RU2451384C1 - Transformerless dc power supply source - Google Patents

Transformerless dc power supply source Download PDF

Info

Publication number
RU2451384C1
RU2451384C1 RU2011114690/07A RU2011114690A RU2451384C1 RU 2451384 C1 RU2451384 C1 RU 2451384C1 RU 2011114690/07 A RU2011114690/07 A RU 2011114690/07A RU 2011114690 A RU2011114690 A RU 2011114690A RU 2451384 C1 RU2451384 C1 RU 2451384C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
power
voltage
filter capacitor
capacitor
network
Prior art date
Application number
RU2011114690/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Фёдорович Меньших (RU)
Олег Фёдорович Меньших
Original Assignee
Олег Фёдорович Меньших
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Олег Фёдорович Меньших filed Critical Олег Фёдорович Меньших
Priority to RU2011114690/07A priority Critical patent/RU2451384C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2451384C1 publication Critical patent/RU2451384C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: transformerless DC power supply source comprises two parallel connected half-wave circuits from serially connected diode and accumulating capacitor, operating in turns from positive and negative half-periods of AC network voltage, accumulating capacitors in which are connected with one pole of the filter capacitor via separating diodes, and with the other pole - via thyristors, control electrodes of which are connected to phase and zero conductors of the network, to which half-wave circuits are also connected via stabilitrons of alternate start-up of thyristors. An overvoltage protection stabilitron is connected in parallel to the low pass filter capacitor. Design simplification is related to exclusion of a step-down transformer from the low-voltage DC power supply source connected to the AC network. Accounting of power carried out with the help of an electric counter of active power will only show around 20% from the actually consumed power in the proposed circuit, since the latter is a complex load for an AC circuit with a dominant portion of a reactive component of a capacitance power.
EFFECT: design simplification and substantial reduction of an active component of consumed power.
2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока.The invention relates to electrical engineering and can be used as a simple and economical source of low voltage direct current connected to an alternating current network.

В приборах бытовой техники нашли широкое применение низковольтные источники постоянного тока, подключаемые к сети переменного тока 220 В 50 Гц. Основными элементами таких источников являются понижающие трансформаторы, выпрямительные схемы и фильтры нижних частот [1].In household appliances, low-voltage direct current sources connected to an alternating current network of 220 V 50 Hz are widely used. The main elements of such sources are step-down transformers, rectifier circuits and low-pass filters [1].

Одним из недостатков таких устройств является применение в них понижающих трансформаторов.One of the disadvantages of such devices is the use of step-down transformers in them.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.The specified disadvantage is eliminated in the claimed technical solution.

Целью изобретения является упрощение конструкции и существенное уменьшение активной составляющей потребляемой энергии от источника переменного тока по сравнению с энергией постоянного тока в активной нагрузке.The aim of the invention is to simplify the design and a significant reduction in the active component of the energy consumed from the AC source compared with DC energy in an active load.

Указанные цели достигаются в заявляемом бестрансформаторном источнике постоянного тока, содержащем однополупериодные выпрямители и конденсатор фильтра нижних частот, отличающемся тем, что включает две параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к сетевому источнику переменного тока - соответственно к его фазному и нулевому проводникам, к которым подключены также указанные выше однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров, кроме того, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения.These goals are achieved in the inventive transformerless DC source containing half-wave rectifiers and a low-pass filter capacitor, characterized in that it includes two parallel half-wave circuits of series-connected diodes and a storage capacitor, operating alternately from the positive and negative half-periods of the alternating voltage of the network, storage capacitors in which they are connected to one pole of the filter capacitor through isolation diodes, and to the other the opposite pole — through thyristors, the control electrodes of which are connected to a network AC source — respectively to its phase and neutral conductors, to which the above half-wave circuits are also connected via zener diodes of alternating triggering of thyristors, in addition, a zener diode is connected in parallel to the low-pass filter capacitor overvoltage.

Достижение указанных целей объясняется отсутствием в схеме источника понижающего трансформатора, а также комплексным характером устройства для сетевого источника переменного напряжения, в котором доля реактивной (емкостной) составляющей является доминирующей.Achieving these goals is explained by the absence of a step-down transformer source in the circuit, as well as by the complex nature of the device for an AC voltage source in which the share of the reactive (capacitive) component is dominant.

Схема устройства представлена на рис.1, а действие его поясняется диаграммами напряжений, представленными на рис.2.The device diagram is shown in Fig. 1, and its effect is illustrated by the voltage diagrams presented in Fig. 2.

Схема источника включает следующие элементы:The source schema includes the following elements:

Д1 - выпрямительный диод первой зарядной цепи,D 1 - rectifying diode of the first charging circuit,

C1 - накопительный конденсатор первой зарядной цепи,C 1 - storage capacitor of the first charging circuit,

Д2 - выпрямительный диод второй зарядной цепи,D 2 - rectifying diode of the second charging circuit,

C2 - накопительный конденсатор второй зарядной цепи,C 2 - storage capacitor of the second charging circuit,

Д3 - разделительный диод второй зарядной цепи,D 3 - dividing diode of the second charging circuit,

Д4 - разделительный диод первой зарядной цепи,D 4 - dividing diode of the first charging circuit,

T1 - тиристор второй зарядной цепи,T 1 - thyristor of the second charging circuit,

T2 - тиристор первой зарядной цепи,T 2 - thyristor of the first charging circuit,

S1 - стабилитрон запуска тиристора Т1 второй зарядной цепи,S 1 is a zener diode of the thyristor T 1 start of the second charging circuit,

S2 - стабилитрон запуска тиристора Т2 первой зарядной цепи,S 2 is a zener diode of the thyristor T 2 start of the first charging circuit,

С3 - конденсатор фильтра нижних частот,C 3 - low-pass filter capacitor,

S3 - стабилитрон защиты от перенапряжения на конденсаторе С3.S 3 - Zener diode on the capacitor C 3 .

Рассмотрим действие заявляемого устройства.Consider the action of the claimed device.

Переменное напряжение электрической сети (рис.2,а) с периодом Т и амплитудой Uo прикладывается через стабилитроны запуска S1 и S2 к параллельно включенным однополупериодным выпрямительным цепям из выпрямительных диодов Д12) и накопительных конденсаторов C12) соответственно. Последние заряжаются попеременно от положительных и отрицательных полуволн сетевого переменного напряжения до амплитудных значений Uo в течение времени четверти периода Т/4, как это видно из рис.2,b и 2,с. Разряд этих конденсаторов через соответствующие разделительные диоды Д43) и тиристоры Т2 (T1) на конденсатор фильтра нижних частот С3 происходит поочередно: когда в первой четверти положительной полуволны сетевого напряжения происходит заряд накопительного конденсатора C1 и далее сохраняется неизменным и равным Uo до момента времени (Т/2)+Δt1, как это видно на рис.2,b, от указанного момента времени происходит разряд накопительного конденсатора С2 на конденсатор фильтра нижних частот С3, наоборот, во время заряда от отрицательного полупериода сетевого напряжения накопительного конденсатора С2 происходит разряд с накопительного конденсатора C1 на конденсатор фильтра нижних частот С3. Причем разряд накопительного конденсатора C1 осуществляется при открытии тиристора Т2, а для разряда накопительного конденсатора С2 открывается тиристор T1. Указанные тиристоры поочередно открываются управляющими напряжениями, образующимися на стабилитронах запуска S2 и S1 соответственно.An alternating voltage of the electric network (Fig. 2, a) with a period T and an amplitude U o is applied through the triggering zener diodes S 1 and S 2 to parallel connected half-wave rectifier circuits from rectifier diodes D 1 (D 2 ) and storage capacitors C 1 (C 2 ) respectively. The latter are charged alternately from the positive and negative half-waves of the AC alternating voltage to the amplitude values of U o during the time of a quarter of the T / 4 period, as can be seen from Fig. 2, b and 2, c. The discharge of these capacitors through the corresponding isolation diodes D 4 (D 3 ) and thyristors T 2 (T 1 ) to the low-pass filter capacitor C 3 takes place alternately: when the charge of the storage capacitor C 1 occurs in the first quarter of the positive half-wave of the mains voltage and then remains unchanged and equal to U o until the time instant (T / 2) + Δt 1 , as can be seen in Fig. 2b, from the indicated time instant, the storage capacitor C 2 is discharged to the low-pass filter capacitor C 3 , on the contrary, during charging from negative half IRS mains voltage storage capacitor C 2 discharge occurs from the storage capacitor C 1 to the low pass filter capacitor C 3. Moreover, the discharge of the storage capacitor C 1 is carried out at the opening of the thyristor T 2 , and for the discharge of the storage capacitor C 2 opens the thyristor T 1 . These thyristors are alternately opened by control voltages generated on the trigger zener diodes S 2 and S 1, respectively.

Временные диаграммы напряжений на накопительных конденсаторах uC1(t) и uC2(t) представлены на рис.2,b и 2,с. Когда напряжение сети достигает некоторого небольшого уровня, соответствующего напряжению пробоя стабилитронов запуска S1 для положительного полупериода и стабилитрона запуска S2 для отрицательного полупериода, открываются тиристоры T1 и Т2 соответственно через интервал времени Δt1. Разряд накопительных конденсаторов C1 и C2 поочередно и в соответствующие полупериоды сетевого напряжения на конденсатор фильтра нижних частот С3 происходит быстро в течение времени Δt2, как это видно на рис.2,d. Частота подзарядов конденсатора С3 равна 2F=2/T.Timing diagrams of voltages at the storage capacitors u C1 (t) and u C2 (t) are presented in Fig. 2, b and 2, c. When the mains voltage reaches a certain small level corresponding to the breakdown voltage of the triggering zener diodes S 1 for the positive half-cycle and the triggering zener diode S2 for the negative half-cycle, the thyristors T 1 and T 2, respectively, open after a time interval Δt 1 . The discharge of the storage capacitors C 1 and C 2 alternately and in the corresponding half-periods of the mains voltage to the low-pass filter capacitor C 3 occurs quickly during the time Δt 2 , as can be seen in Fig. 2, d. The frequency of the charges of the capacitor C 3 is 2F = 2 / T.

Важно отметить, что емкость конденсатора фильтра нижних частот С3 выбирают во много раз большей емкости накопительных конденсаторов C1 и C2, как это следует из соотношения С3>>C12. Нетрудно понять, что при этом напряжение UH на конденсаторе фильтра нижних частот С3 оказывается существенно меньше амплитуды сетевого напряжения Uo. Действительно, энергия заряженного накопительного конденсатора W1, как известно, определяется выражением W1=C1Uo2/2. С учетом неравенства С3>>C1 можно считать, что при разряде накопительного конденсатора на конденсатор фильтра нижних частот практически вся энергия W1 передается на конденсатор фильтра нижних частот, энергия которого становится приблизительно равной WФ≈C3UH2/2. Из этого следует величина так называемого коэффициента трансформации напряжения в такой схеме, равная k=UH/Uo≈(C13)1/2.It is important to note that the capacitance of the low-pass filter capacitor C 3 is chosen many times greater than the capacitance of the storage capacitors C 1 and C 2 , as follows from the relation C 3 >> C 1 = C 2 . It is easy to understand that in this case, the voltage U H on the capacitor of the low-pass filter C 3 is significantly less than the amplitude of the mains voltage U o . Indeed, the energy of the charged storage capacitor W 1 is known, given by the expression W = C 1 1 U o 2/2. In view of the inequality C 1 >> C 3 can assume that during the discharge of the storage capacitor in the lowpass filter capacitor practically all the energy W 1 is transmitted to the capacitor lowpass filter, whose energy becomes approximately equal to W 3 ≈C F U H 2/2. This implies the value of the so-called voltage transformation coefficient in such a circuit, equal to k = U H / U o ≈ (C 1 / C 3 ) 1/2 .

Величина емкости накопительных конденсаторов C1 и С2 определяет мощность источника постоянного тока Р=F C1 Uo2≈UH2/RH, где RH - сопротивление нагрузки (рис.1). Средний ток в нагрузке I=UH CP/Rн (см. рис.2).The value of the capacitance of the storage capacitors C 1 and C 2 determines the power of the DC source P = FC 1 U o 2 ≈U H 2 / R H , where R H is the load resistance (Fig. 1). Average current in the load I = U H CP / R n (see Fig. 2).

При отключении нагрузки напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот С3 будет возрастать, и этот низковольтный конденсатор электролитического типа может разрушиться от пробоя. Чтобы предотвратить опасность разрушения этого конденсатора, параллельно ему устанавливают стабилитрон защиты от перенапряжения S3 с напряжением пробоя (стабилизации) несколько большим расчетного напряжения UH. Поэтому при подключенной нагрузке RH этот стабилитрон не работает (является непроводящим). Рабочий ток через стабилитрон защиты S3 при отключенной нагрузки должен быть порядка тока I.When the load is disconnected, the voltage across the low-pass filter capacitor C 3 will increase, and this low-voltage electrolytic type capacitor may fail due to breakdown. In order to prevent the risk of destruction of this capacitor, a zener diode S 3 with a breakdown voltage (stabilization) somewhat higher than the rated voltage U H is installed in parallel with it. Therefore, when the load R H is connected, this zener diode does not work (it is non-conductive). The working current through the Zener diode S 3 with the load off should be of the order of current I.

Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.Consider an example implementation of the inventive device.

Пусть устройство подключено к сети напряжением 220 В, при этом Uо=310 В. Если емкости накопительных конденсаторов выбрать равными C12=30 мкФ с рабочим напряжением 400 В, то для получения выходного напряжения UH=12 В емкость конденсатора фильтра нижних частот С3 следует выбрать равнойLet the device be connected to a network voltage of 220 V, while U o = 310 V. If the capacitances of the storage capacitors are chosen equal to C 1 = C 2 = 30 μF with an operating voltage of 400 V, then to obtain the output voltage U H = 12 V, the filter capacitor capacity low frequencies C 3 should be chosen equal

С3=C1 (Uo/Uн)2≈20000 мкФ. Мощность такого источника питания с напряжением 12 В равна Р≈144 Вт, рассеиваемая в нагрузке Rн=1 Ом (ток в нагрузке 12 А).C 3 = C 1 (U o / U n ) 2 ≈20000 μF. The power of such a power source with a voltage of 12 V is equal to P≈144 W, dissipated in the load R n = 1 Ohm (current in the load is 12 A).

Расчеты показали, что данная схема для источника переменного напряжения представляет собой комплексную нагрузку, активная составляющая потребляемой энергии которой существенно меньше реактивной (емкостной) с соотношением приблизительно 1:4 и, следовательно, электросчетчик активной энергии, как правило устанавливаемый в квартирах и частных домах граждан, покажет лишь 20% от реально потребленной энергии от сети переменного тока. Действительно, когда сетевое напряжение достигает максимума (величины Uo), ток в накопительном конденсаторе равен нулю, хотя он максимален в случае чисто активной нагрузки. Правильный учет расходуемой от сети энергии электрического тока возможен при установке дополнительно последовательно подключенного электросчетчика реактивной энергии. Если совместно с рассматриваемой схемой в том же помещении работают электродвигатели с малым cosφ, то возможна полная или частичная компенсация реактивностей (емкостной и индуктивной), и учет энергии электросчетчиком активной энергии будет более правильным.The calculations showed that this circuit for an AC voltage source is a complex load, the active component of the energy consumed which is significantly less than the reactive (capacitive) with a ratio of approximately 1: 4 and, therefore, an active energy meter, usually installed in apartments and private houses of citizens, will show only 20% of the actually consumed energy from the AC network. Indeed, when the mains voltage reaches its maximum (U o value), the current in the storage capacitor is zero, although it is maximum in the case of a purely active load. The correct accounting of the electric current energy consumed from the network is possible when installing an additional series-connected reactive energy meter. If electric motors with small cosφ operate in the same room together with the circuit under consideration, full or partial compensation of reactances (capacitive and inductive) is possible, and energy metering by an active energy meter will be more correct.

Возможна дополнительная электронная фильтрация выходного постоянного тока с помощью широко известных схем.Additional electronic filtering of the output DC current is possible using well-known circuits.

Заявляемое устройство может найти спрос у разработчиков бытовых электронных приборов - телевизоров, компьютеров, музыкальных центров, радиотелефонов, светильников на светодиодных матрицах и др.The inventive device may find demand among developers of household electronic devices - televisions, computers, music centers, cordless phones, LED matrix lights, etc.

Заявляемое техническое решение следует запатентовать в основных зарубежных странах по соображениям экономической целесообразности.The claimed technical solution should be patented in major foreign countries for reasons of economic feasibility.

ЛитератураLiterature

1. 750 практических электронных схем. Справочное руководство под ред. Р.Фелпса, пер. с англ. В.А.Логинова, М., «Мир», 1986, с.3-40.1. 750 practical electronic circuits. Reference Guide Ed. R. Phelps, per. from English V.A. Loginova, M., Mir, 1986, pp. 3-40.

Claims (1)

Бестрансформаторный источник постоянного тока, содержащий однополупериодные выпрямители и конденсатор фильтра нижних частот, отличающийся тем, что включает две параллельно включенные однополупериодные цепи из последовательно включенных диода и накопительного конденсатора, работающие поочередно от положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения сети, накопительные конденсаторы в которых соединены с одним полюсом конденсатора фильтра через разделительные диоды, а с другим полюсом - через тиристоры, управляющие электроды которых подключены к сетевому источнику переменного тока - соответственно к его фазному и нулевому проводникам, к которым подключены также указанные выше однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров, кроме того, параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения. A transformerless DC source containing half-wave rectifiers and a low-pass filter capacitor, characterized in that it includes two parallel half-wave circuits of series-connected diodes and a storage capacitor, operating alternately from the positive and negative half-periods of the AC voltage, the storage capacitors in which are connected to one filter capacitor pole through isolation diodes, and with the other pole through thyristors controlling the electrodes of which are connected to the AC alternating current source, respectively, to its phase and neutral conductors, to which the above half-wave circuits are also connected via zener diodes of alternating triggering of thyristors, in addition, a surge protection diode is connected in parallel to the low-pass filter capacitor.
RU2011114690/07A 2011-04-13 2011-04-13 Transformerless dc power supply source RU2451384C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011114690/07A RU2451384C1 (en) 2011-04-13 2011-04-13 Transformerless dc power supply source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011114690/07A RU2451384C1 (en) 2011-04-13 2011-04-13 Transformerless dc power supply source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2451384C1 true RU2451384C1 (en) 2012-05-20

Family

ID=46230899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011114690/07A RU2451384C1 (en) 2011-04-13 2011-04-13 Transformerless dc power supply source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2451384C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1001380A1 (en) * 1981-07-13 1983-02-28 Горьковский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Им.А.А.Жданова Ac voltage-to-dc voltage converter
GB2205008A (en) * 1987-05-20 1988-11-23 Tsai Yu Ching AC-CD Converters
UA21203U (en) * 2006-05-10 2007-03-15 Univ Vinnytsia Nat Tech Direct current amplifier

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1001380A1 (en) * 1981-07-13 1983-02-28 Горьковский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Им.А.А.Жданова Ac voltage-to-dc voltage converter
GB2205008A (en) * 1987-05-20 1988-11-23 Tsai Yu Ching AC-CD Converters
UA21203U (en) * 2006-05-10 2007-03-15 Univ Vinnytsia Nat Tech Direct current amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102201666B (en) Control circuit and use the electric machine of this control circuit
CZ300880B6 (en) Polarized PECS device for electric charge storage and method for using PECS device in alternating networks
TWI402654B (en) Electronic direct-current voltage intermediate circuit
RU2012146122A (en) HOUSEHOLD APPLIANCES
Kularatna Supercapacitor Assisted Low Dropout Regulators (SCALDO) for high efficiency DC-DC converters for DC microgrid applications
US20140327308A1 (en) Solid-State Bi-Directional Balanced Energy Conversion and Management System
RU2451384C1 (en) Transformerless dc power supply source
CN210007482U (en) interphase power taking device capable of avoiding influence of single-phase earth fault
CN105659486B (en) Power converter
Lyu et al. A high-power-density single-phase inverter with pulse current injection power decoupling method
CN109639126A (en) Anti-surging current circuit and electrical equipment
RU115132U1 (en) AUTONOMOUS INVERTER VOLTAGE CONVERTER
RU99667U1 (en) AC VOLTAGE CONVERTER TO DC
RU138388U1 (en) DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF SUBMOTOR PUMP MOTOR
RU2692677C1 (en) Uncontrolled diode rectifier
RU145566U1 (en) STABILIZING CONVERTER OF AC THREE-PHASE VOLTAGE TO DC
RU2484575C1 (en) Transformerless dc power supply source
KR101532474B1 (en) electrical saving apparatus having an Anti-PowerShock function
RU165904U1 (en) INTEGRATOR OF CURRENTS AND VOLTAGES
RU63134U1 (en) STABILIZING CONVERTER OF AC THREE-PHASE VOLTAGE TO DC
RU2686057C1 (en) Diode rectifier
RU2755519C1 (en) Controlled apparatus for regulated charging of capacitive load
CN217545566U (en) Anti-surge protection circuit and power utilization system
RU73563U1 (en) DEVICE FOR REGULATING ELECTRIC POWER CONSUMER ELECTRIC NETWORK
CN116707281B (en) Harmonic suppression circuit, power supply circuit and power supply adapter