PL220418B1 - Nieizolowany zasilacz niskonapięciowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest nieizolowany zasilacz niskonapięciowy przeznaczony do zasilania urządzeń elektronicznych, w szczególności elektronicznych układów włączników energetycznych.

Znany jest z publikacji P. Góreckiego „Zasilacz beztransformatorowy” Elektronika dla Wszystkich 9/2000 (57) s. 84, układ nieizolowanego zasilacza niskonapięciowego, w którym jedno z wejść napięcia zmiennego mostka Gretza połączone jest z szeregowo połączonymi rezystorem i kondensatorem zbocznikowanym dodatkowo rezystancją. Zbocznikowany kondensator drugą elektrodą połączony jest do sieci elektroenergetycznej. Drugie wejście napięcia zmiennego mostka Gretza połączone jest do drugiej linii sieci elektroenergetycznej. Wyjście dodatnie mostka Gretza połączone jest do bieguna dodatniego kondensatora, katody diody Zenera i do rezystora obciążającego. Wyjście ujemne mostka Gretza połączone jest z elektrodą ujemną kondensatora, anodą diody Zenera i z drugim wejściem obciążenia. Mostek Gretza prostuje napięcie przemienne, podawane na wejścia napięcia zmiennego, które jest filtrowane w kondensatorze, a jego poziom jest redukowany i stabilizowany przez diodę Zenera.

W znanym układzie niskonapięciowego zasilacza zasilającym elektroniczne włączniki odbiorników energii elektrycznej, włącznik zasilany jest z osobnego obwodu zasilającego, co wiąże się z koniecznością doprowadzenia dodatkowej linii zasilającej. Znane zasilacze wymagają podłączenia równoległego do źródła zasilania, co uniemożliwia ich prosty montaż w obwodzie zasilania sterowanego odbiornika energii elektrycznej poprzez zwykłą zamianę z klasycznym włącznikiem.

Istota nieizolowanego zasilacza niskonapięciowego według wynalazku polega na tym, że jedno z wejść napięcia zmiennego mostka Gretza połączone jest szeregowo z odbiornikiem energii elektrycznej o mocy, co najmniej 15 W, poprzez włącznik zbocznikowany kondensatorem pierwszym, a drugie z wejść napięcia zmiennego mostka Gretza połączone jest z siecią elektroenergetyczną, zaś biegun dodatni mostka Gretza połączony jest z anodą diody pierwszej i z anodą tyrystora. Katoda diody pierwszej połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego, z katodą diody Zenera i z wejściem dodatnim zasilania mikrokontrolera. Wyjście sterujące mikrokontrolera poprzez rezystor połączone jest z bramką tyrystora. Linia sterująca mikrokontrolera z wejściem sterującym włączonego szeregowo w obwód zasilania sterowalnego włącznika zbocznikowanego kondensatorem. Wyjście ujemne mostka Gretza, katoda sterowalnej diody, biegun ujemny kondensatora drugiego, anoda diody Zenera, wejście ujemne zasilania mikrokontrolera i wyjście połączone są z masą. Korzystnie jest, gdy pojemność kondensatora pierwszego wynosi około 100 nF, a pojemność kondensatora drugiego wynosi, co najmniej 470 pF. Korzystnie jest również, gdy kondensator bocznikujący odbiornik i kondensator pierwszy są kondensatorami polipropylenowymi o napięciu nominalnym 400 V.

Nieizolowany zasilacz niskonapięciowy według wynalazku pozwala zasilać układy elektroniczne pełniące funkcję elektronicznych włączników energetycznych i nie wymaga przy tym osobnego obwodu energetycznego do podtrzymania zasilania, co umożliwia znaczną redukcję kosztów przy budowie nowej lub modernizacji istniejącej instalacji energetycznej z elektronicznymi włącznikami. Zasilacz podłączony szeregowo w załączany obwód energetyczny pobiera z tego samego obwodu energię elektryczną dla układu elektronicznego, zarówno w stanie włączenia odbiornika energetycznego jak i podczas jego wyłączenia. Układ w sposób dynamiczny reguluje pobierany z obwodu prąd elektryczny, nie wpływając negatywnie na działanie sterowanego odbiornika. Pobierana moc przez zasilacz według wynalazku w czasie wyłączenia odbiornika wynosi około 1 W, co świadczy o jego energooszczędnych walorach. W czasie załączenia odbiornika spadek napięcia spowodowany poborem energii poprzez zasilacz według wynalazku wynosi 5 V dla układów elektronicznych w standardzie TTL i odpowiednio 3,3 V w wersjach zasilacza dla układów elektronicznych niskonapięciowych. Wartości te mieszczą się w granicach norm dotyczących warunków zasilania urządzeń elektrycznych. Układ zasilacza według wynalazku w stanie włączania sterowanego odbiornika nie wydziela znaczących ilości ciepła, dzięki czemu jest bezpieczny przy stosowaniu w zamkniętych puszkach energetycznych pozbawionych cyrkulacji powietrza.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, który przedstawia schemat ideowy nieizolowanego zasilacza niskonapięciowego.

Wejście zasilające L nieizolowanego zasilacza niskonapięciowego według wynalazku połączone jest z odbiornikiem energii elektrycznej Odb o mocy, co najmniej 15 W, natomiast wejście zasilające N z siecią elektroenergetyczną wysokiego napięcia Wn. Drugie wejście zasilania odbiornika energii elektrycznej Odb połączone jest z siecią elektroenergetyczną Wn. Odbiornik energii elektrycznej Odb

PL 220 418 B1 połączony jest równolegle z szeregowo połączonymi: rezystorem Rz i kondensatorem bocznikującym Co polipropylenowym o napięciu nominalnym 400 V. Wejście L układu według wynalazku połączone jest z równolegle połączonymi: włącznikiem Ws i kondensatorem pierwszym C1 polipropylenowym o napięciu nominalnym 400 V i o pojemności około 100 nF. Druga elektroda kondensatora C1 i włącznika Ws połączona jest z wejściem napięcia zmiennego mostka Gretza G. Drugie wejście napięcia zmiennego mostka Gretza G połączone jest wyjściem N układu według wynalazku, które połączone jest z siecią elektroenergetyczną Wn. Wyjście ujemne mostka Gretza G połączone jest z masą układu. Wyjście dodatnie mostka Gretza połączone jest z anodami diod: pierwszej D1 i tyrystora D2. Katoda tyrystora D2 połączona jest z masą układu. Katoda diody pierwszej D1 połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego C2, co najmniej 470 gF, z katodą diody Zenera DZ, z wejściem zasilania układu mikrokontrolera uP i z wyjściem dodatnim niskiego nieizolowanego galwanicznie napięcia Nn. Z masą zasilacza według wynalazku połączone są także: biegun ujemny kondensatora drugiego C2, anoda diody Zenera DZ, wejście ujemne zasilania mikrokontrolera uP i wyjście ujemne niskiego napięcia Nn. Z mikrokontrolerem uP połączony jest port komunikacyjny Px, przeznaczony do komunikacji, w tym z czujnikami podczerwieni lub z czujnikami temperatury, w zależności od pełnionej funkcji włącznika Ws. Włącznik Ws zwiera bocznikujący go kondensator pierwszy C1 powodując włącznie zasilania odbiornika Odb. Włącznik Ws jest włączany lub wyłączany z linii sterującej Sw portu mikrokontrolera uP. Bramka B tyrystora D2 jest połączona z linią sterującą So mikrokontrolera uP za pomocą szeregowo podłączonego rezystora pierwszego R1.

Mostek Gretza G prostuje napięcie przemienne, podawane na jego wejścia napięcia zmiennego, które po wyprostowaniu i przejściu przez diodę D1 jest filtrowane w kondensatorze C2, a jego poziom jest wstępnie redukowany i stabilizowany za pomocą diody Zenera DZ. Przez mostek Gretza płynie cały prąd zasilający odbiornik w czasie jego włączenia.

Nieizolowany zasilacz niskonapięciowy według wynalazku pracuje w dwóch trybach: w trybie pierwszym, gdy włączony szeregowo w obwód zasilania zasilacza odbiornik Odb jest włączony oraz w trybie drugim, gdy odbiornik Odb jest wyłączony.

W trybie włączenia odbiornika Odb energia do zasilania zasilacza jest pobierana, dzięki diodzie Zenera DZ, która powoduje zmniejszenie napięcia zasilania tego odbiornika Odb oraz znaczne straty mocy na diodzie Zenera DZ. Wydzielane ciepło na diodzie Zenera DZ, w przypadku braku wystarczającego obciążenia zasilacza według wynalazku, redukowane jest poprzez włączany mikrokontrolerem uP tyrystor D2, włączany w poszczególnych półcyklach zasilającego napięcia sinusoidalnego, w momencie przekroczenia ustalonego napięcia Uz, monitorowanego przez mikrokontroler uP, a świadczącego o wzroście prądu diody Zenera DZ. Po włączeniu tyrystora D2 układ, aż do zakończenia półcyklu sinusoidy zasilany jest jedynie z energii zmagazynowanej w kondensatorze C2, a dioda zenera DZ jest całkowicie w tym czasie odciążona nie wydzielając ciepła, co zapewnia jej ochronę przed termicznym uszkodzeniem, dla odbiorników Odb większej mocy. Równocześnie z wyłączeniem tyrystora D2 obserwuje się niewielki spadek napięcia na wyjściu Nn zasilacza. Spadek napięcia Uz, równoznaczny ze spadkiem napięcia na wyjściu Nn powoduje wyłączenie przez mikrokontroler uP napięcia zasilającego bramkę B tyrystora D2 i w kolejnym półcyklu sinusoidy napięcia zasilającego, rozłączenie tyrystora D2 oraz ponowne przywrócenie zasilania kondensatora C2. Cykl ten powtarza się zapewniając ciągłe zasilanie na wyjściu zasilacza według wynalazku.

W trybie wyłączenia odbiornika Odb, poprzez rozwarcie sterowalnego włącznika Ws, minimalny wymagany do prawidłowej pracy zasilacza według wynalazku prąd wpływa do mostka Gretza G, poprzez kondensator C1 bocznikujący włącznik Ws. Po wyprostowaniu prąd z wyjścia mostka Gretza G ładuje kondensator C2, którego napięcie ograniczane jest, jak w trybie załączonego odbiornika Odb poprzez diodę Zenera DZ. W trybie wyłączonego odbiornika Odb nie zachodzi jednak konieczność ograniczania mocy wydzielanej na diodzie Zenera DZ, ponieważ prąd w obwodzie zasilania jest niewielki, w związku z czym mikrokontroler uP nie włącza okresowo, jak to miało miejsce w trybie pierwszym, tyrystora D2 a kondensator C2 ładowany jest prądem każdego, całego półokresu wyprostowanego mostkiem Gretza G przebiegu sinusoidalnego. W momencie wyłączenia odbiornika Odb do zasilacza wpływa minimalny prąd wymagany do podtrzymania napięcia wyjściowego zasilacza, a niemal całe napięcie sieciowe odkłada się na kondensatorze C1 bocznikującym sterowalny włącznik Ws odbiornika.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Nieizolowany zasilacz niskonapięciowy zasilany z sieci elektroenergetycznej, który zawiera mostek Gretza, a dioda Zenera połączona jest równolegle z kondensatorem, przy czym połączony jest z włączanym odbiornikiem energii elektrycznej i z mikrokontrolerem, znamienny tym, że jedno z wejść napięcia zmiennego mostka Gretza (G) połączone jest szeregowo z odbiornikiem energii elektrycznej (Odb) o mocy, co najmniej 15 W poprzez włącznik (Ws) zbocznikowany kondensatorem pierwszym (C1), a drugie z wejść napięcia zmiennego mostka Gretza (G) połączone jest z siecią elektroenergetyczną, zaś biegun dodatni mostka Gretza (G) połączony jest z anodą diody pierwszej (D1) i z anodą tyrystora (D2), zaś katoda diody pierwszej (D1) połączona jest z biegunem dodatnim kondensatora drugiego (C2), z katodą diody Zenera (DZ) i z wejściem dodatnim zasilania mikrokontrolera (uP), którego wyjście sterujące (So) poprzez rezystor (R) połączone jest z bramką (B) tyrystora (D2), a linia sterująca (Sw) mikrokontrolera (uP) z wejściem sterującym włączonego szeregowo w obwód zasilania sterowalnego włącznika (Ws) zbocznikowanego kondensatorem (C1), przy czym wyjście ujemne mostka Gretza (G), katoda tyrystora (D2), biegun ujemny kondensatora drugiego (C2), anoda diody Zenera (DZ), wejście ujemne zasilania mikrokontrolera (uP) i wyjście (Nn) połączone są z masą.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemność kondensatora pierwszego (C1) wynosi około 100 nF a pojemność kondensatora drugiego (C2) wynosi, co najmniej 470 pF.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kondensatory bocznikujący odbiornik (Co) i pierwszy (C1) są kondensatorami polipropylenowymi o napięciu nominalnym 400 V.