CN102843047A - 一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器 - Google Patents
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Abstract
一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，变压器的交流输入端与全波整流电路连接，全波整流电路的正向输出端分别接分压比较电路和串并联转换电路，串并联转换电路包括多个通过光电耦合开关电路串接的分压电容器，串并联转换电路中每个分压电容器的两端分别通过二极管与变压器直流输出端的正极和负极连接；分压比较电路包括一个电压比较器和两条与全波整流电路正向输出端连接的电阻分压电路，其中一条电阻分压电路与稳压电路连接，电压比较器的两个输入端分别与两条电阻分压电路连接，输出端与微处理器连接。实现了串联分压充电后并联放电的新型换能方式。与电磁变压器相比，所用器件功耗非常小，转换效率非常高，发热量也很小。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器，具体地说是一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器。
背景技术
现有的变压器有两种：电磁变压器和压电陶瓷变压器。前者基于电磁感应现象，是比较成熟的技术，其原理是从电能到磁能再到电能的转化过程，不可避免的存在转换效率低、容易发热、有电磁噪声等问题；后者1956年由C．A．Rosen发明，它具有重量轻、能量密度高、效率高、外形小、运行过程无电磁噪声以及不易燃性等优点，应用范围越来越广。现在压电陶瓷变压器的应用分为两种，一种是由低压变成高压的升压变压器，用于液晶显示器、静电除尘器和高压电源中，国内外都已形成规模生产，使用范围比较有限。另一种是由高压变成低压的降压变压器，现在仍处于研究开发阶段，据最新报道，日本富士通公司利用LiNbO3单晶制成了15 mm×15 mm×0.5mm 的压电陶瓷变压器样机，该样机工作频率4 MHz、输出功率为30~40W，可用于降压型开关电源。但由于铌酸锂晶体的成本很高，不适于大规模工业生产应用，不利于产品推广；本发明的设计人之前发明了一种基于多层高介电材料的超小型介电陶瓷变压器，工作频率为50Hz，可以实现11:1的变压比，利用市电可以获得交流20V，10mA的电源，但是其缺点是输出功率仅为毫瓦级别的，距离实用有一定的距离。
在现代电子技术领域中，变压器是一个必备的组件，一种价格低廉，发热量小，转化效率高的压变压器一直是一个技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，其转换效率高，电损耗非常少，发热量小。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，包括微处理器、串并联转换电路、分压比较电路和全波整流电路，变压器的交流输入端与全波整流电路连接，全波整流电路的正向输出端分别接分压比较电路和串并联转换电路，所述的串并联转换电路包括多个分压电容器，多个分压电容器之间通过由微处理器控制的光电耦合开关电路串接，上述串接的分压电容器中，第一个分压电容器通过一个由微处理器控制的光电耦合开关电路与全波整流电路的正向输出端连接，最后一个分压电容器接地，串并联转换电路中每个分压电容器的两端分别通过二极管与变压器直流输出端的正极和负极连接，二极管在分压电容器向变压器直流输出端放电时导通，反向则关断；变压器直流输出端的正极还串接有一个由微处理器控制的光电耦合开关电路；所述的分压比较电路包括一个电压比较器和两条与全波整流电路正向输出端连接的电阻分压电路，其中一条电阻分压电路与稳压电路连接，电压比较器的两个输入端分别与两条电阻分压电路连接，电压比较器的输出端与微处理器连接；微处理器根据从分压比较电路采集到的信息，控制各光电耦合开关电路的通断，从而控制分压电容器的串并联转换，分压电容器串联时由输入端充电，并联时向输出端放电，从而实现电压变换。
所述的电阻分压电路由两个串联的电阻构成，电阻分压电路的一端与全波整流电路正向输出端连接，另一端接地，两个电阻之间的线路与电压比较器连接。
所述的稳压电路由二极管和电容器构成，二极管串接在电阻分压电路与全波整流电路正向输出端的连接线路中，并且二极管的正极与全波整流电路正向输出端连接；电容器的一端接地，另一端与二极管的负极连接。
所述的全波整流电路为桥式整流电路。
本发明的工作原理是：所设计的变压器由多个分压电容器串并联组成，其本质是通过微处理器编程控制对多个分压电容器的串联充电和并联放电。通过分压比较电路使得充、放电电压维持在峰值电压附近10%左右。
串联时，切断负载，如果输入为交流电（峰值）电压为U1 ,分压电容器电容为C，共有n个，每个分压为U2，则：U1=nU2。
切断电源，使电容器并联，输出电压U2=U1/n。
输出电压近于直流，实现了降压变压的目的。通过改变n的数值可实现对输出电压的自由调控输出。通过提高电容值或改变输入频率，可以获得大的输出功率。
本发明的有益效果是：利用微处理器根据电压比较器测得的输入电压峰值的变化控制光电耦合开关电路的通断，从而控制分压电容器的串并联转换。分压电容器串联时切断输出端，由输入端对分压电容器充电，分压电容器并联时切断输入端，由分压电容器向输出端放电。实现了串联分压充电后并联放电的新型换能方式。与电磁变压器相比，所用器件功耗非常小，因此这种变压器的转换效率非常高，发热量也很小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的实施方式。
一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，包括微处理器CPU、串并联转换电路、分压比较电路和全波整流电路。变压器的交流输入端AC与全波整流电路连接，通过全波整流电路将输入的正弦波的负半周反向。全波整流电路的正向输出端分别接分压比较电路和串并联转换电路。所述的串并联转换电路包括多个分压电容器，分压电容器的设置数量决定了变压器的变压比，单一分压电容器的容值大小决定了变压器的负载能力。图1所示的实施例中设有C1、C2、C3、C4四个分压电容器，可以实现4:1的变压比。四个分压电容器之间通过由微处理器控制的光电耦合开关电路串接。图1中所示串接在四个分压电容器之间的光电耦合开关电路分别为U2、U3、U4。每个分压电容器之间利用光电耦合开关电路的输出进行串接，便于接AC~220V,50Hz市电。上述串接的分压电容器中，第一个分压电容器C1通过一个由微处理器控制的光电耦合开关电路U1与全波整流电路的正向输出端连接，最后一个分压电容器C4接地。串并联转换电路中每个分压电容器的两端分别通过二极管与变压器直流输出端DC的正极和负极连接。图1中二极管D1、D2、D3、D4的负极接变压器直流输出端DC的正极，二极管D5、D6、D7、D8的正极接变压器直流输出端DC的负极。变压器直流输出端的正极还串接有一个由微处理器控制的光电耦合开关电路U5。微处理器CPU根据从分压比较电路采集到的输入电压峰值信息，控制各光电耦合开关电路的通断，从而控制分压电容器的串并联转换。当光电耦合开关电路U1、U2、U3、U4导通，U5关闭时，四个分压电容器串接，变压器输入电压向四个分压电容器充电，四个分压电容器经过分压后，每个电容的最大充电电压为输入电压的1/4。当光电耦合开关电路U1、U2、U3、U4关闭，U5导通时，四个分压电容器变为并接并向变压器直流输出端DC放电。
所述的分压比较电路用于判断输入电压的峰值情况。图1所示的实施例中，分压比较电路包括一个电压比较器（本实施例采用的是LM393芯片），两条与全波整流电路正向输出端连接的电阻分压电路。其中一条电阻分压电路与稳压电路连接，通过稳压电路将该电阻分压电路的压降稳定在一个固定值，通过调整电阻分压电路以及稳压电路的参数，即可调整该固定值的大小。另一条电阻分压电路的压降则随输入电压不断变化。电压比较器的两个输入端分别与两条电阻分压电路连接，电压比较器的输出端与微处理器连接，当两条电阻分压电路的压降相等时，电压比较器向微处理器输出一个信号，微处理器根据设定的程序控制分压电容器的串并联转换。
所述的电阻分压电路由两个串联的电阻构成，如图1所示，R1和R2构成一条电阻分压电路。R3和R4构成一条电阻分压电路。电阻分压电路的一端，即电阻R1、R3端与全波整流电路正向输出端连接，另一端接地。每条电阻分压电路中两个电阻之间的线路与电压比较器连接。
所述的稳压电路由二极管D9和电容器C5构成，二极管串接在电阻分压电路与全波整流电路正向输出端的连接线路中，并且二极管的正极与全波整流电路正向输出端连接；电容器的一端接地，另一端与二极管的负极连接。
所述的全波整流电路为桥式整流电路。
本发明中，所用的分压电容器可采用高介电陶瓷电容器，例如钛酸钡基陶瓷制成的电容器，这种介电材料在室温附近的相对介电常数大于25000；损耗小于0.1，工作时无极化翻转损耗。制成的电容器体积小，便于使用。
以图1所示设有四个分压电容器的方式为例，采用10μf的分压电容器，变压器交流输入端输入电压为36V，频率为50Hz，变压器直流输出端输出电压为为9V，可以实现4:1的变压比，输出功率约为4瓦。若用若干组这样的装置串联起来，可以直接从市电220V,50Hz降压为我们需要的任何电压。
经反复实验验证：本发明所设计的变压器具有价格低廉，发热量小，转化效率高的优点、且具备工艺简单、结构紧凑、生产成本低廉等显著特点。
Claims (4)
1.一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，其特征在于：包括微处理器、串并联转换电路、分压比较电路和全波整流电路，变压器的交流输入端与全波整流电路连接，全波整流电路的正向输出端分别接分压比较电路和串并联转换电路，所述的串并联转换电路包括多个分压电容器，多个分压电容器之间通过由微处理器控制的光电耦合开关电路串接，上述串接的分压电容器中，第一个分压电容器通过一个由微处理器控制的光电耦合开关电路与全波整流电路的正向输出端连接，最后一个分压电容器接地，串并联转换电路中每个分压电容器的两端分别通过二极管与变压器直流输出端的正极和负极连接，二极管在分压电容器向变压器直流输出端放电时导通，反向则关断；变压器直流输出端的正极还串接有一个由微处理器控制的光电耦合开关电路；所述的分压比较电路包括一个电压比较器和两条与全波整流电路正向输出端连接的电阻分压电路，其中一条电阻分压电路与稳压电路连接，电压比较器的两个输入端分别与两条电阻分压电路连接，电压比较器的输出端与微处理器连接；微处理器根据从分压比较电路采集到的信息，控制各光电耦合开关电路的通断，从而控制分压电容器的串并联转换，分压电容器串联时由输入端充电，并联时向输出端放电，从而实现电压变换。
2.如权利要求1所述的一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，其特征在于：所述的电阻分压电路由两个串联的电阻构成，电阻分压电路的一端与全波整流电路正向输出端连接，另一端接地，两个电阻之间的线路与电压比较器连接。
3.如权利要求1所述的一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，其特征在于：所述的稳压电路由二极管和电容器构成，二极管串接在电阻分压电路与全波整流电路正向输出端的连接线路中，并且二极管的正极与全波整流电路正向输出端连接；电容器的一端接地，另一端与二极管的负极连接。
4.如权利要求1所述的一种利用微处理器控制电容器串并联转换的变压器，其特征在于：所述的全波整流电路为桥式整流电路。
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