RU2123755C1

RU2123755C1 - Secondary power supply

Info

Publication number: RU2123755C1
Application number: RU97103932A
Authority: RU
Inventors: Б.С. Сергеев; Н.Б. Курченкова
Original assignee: Уральская государственная академия путей сообщений
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1998-12-20

Abstract

FIELD: conversion of ac voltage, for example that of commercial frequency, into electrically isolated DC voltage for feeding various pieces of electronic equipment. SUBSTANCE: secondary power supply has diode bridge 1 whose input leads are connected through input capacitor 2 to ac supply mains 3. Voltage picked off output leads of bridge 1 arrives at filter capacitor 4. Supply voltage is passed to DC pulse converter 8 through transistor 6 which is driven in conduction only after voltage across capacitor 4 reaches desired level depending on control voltage of voltage regulator diode 5. Thyristor 5 is turned on and base of transistor 6 starts passing current limited by resistor 11. In this way, supply voltage is applied to converter 8 only after certain energy is stored in capacitor 4 and not immediately after supply mains 3 is energized. This makes it possible for converter 8 to function in starting mode characterized by higher input current compared with its rated value. Voltage across capacitor 4, that is, across input of converter 8, decreases within rather low limits in starting mode so that value of capacitor 4 is high and is used to smooth down low-frequency output-voltage ripples of supply mains 3. EFFECT: reduced value of input capacitor due to forcing starting current by energy stored in filter, this capacitance being dependent on converter functioning under rated conditions. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям переменного напряжения в постоянное с электрической изоляцией входного и выходного напряжений и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания для электронных приборов самого различного назначения. The invention relates to electrical engineering, namely to AC to DC converters with electrical isolation of input and output voltages and can be used as a secondary power source for electronic devices of various purposes.

Известны источники вторичного электропитания, у которых переменное напряжение выпрямляется диодным мостом, сглаживается конденсаторным фильтром, а затем полученное постоянное напряжение преобразуется импульсным преобразователем, имеющим электрическую изоляцию входного и выходного напряжений [1]. Недостатком таких источников питания является сложность схемы, невысокая энергетическая эффективность и надежность работы, а также высокая стоимость. Это обусловлено тем, что при высоких напряжениях сети, например 220 или 380 В, выпрямленное и сглаженное после диодного моста постоянное напряжение также высоко (более 300 В). Для коммутации высокого напряжения в диодном мосте и в преобразователе требуются дорогостоящие и сравнительно ненадежные полупроводниковые приборы, необходимо введение специальных устройств для формирования траектории движения рабочей точки силовых транзисторов при их переключении, а также использование схем демпфирования мощных импульсных сигналов. Кроме того, должны приниматься специальные меры по исключению пусковых токов при включении источника питания и заряде конденсаторов высоковольтного сглаживающего фильтра. Использование дорогих высоковольтных полупроводниковых приборов и конденсаторов и усложнение схемы увеличивает стоимость устройства. Наличие высокого напряжения, от которого питается схема управления силовым транзистором, снижает КПД источника питания. There are known sources of secondary power supply, in which an alternating voltage is rectified by a diode bridge, smoothed by a capacitor filter, and then the resulting constant voltage is converted by a pulse converter having electrical isolation of the input and output voltages [1]. The disadvantage of such power sources is the complexity of the circuit, low energy efficiency and reliability, as well as high cost. This is due to the fact that at high network voltages, for example 220 or 380 V, the DC voltage rectified and smoothed after the diode bridge is also high (more than 300 V). High voltage switching in the diode bridge and in the converter requires expensive and relatively unreliable semiconductor devices, it is necessary to introduce special devices to form the trajectory of the operating point of the power transistors when they are switched, and also use damping schemes of powerful pulse signals. In addition, special measures must be taken to exclude inrush currents when the power source is turned on and the capacitors of the high-voltage smoothing filter are charged. The use of expensive high-voltage semiconductor devices and capacitors and the complexity of the circuit increases the cost of the device. The presence of a high voltage, from which the power transistor control circuit is powered, reduces the efficiency of the power source.

Гораздо более простым является источник вторичного электропитания, у которого для электрической изоляции и согласования уровней напряжения применяется низкочастотный, в частности 50 Гц, силовой трансформатор [2]. Недостатком этого устройства является высокая материалоемкость - значительный расход остродефицитных и дорогостоящих трансформаторной стали и меди. A much simpler source is the secondary power supply, which uses a low-frequency, in particular 50 Hz, power transformer for electrical isolation and coordination of voltage levels [2]. The disadvantage of this device is its high material consumption - a significant consumption of severely deficient and expensive transformer steel and copper.

Известны также источники вторичного электропитания, у которых входное напряжение импульсного преобразователя постоянного напряжения невелико и отсутствует низкочастотный силовой трансформатор [3]. Такие устройства содержат тиристор, а также диодный мост, входные выводы которого через входной конденсатор соединены с сетью переменного напряжения, а выходные подключены к входу преобразователя постоянного напряжения и к фильтрующему конденсатору. Известны также аналогичные устройства с применением транзисторов [4]. Secondary power sources are also known in which the input voltage of the pulse DC-DC converter is small and there is no low-frequency power transformer [3]. Such devices contain a thyristor, as well as a diode bridge, the input terminals of which are connected through an input capacitor to an alternating voltage network, and the output terminals are connected to an input of a DC voltage converter and to a filtering capacitor. Similar devices using transistors are also known [4].

Недостатком подобного устройства является трудность обеспечения первоначально пуска импульсного преобразователя постоянного напряжения. Это обусловлено тем, что в начальный момент включения источника вторичного электропитания при разряженных выходных конденсаторах преобразователя его входной ток обычно превышает установившееся значение, иногда значительно. Если емкость входного конденсатора выбрана таким образом, что обеспечивается работа источника питания при номинальном токе нагрузки, то при увеличенном пусковом токе преобразователь может не запуститься из-за недопустимого снижения напряжения на его входе. Можно увеличить емкость входного конденсатора, однако, это нерационально, так как при этом увеличиваются масса и габариты устройства и стоимость. Кроме того, при этом увеличивается напряжение на входе преобразователя, что вызывает необходимость применения в нем более высоковольтных силовых транзисторов и фильтрующего конденсатора. The disadvantage of such a device is the difficulty of providing the initial start-up of a pulsed DC-DC converter. This is due to the fact that at the initial moment of switching on the secondary power source with discharged output capacitors of the converter, its input current usually exceeds the steady-state value, sometimes significantly. If the capacitance of the input capacitor is selected in such a way that the power source is operated at a rated load current, then with an increased inrush current, the converter may not start due to an unacceptable voltage drop at its input. You can increase the capacity of the input capacitor, however, this is irrational, since this increases the mass and dimensions of the device and cost. In addition, this increases the voltage at the input of the converter, which necessitates the use of more high-voltage power transistors and a filtering capacitor in it.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно - обеспечение пускового режима работы источника вторичного электропитания при минимальной емкости входного конденсатора, что приведет к повышению надежности работы, уменьшению материалоемкости, массы и габаритов и снижению стоимости. The aim of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, providing a starting mode of operation of the secondary power source with a minimum input capacitor capacity, which will lead to increased reliability, reduced material consumption, weight and dimensions and reduced cost.

Указанная цель достигается тем, что на начальном интервале времени пускового режима подключение импульсного преобразователя к напряжению на фильтрующем конденсаторе осуществляется только после того, как напряжение на нем достигнет определенной величины и энергии, запасенной к этому времени в фильтрующем конденсаторе, достаточно для надежного запуска преобразователя. Подключение входа преобразователя осуществляется транзистором, который включается тиристором, управляющий электрод которого через стабилитрон и один из резисторов соединен с выходом диодного моста. This goal is achieved by the fact that at the initial time interval of the start-up mode, the pulse converter is connected to the voltage on the filtering capacitor only after the voltage on it reaches a certain value and the energy stored at that time in the filtering capacitor is sufficient for reliable start-up of the converter. The input of the converter is connected by a transistor, which is turned on by a thyristor, the control electrode of which is connected through the zener diode and one of the resistors to the output of the diode bridge.

На чертеже приведена схема источника вторичного электропитания. Источник содержит диодный мост 1, входные выводы которого через входной конденсатор 2 подключены к сети переменного напряжения 3. Положительный выходной вывод моста 1 подключен к первому выводу фильтрующего конденсатора 4, катоду стабилитрона 5 и к эмиттеру транзистора 6 проводимости p-n-p типа. Отрицательный выходной вывод моста 1 соединен со вторым выводом конденсатора 4, с катодом тиристора 7 и с отрицательным входным выводом импульсного преобразователя постоянного напряжения 8 с электрической изоляцией входного и выходного напряжений, выходные выводы которого подключены к нагрузке 9. Анод стабилитрона 5 через первый резистор 10 соединен с управляющим электродом тиристора 7, анод которого через второй резистор 11 подключен к базе транзистора 6, эмиттером соединенного с положительным входом преобразователя 8. The drawing shows a diagram of a secondary power source. The source contains a diode bridge 1, the input terminals of which are connected to an alternating voltage network 3 through the input capacitor 2. The positive output terminal of the bridge 1 is connected to the first output of the filtering capacitor 4, the zener diode 5 cathode, and the emitter of a p-n-p type conductivity transistor 6. The negative output terminal of the bridge 1 is connected to the second terminal of the capacitor 4, with the cathode of the thyristor 7 and with the negative input terminal of the pulse DC-converter 8 with electrical isolation of the input and output voltages, the output terminals of which are connected to the load 9. The anode of the zener diode 5 is connected through the first resistor 10 with a control electrode of the thyristor 7, the anode of which is connected through the second resistor 11 to the base of the transistor 6, an emitter connected to the positive input of the converter 8.

Источник вторичного электропитания работает следующим образом. В первоначальный момент подачи напряжения сети 3 фильтрующий конденсатор 4 заряжается через диодный мост 1. Ток заряда определяется реактивным сопротивлением входного конденсатора 2, то есть величиной его емкости. Чем больше емкость, тем больше ток заряда и тем быстрее он зарядится до заданного напряжения. Так как на начальном этапе времени напряжение на конденсаторе 4 невелико и он заряжается относительно продолжительное время, то стабилитрон 5 заперт, что обуславливает запертое состояние тиристора 7 и транзистора 6. В соответствии с этим на входе преобразователя 8 отсутствует питающее напряжение, и он не работает. The secondary power source operates as follows. At the initial moment of supplying voltage to the network 3, the filter capacitor 4 is charged through the diode bridge 1. The charge current is determined by the reactance of the input capacitor 2, that is, the value of its capacitance. The larger the capacitance, the greater the charge current and the faster it will charge to a given voltage. Since at the initial stage of time the voltage on the capacitor 4 is small and it charges for a relatively long time, the zener diode 5 is locked, which causes the locked state of the thyristor 7 and transistor 6. In accordance with this, there is no supply voltage at the input of the converter 8, and it does not work.

По мере заряда конденсатора 4 напряжение на нем увеличивается, и когда оно достигнет напряжения включения стабилитрона 5, включится тиристор 7, что обусловит появление базового тока транзистора 6, который ограничивается вторым резистором 11. Транзистор 6 открывается и на входы преобразователя 8 подается питающее напряжение. Если емкость конденсатора 4 выбрана достаточно большой, то запуск преобразователя 8 не вызовет значительного снижения напряжения питающего напряжения преобразователя 8, который после пуска начинает работать в номинальном режиме, обеспечивая нагрузку 9 требуемым электрически изолированным постоянным напряжением. As the capacitor 4 charges, the voltage across it increases, and when it reaches the zener voltage of the zener diode 5, the thyristor 7 will turn on, which will cause the base current of the transistor 6 to appear, which is limited by the second resistor 11. The transistor 6 opens and a supply voltage is applied to the inputs of the converter 8. If the capacitance of the capacitor 4 is chosen large enough, then starting the converter 8 will not cause a significant decrease in the supply voltage of the converter 8, which after starting starts to work in nominal mode, providing the load 9 with the required electrically isolated constant voltage.

В момент пуска преобразователя, когда он потребляет значительный ток, напряжение на конденсаторе 4 снижается (в допустимых пределах) и стабилитрон 5 запирается, однако, это не приводит к запиранию транзистора 6, так как тиристор 7 остается в открытом состоянии за счет протекания через него тока анода. Резистор 10 служит для ограничения тока через стабилитрон 5 и управляющий электрод тиристора 7. At the moment of start-up of the converter, when it consumes significant current, the voltage across the capacitor 4 decreases (within acceptable limits) and the zener diode 5 is locked, however, this does not lock the transistor 6, since the thyristor 7 remains in the open state due to the flow of current through it anode. The resistor 10 serves to limit the current through the zener diode 5 and the control electrode of the thyristor 7.

Так как емкость конденсатора 4 выбирается достаточно большой, исходя из требований получения достаточно низких величин пульсаций сглаживаемого низкочастотного напряжения сети 3 (в частности 50 Гц), то ее практически всегда хватает для осуществления пуска относительно высокочастотного преобразователя 8 с относительно малыми емкостями выходного фильтра. Since the capacitance of the capacitor 4 is chosen large enough, based on the requirements for obtaining sufficiently low ripple values of the smoothed low-frequency voltage of the network 3 (in particular, 50 Hz), it is almost always enough to start the relatively high-frequency converter 8 with relatively small output filter capacities.

В качестве тиристора 7 может быть использован его транзисторный аналог на транзисторах противоположного типа проводимости. Применение его оправдано при малых мощностях, потребляемых устройством. Тогда ток базы транзистора 6, являющийся током анода тиристора 7, может быть сделан достаточно малым и повысится КПД устройства. Для дальнейшего уменьшения тока базы транзистор 6 может быть сделан составным. As a thyristor 7, its transistor analog on transistors of the opposite type of conductivity can be used. Its use is justified at low capacities consumed by the device. Then the base current of the transistor 6, which is the current of the anode of the thyristor 7, can be made sufficiently small and the efficiency of the device will increase. To further reduce the base current, the transistor 6 can be made composite.

Следовательно, пуск импульсного преобразователя 8 осуществляется не током, протекающим через входной конденсатор 2, а за счет энергии, накопленной в фильтрующем конденсаторе 4. Therefore, the start of the pulse converter 8 is carried out not by the current flowing through the input capacitor 2, but due to the energy stored in the filtering capacitor 4.

Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается пуск импульсного преобразователя постоянного напряжения источника вторичного электропитания при минимально необходимой емкости входного конденсатора, емкость которого определяет массогабаритные и экономические характеристики устройства. Это дает возможность с одной стороны уменьшить массу и объем источника электропитания, с другой - снизить его стоимость. Thus, in the proposed technical solution, the start-up of the pulsed DC-DC converter of the secondary power source is provided with the minimum required capacitance of the input capacitor, the capacity of which determines the overall dimensions and economic characteristics of the device. This makes it possible on the one hand to reduce the mass and volume of the power source, on the other hand, to reduce its cost.

Работа предлагаемого источника вторичного электропитания проверена на макете. В качестве преобразователя 8 использовался импульсный преобразователь постоянного напряжения с электрической изоляцией напряжений и допустимым диапазоном изменений входного напряжения 20-72 В типа NFC15-48SO5-4 фирмы "Computer products" (Ирландия), диоды моста 1 - 2Д212А, фильтрующий конденсатор 4 - 63 B x 1000 мкФ, тиристор 7 выполнен на транзисторах 2ТС622 и 1НТ251 различного типа проводимости, входной конденсатор 2 - 6,8 мкФ х 400 В. The operation of the proposed secondary power source is tested on the layout. As converter 8, we used a pulsed DC-voltage converter with electrical isolation of voltages and an acceptable input voltage range of 20-72 V, type NFC15-48SO5-4 from Computer products (Ireland), bridge diodes 1 - 2D212A, filter capacitor 4 - 63 B x 1000 μF, thyristor 7 is made with 2TC622 and 1NT251 transistors of various types of conductivity, input capacitor 2 - 6.8 μF x 400 V.

Claims

A secondary power source containing a DC voltage converter, a zener diode, two resistors, a transistor, a thyristor, and a diode bridge, the input terminals of which are connected to an alternating voltage network via an input capacitor, the positive output terminal of the diode bridge is connected to the first output of the filtering capacitor, and the negative one to the second output of the filtering capacitor, the cathode of the thyristor and the negative input terminal of the DC / DC converter, characterized in that with a positive The output terminal of the diode bridge is connected to the emitter of the transistor, which uses a pnp type transistor, and a zener diode cathode, the anode of which is connected to the thyristor control electrode through the first resistor, and the anode through the second resistor is connected to the base of the transistor, the collector of which is connected to the positive input terminal of the DC / DC converter voltage, the output terminals of which are designed to connect to the load.