SU807252A1 - Способ и устройство бестрансфор-МАТОРНОгО элЕКТРОпиТАНи - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания радиоэлектронных приборов, в частности с импульсными стабилизаторами постоянного напряжения.

Известны способы электропитания, которые заключаются в том, что переменное напряжение сети посредством выпрямления преобразуют в пульсирующее , сглаживание пульсаций которого производят конденсатором. Выбор емкости конденсатора производят из условий, характеризующих параметры нагрузки, в том числе и из допустимых пульсаций напряжения на нагрузке, которые не должны превышать предельно-допустимое значение пульсаций для выбранного типа конденсатора на применяемой частоте пульсаций [1] 20 и [2].

Однако предельно-допустимые значения пульсаций электролитических конденсаторов , применяемых для сглаживания пульсирующего напряжения, за- 25 частую значительно меньше допустимого значения пульсаций напряжения, необходимого для нормального функционирования устройств электропитания. Эта разница может быть оообенно. велика, если в состай устройству входит импульсный стабилизатор, способный нормально фнукционировать при любых перепадах его входного напряжения, лишь бы мгновенное значение пульсирующего напряжения на оказалось меньше минимально допустимого входного напряжения импульсного стабилизатора. Несовместимость указанных значений пульсаций напряжения на нагрузке и конденсаторе приводит или к увеличению емкости конденсатора, что ухудшает массо-габаритные показатели устройств и, естественно, крайне неж< 15 лательно, или к уменьшению надежность конденсатора, что может сделать· невозможной его работу.

Известно устройство электропитания, использующее в целях уменьшения габаритов непосредственное преобразование переменного напряжения сети в пульсирующее напряжение с последующей его стаб ;лизацией и высокочастотным преобразованием и преобразующее напряжение переменного тока трехфазной сети в пульсирующее, которое не требует дополнительного сглаживания [1] .

Данное устройство обладает весьма высокими массо-габаритными характе ристиками, но необходимость специальной трехфазной сети ограничивает сферу его применения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является бес трансформаторное- устройство электропитания нагрузки,содержащее выпрямитель: ^подключенный входом выводам для подключения источника переменного напряжения, импульсный стабилизатор посто янного напряжения и емкостной фильтр, включенный между выходом выпрямителя и входом импульсного стабилизатора [2] .

Однако в известном устройстве конденсатор фильтра имеет габариты, определяемые предельно-допустимыми тех- 15 ническими условиями значений пульсаций, которые, как правило, не превышают 10% на 100 ГЦ, что имеет место при двухпульсационном выпрямлении переменного напряжения промышленной 20 частоты. При необходимости получения выходного напряжения импульсного стабилизатора, существенно меньшего максимального амплитудного значения выпрямленного напряжения, обеспече- 25 ние 10% пульсаций напряжения, приложенного к конденсатору, существенно увеличивает его габариты, а, следовательно, и всего устройства.

. Цель изобретения - улучшение мае- со-габаритных показателей выпрями- ⁹ теля при большой величине допустимых пульсаций на нагрузке.

Поставленная цель достигается тем, что разряд конденсатора на нагрузку __ осуществляется при мгновенных значе- ниях пульсирующего напряжения меньших минимально-допустимого напряжения на нагрузке.

Устройство для осуществления способа дополнительно содержит ключевой 40 элемент, источник опорного напряжения и разделительный диод, соединенный своим катодом с одним из выводов конденсатора, входом ключевого элемента и входом источника опорного напряжения, выход которого подсоединен к управляющему входу ключевого элемента, подключенного своим выходом к аноду разделительного диода и положительному полюсу выхода выпря- jq мителя, отрицательный полюс выхода которого соединен с другим выводом конденсатора и общим выводом источником опорного напряжения.

При этом, источник опорного напряжения выполнен в виде стабилитрона,“ катод которого подключен к управляющему входу ключевого элемента и через резистор - к катоду разделительного диода.

Кроме того, ключевой элемент вы- ¢0 полнен в виде.двух диодов и тиристора, подключенного встречно-параллельно к разделительному диоду и соединенного своим управляющим электродом с катодами обоих диодов, анод одного из которых соединен с катодом тиристора, а анод другого диода соединен с выходом порогового элемента.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены временные диаграммы напряжений; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 4 диаграмма входного напряжения импульсного стабилизатора напряжения.

Способ бестрансформаторного электропитания осуществляется следующим образом.

Переменное напряжение питающей сети преобразуется, например, мостовьв^ выпрямителем в пульсирующее (кривая f фиг. 1), заряжающее конденсатор до своего амплитудного значения, по достижении которого конденсатор отключают от источника пульсирующего напряжения (кривая II фиг.1). Подключение конденсатора к нагрузке с последующим его разрядом на нее и одновременное отключение питающей сети от нагрузки осуществляют в момент, когда уменьшающееся мгновенное значение пульсирующего напряжения равно минимально-допустимому значению напряжения на нагрузке . Разряд конденсатора осуществляют в течение времени дц (фиг. 1) до тех пор, пока увеличивающееся мгновенное значение пульсирующего напряжения не становится равным U^_n, при этом емкость конденсатора обеспечивает за время дц его разряд на напряжение не более д11_с (фиг. 1), соответствующее предельно-допустимому размаху пульсаций выбранного типа конденсатора. Затем рабочий цикл повторяется . .

Проведем сравнительный анализ известного и предлагаемого способов для наиболее распространенных видов нагрузки, которые можно характеризовать постоянством сопротивления, тока, или же мощности. При этом, как предлагаемый, так и известный способы должны предусматривать использование конденсатора с размахом пульсаций ди_с, не превышающим удвоенного амплитудного значения допустимых для выбранного типа конденсатора пульсаций.

При постоянном значении сопротивления нагрузки напряжение разряжающегося конденсатора определяется формулой ^υε “ V’ >’ где Ujj - амплитудное значение пульсирующего напряжения, заряжающего конденсатор, изображенного кривой I.

Тогда д1)_с = откуда видно, что при равных значениях и и₀ для обоик способов .

р йс, = е Яс_{г и} Н = где - время разряда конденсатора (С^ ) при известном способе;

At2 ~ время разряда конденсатора . (Сз_) при предлагаемом способе .

При постоянном значении тока нагрузки I напряжение разряжающегося конденсатора равно

тогда

откуда видно, что при равных значениях Δ U_c

C_j А u_c = 1 А Ц И С^Д U _с = □ At^ ,

Си At и что также дает —- =-¹..

С 2 At

При постоянном значении мощности нагрузки напряжение разряжающегося конденсатора можно выразить через выражение мощности о _ с [U о - (Uo - AUc)

At откуда видно, что при равных значениях ди_с и U_o для обоих способов

Си _ At-) с 2 At 2

Описанный анализ показывает,, что для любого вида нагрузки при сохранении допустимых значений пульсации на конденсаторе предлагаемый способ дает возможность использования конденсатора меньшей емкости,по сравнению с известным способом, так как при δ t < A t с^ 4 с^.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит подключенный своим входом к выводам для подключения источника переменного напряжения выпрямитель 1, выход которого положительны* и отрицательным полюсами соединен со входом импульсного стабилизатора 2. Положительный полюс выпрямителя 1 через разделительный диод 3 соединен с одним из выводов конденсатора 4, входом ключей вого элемента 5, состоящего из двух диодов 6 и 7, соединенного своими катодами с управляющим электродом тиристора 8, включенного встречнопараллельно диоду 3 и входом источника 9 опорного напряжения, подключенного через резистор 10 к аноду диода 6 управляющего входа ключевого элемента 5 и к катоду стабилитрона 11, анод которого соединен со вторым выводом конденсатора 4 и сотрицательным полюсом выхода выпрямителя 1.

Устройство работает следующим образом.

'Пульсирующее напряжение с выпрямителя 1 при его мгновенных значениях, больших минимально-допустимого входного напряжения импульсного стабилизатора, одновременно подается на его вход и заряжается через диод 3 конденсатор 4. При этом ключевой элемент 5 закрыт, так как напряжение на входе импульсного стабилизатора 2 больше установившегося напряжения на выходе порогового элемента, которое подается на управляющий вход ключевого г-.-мента. При уменьшении пульсирующего напряжения до г величина которого меньше источника 9 опорного напряжения, определяемого стабилитроном 11, на величину необходимую для отпирания тиристора 8, последний отпирается в момент времени ц и разряжает конденсатор 4 на вход импульсного стабилизатора 2.

Разряд конденсатора 4 происходит до момента времени t^_r когда вновь увеличивающееся мгновенное значение пульсирующего напряжения не станет равным .,γνίη * ^Р^{и этом} тиристор 8 запирается, а конденсатор 4, емкость которого выбрана из условий допустимых для нее пульсаций, вновь заряжается пульсирующим напряжением до его амплитудного з начения.

Затем рабочий цикл повторяется.

Claims (4)

1. ристиками, но необходимость специальной трехфазной сети ограничивает сферу его применени . Наиболее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  бестрансформаторное- устройство электроп тани  нагрузки,содержащее выпр мител подключенный входом выводам дл  подключени  источника переменного иапр  , импульсный стабилизатор посто  нного напр жени  и емкостной фильтр включенный мё сду выходом выпр мител  и входом импульсного стабилизатора 2. Однако в известном устройстве кон денсатор фильтра имеет габариты, определ емые предельно-допусти1УазВу и тех ническими услови ми значений пульсаций , которые, как правило, не превы . шают 10% на 100 Гц, что имеет место при дзву хпульсационном выпр млении переменного напр жени  промьанленной частоты. При необходимости получени  выходного напр жени  импульсного ста билизатора существенно меньшего мак симального амплитудного значени  выпр мленного напр жени , обеспечение 10% пульсаций напр жени , прило женного к конденсатору, существенно увеличивает его габариты, а, следовательно , и всего устройства. . Цель изобретени  - улучшение маеСО-габаритных показателей выпр мител  при большой величине допустимых пульсаций на нагрузке. Поставленна  дель достигаетс  тем что разр д конденсатора на нагрузку осуществл етс  при мгновенных значени х пульсирующего напр жени  меньших минимально-допустимого напр жени  на . Устройство дл  осуществлени  способа дополнительно содержит ключевой элемент, источник опорного напр жени  и разделительный диод, соединенный своим катодом с олним из выводов конденсатора, входом ключевого элемента и входом источника опорного напр жени , выход которого подсоединен к управл ющему входу ключевого элемента, подключенного своим выходом к акоду разделительного диода и положительному полюсу выхода выпр мител , отрицательный полюс выхода которого соединен с другим выводом конденсатора и общим выводом источником опорного напр жени . При этом, источник опорного напр жени  выполнен в виде стабилитрона катод которого подключен к управл юще му входу ключевого элемента и через резистор - к катоду разделительного диода. Кроме того, ключевой элемент выполнен в виде.двух диодов и тиристора , подключенного встречно-параллельно к разделительному диоду и соединенного своим управл ющим электродом с катодами обоих диодов, анод одного из которых соединен с катодом тиристора , а анод другого диода соединен С выходом порогового элемента. На фиг. 1 и фиг. 2 изображены временные диаграммы напр жений; на фиг. 3 - принципиальна  электрическа  схема устройства; на фиг. 4 диаграмма входного напр жени  импульсного стабилизатора напр жени . Способ бестрансформаторного электропитани  осуществл етс  следующим Образом. Переменное напр жение питающей сети преобразуетс , например, мостов№4 выпр мителем в пульсирующее (крива  t фиг. 1), зар жающее конденсатор до своего амплитудного значени , по достижении которого конденсатор отключают от источника пульсирующего напр жени  (крива  II фиг.1). Подключение конденсатора к нагрузке с последующим его разр дом на нее и одновременное отключение питающей сети от нагрузки осуществл ют в момент , когда уменьшающеес  мгновенное значение пульсирующего напр жени  равно минимально-допустимому значению напр жени  на нагрузке . Разр д конденсатора осуществл ют в течение времени де (фиг. 1) до тех пор, пока увеличивающеес  мгновенное значение пульсирующего напр жени  не становитс  равным , при этом емкость конденсатора обеспечивает за врем  At его разр д на напр жение не более дУс (фиг. 1), соответствующее предельно-допустимому размаху пульсаций выбранного типа конденсатора . Затем рабочий цикл повтор етс  . Проведем сравнительный анализ известного и предлагаемого способов дл  наиболее распространенных видов нагрузки, которые можно характеризовать посто нством сопротивлени , тока, или же мощности. При этом,как предлагаемый, так и известный способы Должны предусматривать использование конденсатора с размахом пульсаций AU(, не превышающим удвоенного амплитудного значени  допустимых дл  выбранного типа конденсатора пульсаций. При посто нном значении сопротивлени  нагрузки напр жение разр жающегос  конденсатора определ етс  формулой UpCi -Г ). где Ujj - амплитудное значение пульсирующего напр жени , зар жающего конденсатор, изображенного кривой I. Тогда дУс. ирГйЬ откуда видно, что при равных значени х и U дл  обоиХ пособов .. АЁ2 г Е с и Ь. Са где Д1 - врем  разр да конденсатора ( С ) при известном способе; At - врем  разр да конденсатор . ( С2) при предлагаемом спо собе . При посто нном значении тока нагрузки 1 напр жение разр жающегос  конденсатора равно с 0 с откуда видно, что при равных значени х ДУС jAt., ALL ЧТО также дает -1 са При посто нном значении мощности нагрузки напр жение разр жающегос  конденсатора можно выразить через выражение мощности с UP - (UQ - ДЦоГ Р , откуда видно, что при равных значени х uUc и Up дл  обоих способов С-1 At/i Описанный анализ показывает,, что дл  любого вида нагрузки при сохранении допустимых значений пульсации на конденсаторе предлагаемый сп соб дает возможность использ.овани  конденсатора меньшей емкости по сравнению с известным способом, так как при д t д t ,j, с c,j. Устройство дл  реализации предлагаемого способа содержит подключе ный своим входом к выводам дл  подключени  источника переменного напр жени  выпр митель 1, выход которого положительны и отрицательным полюсами соединен со входом импульс ного стабилизатора 2, Положительный полюс выпр мител  1 через разделительный диод 3 соединен с одним из выводов конденсатора 4, вхолом ключ вого элемента 5, состожцего из двух диодов 6 и 7, соединенного своими катодами с управл кицим электродом тиристора 8, включенного встречнопараллельно диоду 3 и входом источ ка 9 опорного напр жени , подключенного через резистор 10 к аноду диода 6 управл ющего взюда ключево го элемента 5 и к катоду стабилитро на 11, анод которого соединен со вторым выводом конденсатора 4 и сотрицательным по.гпосом выхода выпр  мител  1. Устройство работает следукхцим образом. Пульсирующее напр жение с выпр мител  1 при его мгновенных зна чени х, больших минимально-допусти мого входного напр жени  Ugx-w n пульсного стабилизатора, одновреме но подаетс  на его вход и зар жает через диод 3 конденсатор 4. При эт ключевой элемент 5 закрыт, так как напр жение на входе импульсного ст билизатора 2 больше установившегос  напр жени  на выходе порогового эле- мента, которое подаетс  на управл ющий вход ключевого ..- мента. При уменьшении пульсирующего напр жени  до Ugj j , величина которого меньше источника 9 опорного напр жени , определ емого стабилитроном 11, на величину необходимую дл  отпирани  тиристора 8, последний отпираетс  в момент времени t и разр жает конденсатор 4 на вход импульсного стабилизатора 2. Разр д конденсатора 4 происходит до момента времени t,, когда вновь увеличивающеес  мгновенное значение пульсирующего напр жени  не станет равным Ugx.iwn этом тиристор 8 запираетс , а конденсатор 4, емкость которого вьйрана из условий допустимых дл  нее пульсаций, вновь зар жаетс  пульсирующим напр жением до его амплитудного з начени . Затем рабочий цикл повтор етс . Формула изобретени  1.Способ бестрансформаторного электропитани , заключающийс  в том, что конденсатор.фильтра зар жают при мгновенных значени х пульсирующего напр жени  на выходе выпр мител  большем напр жени  на конденсаторе, а разр жают на нагрузку при мгновенных значени х пульсиру.щего напр жени  на выходе выпр мител  меньшем, чем напр жение на конденсаторе, отличающийс  тем, что,с целью улучшени  массо-габаритных показателей выпр мител  при большей величине допустимых пульсаций на нагрузке, разр д конденсатора на нагрузку осуществл етс  при мгновенных значени х пульсирующего напр жени  меньших минимально-допустимой величины напр жени  на нагрузке. 2.Устройство по П.1, содержащее выпр митель, подключенный входом к выводам дл  подключени , источника переменного напр жени , импульсный стабилизатор посто нного напр жени  и емкостной фильтр, включенный между выходом выпр мител  и входом импульсного стабилизатора, отличающеес  тем, что, с целью улУчшени массо-габаритных показателей устройства путем уменьшени  массы конденсаторов фильтра, в него введены ключевой элемент, источник опорного напр жени  и разделительный диод, ссздиненный своим катодом с одним из выводов конденсатора, входом ключевого элемента и входом источника опорного напр жени , выход которого, подсоединен к управл ющему входу ключевого элемента, подключенного своим выходом к аноду разделительного диода и положительному полюсу выхода
2. выпр мител , отрицательный полюс выхода которого соединен с другим выводом конденсатора и общим выводом источника опорного напр жени .
3. 3.Устройство по п.2, о т л ичающеес  .тем, что источник опорного напр жени  выполнен в виде стабилитрона, катод которого подключен к управл ющему входу ключевого элемента и через резистор - к катоду разделительного диода.
4. 4.Устройство по п.2, о т л ичающеес  тем, что ключевой элемент выполнен в виде двух диодов

   и тиристора, подключенного встречнопараллельно к разделительному диоду и соединенного своим управл ющим электродом с катодами обоих диодов, анод одного из которых соединен с катодом тиристора, а анод другого диода соединен с выходом порогового элемента.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Авторское свидетельство СССР № 467338, кл. G 05 F 1/64, 1973.

   2.Авторское свидетельство СССР № 547744, кл. G 05 F 1/56, 1975.

   Фиг. 1

   U&.mln