，耗电低，但成本稍高，运算放大器与场效应管配合，电压控制精确，但电路复杂。

在具体实施时，还需要加保险或限流电阻、防冲击电流等电路，在此不一一画出，当然还有其它方式一样能实现工频开关电源的目的，比如用P沟场效应管或PNP三极管等，但电路结构不过是这几大部分，在此也不一一列举。

通过本发明的方案，产生了一种除变压器、电容、高频开关电源、电阻四种将高压交流电变为低压直流电源的方法外的一种全新的降压方法，电路结构简单、成本低廉，且低压直流电源的成本与输出功率的关系不大，即输出功率增加后，其电路成本不增加或小幅增加，比如低压直流输出功率为10瓦与40瓦，其电路成本不变或只增加滤波电容的容量和耐压提升的成本，这与现有的高频开关电源相比，具有非常明显的优势，将在LED节能灯等领域获得广泛使用。

Claims

1.一种工频开关电源，由交流电源（1）、整流电路（2）、电压检测电路（3）、开关信号电路（4）、开关执行电路（5）、低压直流电源（6）、负载（7）组成，其特征是：电压检测电路（3）检测经整流电路（2）整流形成的脉动高压直流电源的电压值低于或高于某一设定值，由开关信号电路（4）产生控制信号去控制开关执行电路（5）中的开关管的开或关。

2.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关执行电路（5）中的开关管为场效应管V2,场效应管V2的漏极接高压直流电源的正极，源极接低压直流电源（6）的正极，低压直流电源（6）的负极接高压直流电源的负极。

3.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关执行电路（5）中的开关管为场效应管V2,V2的漏极接低压直流电源（6）的负极，源极接高压直流电源的负极，低压直流电源的正极接高压直流电源的正极。

4.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关执行电路（5）中的开关管为三极管VT1,VT1的集电极接高压直流电源的正极，发射极接低压直流电源（6）的正极，低压直流电源（6）的负极接高压直流电源的负极。

5.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关执行电路（5）中的开关管为三极管VT1,VT1的集电极接低压直流电源（6）的负极，发射极接高压直流电源的负极，低压直流电源的正极接高压直流电源的正极。

6.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关信号电路（4）由一只三极管VT2构成，三极管VT2的集电极与开关执行电路（5）中的三极管VT1的基极或场效应管V2的栅极连接。

7.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关信号电路（4）由一只场效应管V1构成，场效应管V1的漏极与开关执行电路（5）中的三极管VT1的基极或场效应管V2的栅极连接。

8.如权利要求1所述的一种工频开关电源，其特征是：开关信号电路（4）由一只运算放大器构成，运算放大器的正输入端与电阻R4的一端、稳压管W4的一端、电容C2的一端连接在一起，负输入端与电阻R1的一端、电阻R2的一端连接在一起，输出端直接与开关执行电路（5）中的场效应管V2的栅极连接或通过电阻R6与的三极管VT1的基极连接。