PL213666B1 - Niestabilizowany przetwornik napiecia wyprostowanego zmiennego na napiecie stale oraz niestabilizowany przetwornik napiecia zmiennego na napiecie stale - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest niestabilizowany przetwornik napięcia wyprostowanego zmiennego na napięcie stałe oraz niestabilizowany przetwornik napięcia zmiennego na napięcie stałe, które to przetworniki zawierają dwa zaciski wejściowe między którymi są włączone co najmniej ogranicznik prądu, wyłącznik sterowany przez układ sterowania i kondensator magazynujący.

Chodzi więc o przetwornik nieregulowany i nieizolowany, umożliwiający otrzymanie napięcia ciągłego, zasadniczo stałego, począwszy od napięcia przemiennego, zwłaszcza dostarczanego przez sieć do częstotliwości 50 albo 60 Hz.

Takie przetworniki są przedstawione na przykład w opisach patentowych EP 0 921 628, EP 0 763 878, GB 2 203 003, USA 4 001 668 i USA 4 641 233. Ogranicznik prądu jest utworzony przez element rezystancyjny, to znaczy rezystor.

Obecność ogranicznika prądu połączonego szeregowo ze sterowanym wyłącznikiem i kondensatorem magazynującym jest niezbędna, gdyż te przetworniki napięcia muszą obniżać napięcie sieci, na przykład 230 V, do napięcia względnie niskiego, zwykle bliskiego 12 V. Ogranicznik prądu jest przystosowany mianowicie do tego, aby natężenie prądu płynącego przez sterowany wyłącznik nie przekraczało wartości dopuszczalnej podczas całego okresu trwania przewodzenia tego wyłącznika. Straty cieplne w rezystorze stosowanym jako ogranicznik prądu są proporcjonalne do kwadratu wartości skutecznej prądu pobieranego przez przetwornik w sieci. Całkowite zmniejszenie tego prądu, przy tej samej wartości mocy użytecznej, poprawia więc w znaczny sposób sprawność przetwornika.

Z opisu patentowego USA 4 731 719 znany jest regulator przełączający stanowiący przetwornik prądu stałego również na prąd stały, w którym stosuje się napięcie wejściowe prądu stałego oraz mający obwód przełączający niezależny od napięcia zasilającego.

Celem wynalazku jest opracowanie przetwornika ze znacznie zmniejszonym poborem prądu sieciowego.

Zgodnie z pierwszym przedmiotem wynalazku niestabilizowany przetwornik napięcia wyprostowanego zmiennego na napięcie stałe zawiera dwa zaciski wejściowe między którymi są włączone co najmniej ogranicznik prądu, wyłącznik sterowany przez układ sterowania i kondensator magazynujący, oraz którego dwa zaciski wyjściowe są podłączone do kondensatora magazynującego, przy czym ogranicznik prądu jest utworzony przez przynajmniej uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojenie wtórne zasila przetwornik mostkowy, którego zaciski wyjściowe są dołączone do zacisków wyjściowych przetwornika, charakteryzuje się tym, że pomiędzy zaciskami wejściowymi są połączone szeregowo ogranicznik prądu zawierający transformator, wyłącznik i kondensator, przy czym układ sterowania steruje wyłącznikiem w synchronizacji z napięciem zasilającym, a wspomniane napięcie zasilające dostarczane do zacisków wejściowych jest napięciem prądu zmiennego wyprostowanym pełnookresowo.

Korzystnie, uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne transformatora mają taką samą ilość zwojów.

Korzystnie, stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego transformatora jest mniejszy niż 1.

Korzystnie, ogranicznik prądu zawiera rezystor połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora.

Zgodnie z drugim przedmiotem wynalazku niestabilizowany przetwornik napięcia wyprostowanego zmiennego na napięcie stałe zawiera dwa zaciski wejściowe, między którymi są włączone co najmniej ogranicznik prądu, wyłącznik sterowany przez układ sterowania i kondensator magazynujący, oraz którego dwa zaciski wyjściowe są podłączone do kondensatora magazynującego, przy czym ogranicznik prądu jest utworzony przez przynajmniej uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojenie wtórne zasila przetwornik mostkowy, którego zaciski wyjściowe są dołączone do zacisków wyjściowych przetwornika charakteryzuje się tym, że pomiędzy zaciskami wejściowymi ogranicznik prądu zawierający transformator jest połączony szeregowo z prostownikiem pełnookresowym, do którego wyjść są dołączone wyłącznik i kondensator połączone szeregowo, przy czym wspomniany wyłącznik jest sterowany przez układ sterowania w synchronizacji z napięciem zasilającym, a wspomniane napięcie zasilające dostarczane między zaciski wejściowe jest napięciem prądu zmiennego.

Korzystnie, uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne transformatora mają taką samą ilość zwojów.

Korzystnie, stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego transformatora jest mniejszy niż 1.

PL 213 666 B1

Korzystnie, ogranicznik prądu zawiera rezystor połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora.

Przetwornik według wynalazku ma ogranicznik prądu utworzony przynajmniej przez uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojenie wtórne zasila prostownik, którego zaciski wyjściowe są dołączone do zacisków wyjściowych przetwornika.

Transformator zawiera przynajmniej uzwojenie pierwotne, obwód magnetyczny i uzwojenie wtórne, którego wyjścia są dołączone do wejść prostownika, a wyjścia prostownika są dołączone równolegle do kondensatora. W wyniku tego połączenia transformator nie wymaga izolacji galwanicznej między uzwojeniami. Jest natomiast interesujące, że transformator stanowi doskonałe połączenie między uzwojeniami. Według jednego sposobu wykonania emaliowane druty uzwojenia pierwotnego i wtórnego są jednocześnie cewkami. To nie jest wadą, ponieważ słaba izolacja jest wystarczająca.

Ogranicznik prądu, wyłącznik i kondensator mogą być połączone szeregowo, a napięcie dostarczane między zaciski wejściowe jest prostowane naprzemiennie.

Ogranicznik prądu, może być także połączony szeregowo z prostownikiem, do którego wyjść są dołączone wyłącznik i kondensator podłączone szeregowo, a napięcie dostarczane między zaciski wejściowe jest przemienne.

Według jednego wykonania uzwojenia pierwotne i wtórne mają taką samą liczbę zwojów.

To ma na celu nie tylko ułatwiać jednoczesne nawijanie uzwojenia pierwotnego i wtórnego, ale ponadto zapewniać przekładnię transformatora równą 1, a napięcie pierwotne nie może przekraczać zmiany napięcia wtórnego, które jest ograniczone przez napięcie wyjściowe. Stosowany transformator widzi więc napięcie pierwotne ograniczane do małej wartości, co zmniejsza ponownie ograniczenia przy realizacji. Produkcja wielkiej serii takiego transformatora umożliwia więc znaczne zmniejszenie kosztów w porównaniu z normalnym transformatorem.

W tym względzie zaznacza się, że transformatory o przekładni I są zawsze stosowane dla umożliwienia izolacji galwanicznej między dwoma obwodami, podczas gdy przetwornik według sposobów wykonania wynalazku stosuje transformator o przekładni I do słabej izolacji, przełamując zwyczaje produkcyjne.

Według innego sposobu wykonania stosunek liczby zwojów między uzwojeniem wtórnym i pierwotnym transformatora jest mniejszy niż 1, na przykład 0,5. W tym przypadku, jeżeli zachowuje się doskonałe połączenie między uzwojeniami, otrzymuje się większy spadek napięcia na zaciskach pierwotnych, co jest bardziej korzystne ze względu na zmniejszenie rezystancji zabezpieczenia. Nie jest wykluczone, że taki wybór umożliwia w pewnych przypadkach eliminację rezystancji zabezpieczenia, która jest konieczna tylko, gdy wyprostowane napięcie wejściowe ma bardzo dużą amplitudę w stosunku do napięcia wyjściowego.

Uzwojenie pierwotne transformatora może być stosowane jako indukcyjność filtrowania zakłóceń przewodzonych w sieci.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat elektryczny przetwornika według pierwszego przykładu wykonania, fig. 2 przedstawia schemat elektryczny przetwornika według drugiego przykładu wykonania.

Przedstawiony przetwornik napięcia ma dwa zaciski wejściowe A i B, do których jest przyłożone prostowane naprzemiennie napięcie U, na przykład wyprostowane napięcie sieci. Przetwornik zawiera kondensator 1 magazynujący energię, zasilany przez wyłącznik 2, w tym przypadku tranzystor MOS, w wyniku pola sterowanego przez układ sterowania 3, i połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym 51 transformatora 5 i rezystorem 6 ograniczającym prąd. Układ sterowania 3 jest realizowany jak w stanie techniki, na przykład jak przedstawiono w opisie patentowym EP 0 921 628. Steruje on otwieraniem i zamykaniem wyłącznika 2, na przykład tranzystora MOS, przez elektrodę sterującą tranzystora, którego dren jest dołączony do uzwojenia pierwotnego 51 transformatora 5, a źródło jest dołączone do kondensatora 1, to znaczy do wyjścia S przetwornika.

Transformator 5 zawiera ponadto obwód magnetyczny 52 i uzwojenie wtórne 53, a wyjścia uzwojenia wtórnego 53 są dołączone do wejść prostownika 7, którego wyjścia są dołączone równolegle do kondensatora 1. Przetwornik zasila odbiornik 4 przedstawiony symbolicznie.

W obliczeniach przedstawionych dalej i aby uprościć te obliczenia, uwzględnia się przypadek przekładni 1 między uzwojeniami transformatora i zakłada się, że połączenie uzwojeń jest doskonałe. Zakłada się również doskonałe działanie zarówno dla składowych harmonicznych, jak i dla składowej podstawowej prądu. Zmieniająca się składowa prądu ϋ jest więc równa w każdej chwili zmieniającej

PL 213 666 B1 się składowej prądu na wyjściu transformatora. Odnośnie prądu 12 na wyjściu prostownika 7 zaznacza się, że jego wartość średnia jest równa wartości średniej prądu ii, lecz nie są one identyczne.

Wartość średnia jest oznaczona przez < >, a więc:

< i2 > = < i1 >

Zakłada się ponadto, że odbiornik 4 jest faktycznie utworzony przez regulator napięcia zasilający odbiornik rezystancyjny, a więc że pobiera prąd stały I0, jeżeli napięcie na zaciskach kondensatora 1 zmienia się w danym zakresie.

W każdej chwili więc:

ic = i1 + i2 + I0

Tak więc, przy wartościach średnich, wiedząc, że < ic > = 0 i że < i1 > = < i2 > :

< i₁ > = I₀/2

Porównując, wartość średnia prądu ii będzie więc zmniejszona do połowy w stosunku do wartości średniej wymaganej w układzie według stanu techniki, aby nie oddziaływać na i₂.

Prąd ii jest impulsowy, a amplituda jest i_1M. Jeżeli założy się czas trwania przewodzenia identyczny w układzie według wynalazku i układzie ze stanu techniki, a więc taki sam przepływ chwilowy prądu, wtedy wartość średnia μ zmniejszona do połowy wymaga po prostu połowy wartości dla i_1M, co oznacza, że wartość skuteczna I₁ dla μ jest również dzielona przez dwa, porównując z układem ze stanu techniki. To zmniejszenie i_1M jest otrzymywane w pierwszym przybliżeniu przez podwojenie rezystancji ograniczającej.

W porównaniu ze stanem techniki i dla takiego samego czasu trwania przewodzenia, układ według wynalazku dzieli więc przez dwa straty cieplne w rezystorze ograniczającym 6.

Te przybliżone obliczenia nie uwzględniają napięcia na zaciskach uzwojenia pierwotne go 51 transformatora, które wpływa przy obliczaniu na rezystancję ograniczającą i zmniejsza jego wartość podwójnie. Dla transformatora bezstratnego wzmocnienie mocy rozproszonej jest więc faktycznie większe od 2.

Należy zaznaczyć, że nieznaczna zmiana napięcia transformatora ogranicza maksymalną indukcję w rdzeniu, a więc straty w żelazie, co usprawiedliwia częściowo hipotezę transformatora bezstratnego.

W postaci wykonania, w której stosowany transformator miałby stosunek liczby zwojów poniżej 1, na przykład 0,5, zachowując jednak doskonałe połączenie między uzwojeniami, co jest trudno zrealizować, korzysta się z wyników wyraźniej. Odnośnie prądu pierwotnego w transformatorze, jest także możliwe otrzymanie stosunku od 1 do 3 między układem według wynalazku i układem ze stanu techniki oraz większy spadek napięcia na zaciskach pierwotnych, co staje się korzystniejsze wraz ze zmniejszaniem się rezystancji zabezpieczenia. Dlatego w pewnych przypadkach jest możliwe uwzględnienie eliminacji rezystora 6 ograniczającego prąd.

Przekładnia transformatora równa 0,5 może być realizowana przy doskonałym połączeniu, stosując dwie cewki pierwotne i dwie cewki wtórne, o tej samej liczbie zwojów i nawijane jednocześnie, przy czym te dwie cewki pierwotne są połączone szeregowo, i te dwie cewki wtórne są połączone równolegle.

Szczegółowe działanie przetwornika według wynalazku oddziałuje na energię magazynowaną w transformatorze podczas przewodzenia wyłącznika i zwracaną podczas jego otwarcia, lecz to nie wpływa na zrozumienie wynalazku.

Dodatkowe elementy mogą być włączone do układu, na przykład między kondensatorem magazynującym i zaciskami wyjściowymi, bez oddalania się od zastrzeganego układu.

Na przykład, stosując sieć prostowniczą (230 V, 50 Hz), z napięciem średnim na wyjściu 11 V i prądem średnim w odbiorniku 4 100 mA, otrzymuje się prąd skuteczny na wejściu 200 mA.

Drugi sposób wykonania przetwornika, przedstawiony na fig. 2, różni się tym, że układ prostownika pełnookresowego (diody w układzie mostkowym Graetza), które w poprzednim przypadku występowało na zaciskach A i B bez pokazania na fig. 1, jest teraz włączony do układu szeregowego dla zasilania gałęzi utworzonej przez wyłącznik 2 i kondensator 1. Tu układ prostownika pełnookresowego ma oznaczenie 8. Punkt B' nie jest więc bezpośrednio dołączony do masy.

Układ sterowania (nie pokazany) steruje wyłącznikiem 2.

Napięcie U dostarczane między punktami A' i B' jest przemienne, te punkty mogą więc być dołączone bezpośrednio do sieci.

W stosunku do układu z fig. 1, przedstawia ona lepiej zalety transformatora: prąd pierwotny w transformatorze jest teraz dwukierunkowy, pełna pętla histerezy jest opisana podczas każdego

PL 213 666 B1 okresu sieci i strumień w obwodzie magnetycznym transformatora może zmieniać się między wartością ujemną i wartością dodatnią strumienia nasycenia, zamiast zmieniać się między wartością dodatnią strumienia nasycenia i wartością dodatnią strumienia pozostałości magnetycznej. Blachy transformatorowe mają więc działanie zoptymalizowane, co umożliwia ewentualnie zmniejszyć ich wymiary.

Poza tym działanie jest dokładnie identyczne, jak opisano poprzednio.

Należy zauważyć także, że przy działaniu uzwojenia pierwotnego transformatora wykonanego jako doskonale dwukierunkowe, można również wykorzystać jego indukcyjność pierwotną, aby zrealizować filtrowanie zakłóceń sieci w stanie przewodzenia, co narzucają normy. To filtrowanie jest rzeczywiście w sposób klasyczny realizowane przez obwód LC.

Wystarcza więc na przykład zmienić rezystor 6 i uzwojenie pierwotne 51 transformatora 5 (w przypadku, gdy w układzie jest stosowana rezystancja własna 6), aby indukcyjność cewki uzwojenia pierwotnego 51 oddziaływała i dołączyć tę indukcyjność do dodatkowego kondensatora filtrującego £ którego drugi zacisk jest dołączony do punktu B'.

Pojemność tego kondensatora filtrującego £ jest znacznie mniejsza niż kondensatora magazynującego 1: stosuje się na przykład 22 0 nF dla kondensatora filtrującego i 2200 pF dla kondensatora 1.

Można również dzielić cewkę uzwojenia pierwotnego 51 na dwie części z połową uzwojenia i dołączać kondensator £ do punktu środkowego tych uzwojeń. Wprowadza się wtedy filtr T znany specjalistom jako mający lepsze osiągi. Tak więc dodatkową zaletą wynalazku jest umożliwienie dobrego filtrowania sieci, bez konieczności zastosowania dodatkowej indukcyjności.

Claims (8)

1. Niestabilizowany przetwornik napięcia wyprostowanego zmiennego na napięcie stałe zawierający dwa zaciski wejściowe między którymi są włączone co najmniej ogranicznik prądu, wyłącznik sterowany przez układ sterowania i kondensator magazynujący, oraz którego dwa zaciski wyjściowe są podłączone do kondensatora magazynującego, przy czym ogranicznik prądu jest utworzony przez przynajmniej uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojenie wtórne zasila przetwornik mostkowy, którego zaciski wyjściowe są dołączone do zacisków wyjściowych przetwornika, znamienny tym, że pomiędzy zaciskami wejściowymi (A, B) są połączone szeregowo ogranicznik prądu zawierający transformator (5), wyłącznik (2) i kondensator (1), przy czym układ sterowania (3) steruje wyłącznikiem (2) w synchronizacji z napięciem zasilającym (U), a wspomniane napięcie zasilające (U) dostarczane do zacisków wejściowych (A, B) jest napięciem prądu zmiennego wyprostowanym pełnookresowo.

2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenie pierwotne (51) i uzwojenie wtórne (53) transformatora (5) mają taką samą ilość zwojów.

3. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego (53) do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (51) transformatora (5) jest mniejszy niż 1.

4. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że ogranicznik prądu zawiera rezystor (6) połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym (51) transformatora (5).

5. Niestabilizowany przetwornik napięcia zmiennego na napięcie stałe zawierający dwa zaciski wejściowe, między którymi są włączone co najmniej ogranicznik prądu, wyłącznik sterowany przez układ sterowania i kondensator magazynujący, oraz którego dwa zaciski wyjściowe są podłączone do kondensatora magazynującego, przy czym ogranicznik prądu jest utworzony przez przynajmniej uzwojenie pierwotne transformatora, którego uzwojenie wtórne zasila przetwornik mostkowy, którego zaciski wyjściowe są dołączone do zacisków wyjściowych przetwornika, znamienny tym, że pomiędzy zaciskami wejściowymi (A', B) ogranicznik prądu zawierający transformator (5) jest połączony szeregowo z prostownikiem pełnookresowym (8), do którego wyjść są dołączone wyłącznik (2) i kondensator (1) połączone szeregowo, przy czym wspomniany wyłącznik (2) jest sterowany przez układ sterowania w synchronizacji z napięciem zasilającym (U), a wspomniane napięcie zasilające (U') dostarczane między zaciski wejściowe (A', B) jest napięciem prądu zmiennego.

6. Przetwornik według zastrz. 5, znamienny tym, że uzwojenie pierwotne (51) i uzwojenie wtórne (53) transformatora (5) mają taką samą ilość zwojów.

7. Przetwornik według zastrz. 5, znamienny tym, że stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego (53) do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (51) transformatora (5) jest mniejszy niż 1.

8. Przetwornik według zastrz. 5, znamienny tym, że ogranicznik prądu zawiera rezystor (6) połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym (51) transformatora (5).