RU2470450C1

RU2470450C1 - Step-down ac-to-dc voltage converter

Info

Publication number: RU2470450C1
Application number: RU2011148991/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Игоревич Щедрин
Original assignee: Андрей Игоревич Щедрин
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-12-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electronic equipment for conversion of AC voltage to DC voltage. The converter comprises a rectifier connected to a single-phase network of AC current, a control unit, and also a serial circuit comprising N capacitors (where N is more or equal to 2) and connected to the rectifier's output, and also units for collection and distribution of load current, joined with the specified serial circuit from N capacitors so that the specified capacitors are charged from the rectifier in serial connection, and discharge into the load circuit in parallel connection, besides, the device additionally comprises an electronic key, driven by signals of a control unit and providing for passage of the load current from the unit of current collection to the unit of current distribution at the moments, when amplitude of rectified voltage is less than the specified value, and units of load current collection and distribution are arranged in the form of diode combs, at the same time the serial circuit additionally includes N current-limiting resistors and N-1 or N diodes.

EFFECT: increased power ratio and simplified design of a proposed device.

6 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к электронной технике преобразования переменного напряжения в постоянное и может найти широкое применение в разнообразных вторичных источниках электропитания. Наиболее ожидаемая область применения - светодиодные осветительные приборы с питанием от сети переменного тока. Возможно также использование изобретения в преобразователях большой мощности и в преобразователях с пульсирующим выходным напряжением.The claimed invention relates to electronic techniques for converting AC voltage to DC and can be widely used in a variety of secondary power sources. The most anticipated area of application is LED lighting products powered by AC power. It is also possible to use the invention in converters of high power and in converters with a pulsating output voltage.

Уровень техники преобразования переменного напряжения промышленной частоты характеризуется известностью технических решений, заключающихся в выпрямлении сетевого напряжения, сглаживании его фильтрующим высоковольтным конденсатором и дальнейшим преобразованием с помощью индуктивного реактора, коммутируемого высоковольтным ключевым элементом на частоте, намного большей, чем частота питающей сети. Пример такого решения - патент США 5661645, 26.08.1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. К признакам, совпадающим с признаками заявляемого изобретения, относятся наличие выпрямителя сетевого напряжения, а также наличие силового высоковольтного ключевого элемента. Недостатки таких устройств вытекают, во-первых, из свойств самого выпрямителя, характеризующегося заметной долей реактивной составляющей в полной мощности (т.е. невысоким значением коэффициента мощности), отбираемой из сети вследствие зарядки сглаживающих конденсаторов. Во-вторых, такие устройства не могут быть простыми по конструкции (а следовательно, и дешевыми) ввиду наличия высоковольтных конденсаторов большой емкости, мощных и быстродействующих высоковольтных ключей и индуктивных реакторов с качественными сердечниками и изоляцией. Кроме того, такие устройства при их массовом применении представляют определенную угрозу загрязнения окружающей среды электромагнитным излучением, связанную с работой ключевого высоковольтного элемента на высокой частоте и с наличием индуктивного реактора.The level of technology for converting an alternating voltage of industrial frequency is known for technical solutions consisting in rectifying the mains voltage, smoothing it with a filtering high-voltage capacitor and further converting it with an inductive reactor switched by a high-voltage key element at a frequency much higher than the frequency of the mains. An example of such a solution is U.S. Patent 5661645, 08/26/1997, Power supply for light emitting diode array, Hochstein. Signs that match the features of the claimed invention include the presence of a mains voltage rectifier, as well as the presence of a high-voltage power key element. The disadvantages of such devices arise, firstly, from the properties of the rectifier itself, which is characterized by a noticeable fraction of the reactive component in full power (i.e., low power factor), taken from the network due to the charging of smoothing capacitors. Secondly, such devices cannot be simple in design (and, therefore, cheap) due to the presence of high-voltage capacitors of large capacity, powerful and high-speed high-voltage switches and inductive reactors with high-quality cores and insulation. In addition, such devices, when used massively, pose a certain threat of environmental pollution by electromagnetic radiation associated with the operation of a key high-voltage element at a high frequency and with the presence of an inductive reactor.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является решение, описанное в патенте США 6577072 В2, 10.06.2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al. В этом решении описан понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий выпрямитель, подключаемый к однофазной сети переменного тока, блок управления, а также последовательную цепь, состоящую из N конденсаторов (где N больше или равно 2) и подключенную к выходу выпрямителя, а также узлы сбора и распределения тока нагрузки, связанные с указанной последовательной цепью из N конденсаторов таким образом, что указанные конденсаторы заряжаются от выпрямителя в последовательном включении, а разряжаются в цепь нагрузки в параллельном включении. Недостатком этого устройства является невысокое значение коэффициента мощности, а также сложность конструкции. Описанное устройство содержит множество высоковольтных коммутирующих транзисторов, выполняющих роль ключей и узлов сбора и распределения тока нагрузки.The closest technical solution to the claimed one is the solution described in US patent 6577072 B2, 06/10/2003, Power supply and LED lamp device, Saito et al. This solution describes a step-down AC-to-DC converter, comprising a rectifier connected to a single-phase AC network, a control unit, as well as a series circuit consisting of N capacitors (where N is greater than or equal to 2) and connected to the output of the rectifier, as well as nodes collection and distribution of the load current associated with the indicated series circuit of N capacitors in such a way that these capacitors are charged from the rectifier in series connection, and discharged into the load circuit in parallel connection. The disadvantage of this device is the low value of the power factor, as well as the complexity of the design. The described device contains many high-voltage switching transistors that act as keys and nodes of the collection and distribution of the load current.

Техническим результатом, который достигается в заявленном изобретении, является увеличение коэффициента мощности и упрощение конструкции устройства.The technical result that is achieved in the claimed invention is to increase the power factor and simplify the design of the device.

Для достижения этого технического результата в понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий выпрямитель, подключаемый к однофазной сети переменного тока, блок управления, а также последовательную цепь, состоящую из N конденсаторов (где N больше или равно 2) и подключенную к выходу выпрямителя, а также узлы сбора и распределения тока нагрузки, связанные с указанной последовательной цепью из N конденсаторов таким образом, что указанные конденсаторы заряжаются от выпрямителя в последовательном включении, а разряжаются в цепь нагрузки в параллельном включении, вводится дополнительно электронный ключ, приводимый в действие сигналами блока управления и обеспечивающий протекание тока нагрузки от узла сбора тока до узла распределения тока в моменты, когда амплитуда выпрямленного напряжения меньше заданного значения, а узлы сбора и распределения тока нагрузки выполняются в виде диодных гребенок, при этом в последовательную цепь включены дополнительно N токоограничивающих резисторов и N-1 или N диодов.To achieve this technical result, a step-down converter of alternating voltage to DC, containing a rectifier connected to a single-phase AC network, a control unit, as well as a serial circuit consisting of N capacitors (where N is greater than or equal to 2) and connected to the output of the rectifier, and also the nodes of the collection and distribution of the load current associated with the indicated series circuit of N capacitors in such a way that these capacitors are charged from the rectifier in series connection, and once are charged into the load circuit in parallel connection, an additional electronic key is introduced, driven by the signals of the control unit and ensuring the flow of the load current from the current collection unit to the current distribution unit at times when the rectified voltage amplitude is less than the specified value, and the load current collection and distribution units are made in the form of diode combs, while N additional current-limiting resistors and N-1 or N diodes are included in the serial circuit.

Необходимо отметить, что технический эффект, заключающийся в увеличении коэффициента мощности, является неожиданным для реализации отличительных признаков заявляемого изобретения. При решении изобретательской задачи указанные признаки были направлены, в первую очередь, на реализацию простой схемы коммутации последовательной цепи конденсаторов переноса заряда (charge pump). Однако, оказалось, что совокупность этих признаков может обеспечить также и увеличение коэффициента мощности.It should be noted that the technical effect of increasing the power factor is unexpected for the implementation of the distinguishing features of the claimed invention. In solving the inventive problem, these signs were aimed, first of all, at the implementation of a simple circuit switching circuit of a series circuit of charge transfer capacitors (charge pump). However, it turned out that the combination of these features can also provide an increase in power factor.

На Фиг.1 изображена электрическая принципиальная схема преобразователя в соответствии с заявляемым изобретением.Figure 1 shows the electrical circuit diagram of the Converter in accordance with the claimed invention.

На Фиг.2 изображены эпюры напряжения и тока выпрямителя, иллюстрирующие работу устройства в обычном режиме (а) и при компенсации реактивной мощности (б).Figure 2 shows a plot of the voltage and current of the rectifier, illustrating the operation of the device in normal mode (a) and with reactive power compensation (b).

На Фиг.3 изображены варианты диодных гребенок узлов сбора и распределения тока нагрузки последовательные гребенки (а), параллельные гребенки (б), комбинированные гребенки (в).Figure 3 shows the options for diode combs nodes collection and distribution of the load current sequential combs (a), parallel combs (b), combined combs (c).

На Фиг.4 изображены конструктивные варианты реализации выпрямителя - однополупериодный (а), двухполупериодный мостовой (б), с ограничением тока (в), с защитными элементами на входе (г).Figure 4 shows the structural options for the implementation of the rectifier - half-wave (a), half-wave bridge (b), with current limitation (c), with protective elements at the input (g).

На Фиг.5 изображены схемотехнические решения по практической реализации электронного ключа и способов подключения нагрузки: с подключением нагрузки к цепи распределения тока (а), с подключением нагрузки к цепи сбора тока (б), с ключом на полевом МДП-транзисторе (в), на тиристоре (г), на оптотиристоре (д).Figure 5 shows the circuitry for the practical implementation of the electronic key and methods of connecting the load: with the load connected to the current distribution circuit (a), with the load connected to the current collection circuit (b), with the key on the MOSFET transistor (c), on the thyristor (g), on the optothyristor (d).

На Фиг.6 изображена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая один из простейших вариантов реализации заявленного изобретения.Figure 6 shows a circuit diagram illustrating one of the simplest embodiments of the claimed invention.

Устройство (Фиг.1) работает следующим образом. Выпрямитель 1 преобразует переменное напряжение питающей сети, например, синусоидальной формы с частотой 50 Гц, в полуволны одной полярности. На участке нарастания полуволны выпрямленного напряжения происходит зарядка конденсаторов последовательной цепи 3 приблизительно до напряжения U₁=√2·U₀/N, где U₀ - действующее значение напряжения сети, а N - количество конденсаторов. Остальные элементы находятся в выключенном пассивном состоянии. Электронный ключ 7 - благодаря отсутствию открывающего управляющего сигнала от блока управления 2, а диодные гребенки 4 и 5 - благодаря воздействию запирающего выпрямленного напряжения обратной для них полярности. На спадающем участке полуволны все остается без изменений до определенного порога. В режиме без компенсации реактивной мощности этот порог выбирается ниже среднего значения напряжения нагрузки 6, а в режиме с компенсацией - выше среднего значения. После спадания значения выпрямленного напряжения до величины заданного порога блок управления 2 формирует сигнал на открывание электронного ключа 7. С этого момента в нагрузку 6 (которая может представлять собой, например, резистор R и сглаживающий конденсатор С) начинает закачиваться ток от N параллельно включенных конденсаторов C1-CN последовательной цепи 3 плюс ток, обусловленный остаточным напряжением на выходе выпрямителя 1 в текущий момент. Последний ток определяется токоограничивающим элементом выпрямителя или его внутренним сопротивлением. Назначение диодов VD1-VDN - размыкать последовательную цепь конденсаторов на момент их разряда, что позволяет произвести их перекоммутацию в параллельное включение. Суммарный ток выпрямителя показан на эпюрах Фиг.2 для режимов с компенсацией и без компенсации. Токоограничивающие резисторы R1-RN не выполняют функцию балласта для нагрузки в обычном смысле этого термина в электротехнике. Эти резисторы сравнительно небольшого сопротивления лишь ограничивают на приемлемом уровне коммутационные токи, и в этом их главное назначение. Указанные токи возникают в конденсаторах C1-CN при использовании совместно с нагрузкой сглаживающего конденсатора большой емкости, а также при коммутационных помехах со стороны сети (дребезг контактов при включении). Токоограничивающий элемент выпрямителя дополнительно уменьшает эти токи, а также служит профилактическим средством от самопроизвольного включения электронного ключа из-за эффекта dU/dt вследствие тех же коммутационных помех сети, но также не является балластом для нагрузки. Функцию балласта, ограничивающего ток нагрузки, выполняют сами конденсаторы C1-CN, переносящие с частотой сети при однополупериодном выпрямлении (или удвоенной частотой сети при двухполупериодном выпрямлении) с помощью электронного ключа 7 электрический заряд в нагрузку 6. Разряд указанных конденсаторов происходит достаточно быстро. Он прерывается на своем затухающем участке электронным ключом 7, который выключается блоком управления 2 в момент превышения значением напряжения следующей полуволны выходного напряжения выпрямителя 1 заданного порога - в случае двухполупериодного выпрямления, или в любой другой момент следующей, неактивной, полуволны - в случае однополупериодного выпрямления. Далее работа преобразователя циклически повторяется.The device (Figure 1) works as follows. The rectifier 1 converts the alternating voltage of the supply network, for example, a sinusoidal shape with a frequency of 50 Hz, into half-waves of the same polarity. In the section of increase in the half-wave of the rectified voltage, the capacitors of the series circuit 3 are charged to approximately U ₁ = √2 · U ₀ / N, where U ₀ is the effective value of the mains voltage, and N is the number of capacitors. The remaining elements are in a passive off state. The electronic switch 7 is due to the absence of an opening control signal from the control unit 2, and the diode combs 4 and 5 due to the action of a rectified blocking voltage of the opposite polarity. In the falling half-wave section, everything remains unchanged up to a certain threshold. In the mode without reactive power compensation this threshold is chosen below the average value of the load voltage 6, and in the mode with compensation it is chosen above the average value. After the rectified voltage drops to a predetermined threshold, the control unit 2 generates a signal to open the electronic key 7. From this moment, the load 6 (which can be, for example, resistor R and smoothing capacitor C) starts to pump current from N parallel capacitors C1 -CN serial circuit 3 plus current due to the residual voltage at the output of rectifier 1 at the current time. The last current is determined by the current-limiting element of the rectifier or its internal resistance. The purpose of the VD1-VDN diodes is to open the series circuit of the capacitors at the time of their discharge, which allows them to be switched in parallel. The total current of the rectifier is shown in the diagrams of Figure 2 for modes with compensation and without compensation. The current-limiting resistors R1-RN do not perform the function of a ballast for a load in the usual sense of the term in electrical engineering. These resistors of relatively small resistance only limit the switching currents at an acceptable level, and this is their main purpose. These currents occur in C1-CN capacitors when used together with the load of a large-capacity smoothing capacitor, as well as during switching interference from the network side (contact bounce when turned on). The current-limiting element of the rectifier additionally reduces these currents, and also serves as a preventive measure against spontaneous switching on of the electronic key due to the dU / dt effect due to the same switching interference of the network, but it is also not a ballast for the load. The function of the ballast, limiting the load current, is performed by the C1-CN capacitors themselves , which transfer with a frequency of the network during half-wave rectification (or doubled frequency of the network during half-wave rectification) using an electronic switch 7, the electric charge to the load 6 . The discharge of these capacitors occurs quite quickly. It is interrupted at its damped section by an electronic key 7 , which is turned off by the control unit 2 when the voltage value of the next half-wave exceeds the output voltage of the rectifier 1 of a predetermined threshold - in the case of half-wave rectification, or at any other moment of the next, inactive, half-wave - in the case of half-wave rectification. Further, the operation of the converter is cyclically repeated.

Для иллюстрации практического осуществления заявленного изобретения на Фиг.3 изображены варианты реализации диодных гребенок 4, 5 узлов сбора и распределения тока нагрузки. На Фиг.3 (а) изображены последовательные гребенки. В таком включении ко всем диодам гребенок предъявляются одинаковые и минимальные требования по величине допустимого обратного напряжения U_д=√2·U₀/N, где U₀ - действующее значение напряжения сети, а N - количество конденсаторов, хотя в такой схеме максимальны потери напряжения на диодах, так как разряд каждого конденсатора осуществляется через цепочку как минимум из N-1 последовательно включенных диодов. Такая схема предпочтительна для устройств малой мощности и в интегральном исполнении. На Фиг.3 (б) изображены параллельные гребенки. В таком случае к некоторым диодам гребенок предъявляются максимальные требования по величине допустимого обратного напряжения U_д=√2·U₀ , где U₀ - действующее значение напряжения сети, но в такой схеме минимальны потери напряжения на диодах, так как разряд каждого конденсатора осуществляется через цепочку из не более, чем двух последовательно включенных диодов. Такая схема предпочтительна для устройств большой мощности. На Фиг.3 (в) изображен один из вариантов комбинированных гребенок. Такие гребенки могут использоваться по специфическим технологическим соображениям. В качестве диодов гребенок 4, 5 узлов сбора и распределения тока нагрузки могут быть использованы стабилитроны для повышения надежности преобразователя. В этом случае обрыв или существенное уменьшение емкости одного из конденсаторов C1-CN последовательной цепи 3 не приведет к катастрофическому отказу преобразователя.To illustrate the practical implementation of the claimed invention in FIG . 3 shows embodiments of diode combs 4, 5 of the nodes for collecting and distributing the load current. In FIG . 3 (a) shows successive combs. In this inclusion, the same and minimum requirements for the admissible reverse voltage U _d = √2 · U ₀ / N are imposed on all diodes of the combs, where U ₀ is the effective value of the mains voltage and N is the number of capacitors, although the maximum voltage loss in such a circuit on diodes, since each capacitor is discharged through a chain of at least N-1 diodes connected in series. Such a circuit is preferred for low power devices and in integrated design. In FIG . 3 (b) shows parallel combs. In this case, to some diodes of combs the maximum requirements are imposed on the value of the permissible reverse voltage U _d = √2 · U ₀ , where U ₀ is the effective value of the mains voltage, but in such a circuit the voltage losses across the diodes are minimal, since the discharge of each capacitor is carried out through a chain of no more than two series-connected diodes. Such a circuit is preferred for high power devices. Figure 3 (c) shows one of the variants of the combined combs. Such combs can be used for specific technological reasons. As diodes of combs 4, 5 of the nodes for collecting and distributing the load current, zener diodes can be used to increase the reliability of the converter. In this case, an open or a significant decrease in the capacitance of one of the capacitors C1-CN of the series circuit 3 will not lead to a catastrophic failure of the converter.

На Фиг.4 изображены различные аспекты практической реализации выпрямителя 1. На Фиг.4 (а) изображен однополупериодный выпрямитель, состоящий из одного диода. На Фиг.4 (б) изображен двухполупериодный мостовой выпрямитель, состоящий из четырех диодов. На Фиг.4 (в) изображен однополупериодный выпрямитель с ограничением тока. В качестве ограничителя может использоваться изображенный на схеме резистор R или любые другие известные решения аналогичного назначения. На Фиг.4 (г) изображен однополупериодный выпрямитель с защитными элементами на входе - плавким предохранителем F и варистором RU. Все перечисленные решения могут использоваться в различных комбинациях, а также в комбинациях с другими известными решениями из области однофазных выпрямителей. В том числе выпрямитель может быть выполнен управляемым с отсечкой фазы, то есть пропускающим определенную часть выпрямленной полуволны напряжения в соответствии с управляющими сигналами блока управления 2. Такое решение также улучшает коэффициент мощности.Figure 4 shows various aspects of the practical implementation of rectifier 1. Figure 4 (a) shows a half-wave rectifier consisting of one diode. Figure 4 (b) shows a half-wave bridge rectifier, consisting of four diodes. Figure 4 (c) shows a half-wave rectifier with current limitation. As a limiter, the resistor R shown in the diagram or any other known solutions of a similar purpose can be used. Figure 4 (d) shows a half-wave rectifier with protective elements at the input - fuse F and varistor RU. All of these solutions can be used in various combinations, as well as in combination with other well-known solutions from the field of single-phase rectifiers. Including the rectifier can be made controlled with phase cut-off, that is, passing a certain part of the rectified half-wave voltage in accordance with the control signals of the control unit 2. This solution also improves the power factor.

На Фиг.5 изображены схемотехнические решения по практической реализации электронного ключа 7 и способов подключения нагрузки 6. На Фиг.5 (а) изображено подключение нагрузки 6 к узлу распределения тока 5, а однополюсного электронного ключа 7 - к узлу сбора тока 4 нагрузки 6. Такое решение возможно только при однополупериодном выпрямлении и в этом случае в последовательной цепи 3 должно быть N диодов. Диод VDN изображен отдельным обозначением внутри последовательной цепи 3. На Фиг.5 (б) изображено подключение нагрузки 6 через однополюсный электронный ключ 7 к узлу сбора тока 4, а узла распределения тока 5 нагрузки - к общей шине. Такое решение возможно и при однополупериодном, и при двухполупериодном выпрямлении. В качестве электронного ключа 7 возможно использование разнообразных электронных компонентов. Например, на Фиг.5 (в) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 силового высоковольтного МДП-транзистора. На Фиг.5 (г) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 тиристора. Такое решение целесообразно для мощных и/или высоковольтных применений. Возможны варианты подключения нагрузки 6 и без привязки ее и электронного ключа 7 к одной из выходных шин выпрямителя 1. Например, на Фиг.5 (д) изображено использование в качестве однополюсного электронного ключа 7 оптотиристора. Эта же схема иллюстрирует вариант подключения нагрузки 6 без сглаживающего конденсатора для питания ее импульсным током одной полярности. Электронный ключ 7 может быть и двухполюсным, как это показано на Фиг.1. В качестве нагрузки 6 преобразователя может быть использована вторая ступень, выполненная по схеме описываемого преобразователя. При этом роль выпрямителя второй ступени может выполнять электронный ключ первой ступени. Такое решение позволяет минимизировать аппаратные затраты при больших коэффициентах преобразования напряжения.Figure 5 shows the circuitry for the practical implementation of the electronic key 7 and methods of connecting the load 6. Figure 5 (a) shows the connection of the load 6 to the current distribution unit 5, and a single-pole electronic key 7 to the current collection unit 4 of the load 6. Such a solution is possible only with one-half-wave rectification, and in this case there must be N diodes in the serial circuit 3. The VDN diode is shown with a separate designation inside the serial circuit 3. Figure 5 (b) shows the connection of the load 6 via a single-pole electronic switch 7 to the current collection unit 4, and the load distribution current unit 5 to the common bus. Such a solution is possible with both half-wave and half-wave rectification. As an electronic key 7, you can use a variety of electronic components. For example, Fig. 5 (c) shows the use of a high-voltage MOS transistor as a single-pole electronic switch 7. Figure 5 (g) shows the use of a thyristor as a single-pole electronic key 7. Such a solution is suitable for high-power and / or high-voltage applications. Possible options for connecting the load 6 and without tying it and the electronic key 7 to one of the output buses of the rectifier 1. For example, Figure 5 (e) shows the use of an optothyristor as a single-pole electronic key 7. The same diagram illustrates the option of connecting the load 6 without a smoothing capacitor to supply it with a pulse current of the same polarity. The electronic key 7 may be bipolar, as shown in Fig.1. As the load 6 of the Converter can be used in the second stage, made according to the scheme of the described Converter. In this case, the electronic key of the first stage can play the role of a rectifier of the second stage. This solution minimizes hardware costs with high voltage conversion ratios.

На Фиг.6 изображена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая один из простейших вариантов практической реализации заявленного изобретения. Выпрямитель 1 выполнен на диоде VD19 с токоограничивающим резистором R8 и защитой плавким предохранителем F. Электронный ключ 7 выполнен на транзисторе VT1 Стабилитрон VD21 предназначен для защиты затвора от пробоя, резистор R10 обеспечивает закрывание ключа в отсутствие управляющего сигнала. Блок управления 2 реализован на транзисторе VT2. Для его запуска при включении использован стартовый резистор R12. Анализ уровня напряжения сети осуществляется через резистор R9. Диод VD20 обеспечивает защиту эмиттерного р-n перехода транзистора VT2 от пробоя обратным напряжением. Сигнал управления для электронного ключа 7 формируется на резисторе R11 и через конденсатор развязки уровней С8 поступает на затвор транзистора VT1. Последовательная цепь 3, а также диодные гребенки сбора и распределения тока нагрузки 4, 5 реализованы на элементах С1-С7, R1-R7, VD1-VD18. Нагрузка 6 представляет собой последовательно включенные светодиоды белого цвета свечения VD23-VD29, зашунтированные электролитическим конденсатором большой емкости С9. Стабилитрон VD22 предназначен для защиты нагрузки от перенапряжений в аварийных режимах. На схеме Фиг.6 для простоты не показаны элементы гашения светодиодов при выключении и другие вспомогательные элементы. При равной емкости каждого из семи конденсаторов С1-С7, равной 1 мкФ, потребляемый от сети ток составляет 1,5 мА, при напряжении сети 220В, при этом ток нагрузки составляет 6,5 мА при напряжении нагрузки 20В. Коэффициент полезного действия - около 40%.Figure 6 shows a circuit diagram illustrating one of the simplest options for the practical implementation of the claimed invention. The rectifier 1 is made on a VD19 diode with a current-limiting resistor R8 and fuse protection F. The electronic switch 7 is made on a VT1 transistor. The Zener diode VD21 is designed to protect the gate from breakdown, the resistor R10 ensures that the key is closed in the absence of a control signal. The control unit 2 is implemented on a transistor VT2. To start it, when starting, the starting resistor R12 is used. The analysis of the voltage level of the network is carried out through the resistor R9. The diode VD20 provides protection for the emitter pn junction of the transistor VT2 against breakdown by reverse voltage. The control signal for the electronic key 7 is formed on the resistor R11 and through the decoupling capacitor levels C8 is fed to the gate of the transistor VT1. Serial circuit 3, as well as diode combs for collecting and distributing the load current 4, 5, are implemented on elements C1-C7, R1-R7, VD1-VD18. The load 6 is a series-connected white LEDs glow VD23-VD29, shunted by an electrolytic capacitor of large capacity C9. The Zener diode VD22 is designed to protect the load from overvoltage in emergency conditions. In the diagram of FIG. 6, for simplicity, the dimming elements of the LEDs when turned off and other auxiliary elements are not shown. With an equal capacitance of each of the seven capacitors C1-C7 equal to 1 μF, the current consumed from the network is 1.5 mA at a voltage of 220 V, while the load current is 6.5 mA at a load voltage of 20 V. The efficiency is about 40%.

Конструктивно рассматриваемый преобразователь может быть выполнен в самых различных исполнениях, в зависимости от выходной мощности и напряжения сети. В частности, для микромощных применений, таких как индикаторные лампы и гибкие светодиодные линейки с питанием от сети переменного тока 220В, указанное устройство может быть выполнено по SMD-технологии поверхностного монтажа на гибкую подложку или на жесткую печатную плату. Возможно полное или частичное изготовление преобразователя в виде интегральной схемы. В отдельных случаях в качестве токоограничивающих резисторов R1-RN может выступать высокое внутреннее сопротивление диодов или конденсаторов специальной конструкции, что не меняет техническую сущность и формулу изобретения.Structurally, the considered converter can be made in a wide variety of designs, depending on the output power and mains voltage. In particular, for micropower applications, such as indicator lamps and flexible LED strips powered by 220V AC, this device can be made using SMD technology for surface mounting on a flexible substrate or on a rigid printed circuit board. Full or partial manufacture of the converter in the form of an integrated circuit is possible. In some cases, the high internal resistance of special design diodes or capacitors can act as current-limiting resistors R1-RN, which does not change the technical essence and the claims.

Рассматриваемый преобразователь содержит только два принципиально необходимых высоковольтных элемента: выпрямитель 1 и электронный ключ 7, к которому, к тому же, не предъявляются высокие требования по быстродействию. Остальные элементы могут быть низковольтными. Простота и невысокие требования к элементам позволяют сделать очень низкой стоимость реализации преобразователя при массовом изготовлении, то есть создать в некоторых случаях реальную и более экологичную альтернативу трансформаторам и высокочастотным импульсным преобразователям.The converter in question contains only two fundamentally necessary high-voltage elements: a rectifier 1 and an electronic switch 7, which, moreover, do not have high performance requirements. The remaining elements may be low voltage. Simplicity and low requirements for the elements make it possible to make the implementation cost of the converter very low for mass production, that is, to create in some cases a real and more environmentally friendly alternative to transformers and high-frequency pulse converters.

Сразу же после отключения от сети это устройство не содержит опасных источников напряжения, при соответствующем выборе количества конденсаторов. Кроме того, устройство не содержит индуктивных реакторов и работает на низкой частоте, что делает минимальным уровень электромагнитных излучений.Immediately after disconnecting from the network, this device does not contain hazardous voltage sources, with the appropriate choice of the number of capacitors. In addition, the device does not contain inductive reactors and operates at a low frequency, which minimizes the level of electromagnetic radiation.

Claims

A step-down AC to DC converter containing a rectifier connected to a single-phase AC network, a control unit, and also a series circuit consisting of N capacitors (where N is greater than or equal to 2) and connected to the rectifier output, as well as current collection and distribution units the loads associated with the indicated series circuit of N capacitors in such a way that these capacitors are charged from the rectifier in series and are discharged into the load circuit in parallel II, characterized in that, in order to simplify the design and increase the power factor, an electronic key is added to the device, actuated by the signals of the control unit and ensuring the flow of the load current from the current collection unit to the current distribution unit at times when the amplitude of the rectified voltage is less than the specified values, and the nodes of the collection and distribution of the load current are made in the form of diode combs, while an additional N current-limiting resistors and N-1 or N diodes are included in the serial circuit.