Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2451384

(19)

RU

(11)

2451384

(13)

C1

(51) МПК H02M7/155 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: не взимаются - статья 1366 ГК РФ

На основании пункта 1 статьи 1366 части четвертой Гражданского кодекса Российской Федерации патентообладатель обязуется заключить договор об отчуждении патента на условиях, соответствующих установившейся практике, с любым гражданином Российской Федерации или российским юридическим лицом, кто первым изъявил такое желание и уведомил об этом патентообладателя и федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности.

(21), (22) Заявка: 2011114690/07, 13.04.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

13.04.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 13.04.2011

(45) Опубликовано: 20.05.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: SU 1001380 A1, 28.02.1983. UA 21203 A, 04.11.1997. GB 2205008 A, 23.11.1988.

Адрес для переписки:

182545, Псковская обл., Невельский р-н, ст. Изоча, Красный Поселок, 17, О.Ф. Меньших

(72) Автор(ы):

Меньших Олег Фёдорович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Меньших Олег Фёдорович (RU)

(54) БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока. Бестрансформаторный источник постоянного тока содержит 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 фазному и нулевому проводникам сети, к которым подключены также однополупериодные цепи через стабилитроны поочередного запуска тиристоров. Параллельно конденсатору фильтра нижних частот подключен стабилитрон защиты от перенапряжения. Технический результат - упрощение конструкции и существенное уменьшение активной составляющей потребляемой энергии. Упрощение конструкции связано с исключением из схемы низковольтного источника постоянного тока понижающего трансформатора, включаемого к сети переменного тока. Учет электроэнергии, проводимый с помощью электросчетчика активной энергии, покажет лишь около 20% от реально потребляемой энергии в заявляемой схеме, поскольку последняя представляет собой комплексную нагрузку для сети переменного тока с подавляющей долей реактивной составляющей энергии емкостного типа. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве простого и экономичного источника постоянного тока низкого напряжения, включаемого к сети переменного тока.

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].

Одним из недостатков таких устройств является применение в них понижающих трансформаторов.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

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.

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.

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.

Схема устройства представлена на рис.1, а действие его поясняется диаграммами напряжений, представленными на рис.2.

Схема источника включает следующие элементы:

Д 1 - выпрямительный диод первой зарядной цепи,

C 1 - накопительный конденсатор первой зарядной цепи,

Д 2 - выпрямительный диод второй зарядной цепи,

C 2 - накопительный конденсатор второй зарядной цепи,

Д 3 - разделительный диод второй зарядной цепи,

Д 4 - разделительный диод первой зарядной цепи,

T 1 - тиристор второй зарядной цепи,

T 2 - тиристор первой зарядной цепи,

S 1 - стабилитрон запуска тиристора Т 1 второй зарядной цепи,

S 2 - стабилитрон запуска тиристора Т 2 первой зарядной цепи,

С 3 - конденсатор фильтра нижних частот,

S 3 - стабилитрон защиты от перенапряжения на конденсаторе С 3 .

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Переменное напряжение электрической сети (рис.2,а) с периодом Т и амплитудой U o прикладывается через стабилитроны запуска S 1 и S 2 к параллельно включенным однополупериодным выпрямительным цепям из выпрямительных диодов Д 1 (Д 2 ) и накопительных конденсаторов C 1 (С 2 ) соответственно. Последние заряжаются попеременно от положительных и отрицательных полуволн сетевого переменного напряжения до амплитудных значений U o в течение времени четверти периода Т/4, как это видно из рис.2,b и 2,с. Разряд этих конденсаторов через соответствующие разделительные диоды Д 4 (Д 3 ) и тиристоры Т 2 (T 1 ) на конденсатор фильтра нижних частот С 3 происходит поочередно: когда в первой четверти положительной полуволны сетевого напряжения происходит заряд накопительного конденсатора C 1 и далее сохраняется неизменным и равным U o до момента времени (Т/2)+ t 1 , как это видно на рис.2,b, от указанного момента времени происходит разряд накопительного конденсатора С 2 на конденсатор фильтра нижних частот С 3 , наоборот, во время заряда от отрицательного полупериода сетевого напряжения накопительного конденсатора С 2 происходит разряд с накопительного конденсатора C 1 на конденсатор фильтра нижних частот С 3 . Причем разряд накопительного конденсатора C 1 осуществляется при открытии тиристора Т 2 , а для разряда накопительного конденсатора С 2 открывается тиристор T 1 . Указанные тиристоры поочередно открываются управляющими напряжениями, образующимися на стабилитронах запуска S 2 и S 1 соответственно.

Временные диаграммы напряжений на накопительных конденсаторах u C1 (t) и u C2 (t) представлены на рис.2,b и 2,с. Когда напряжение сети достигает некоторого небольшого уровня, соответствующего напряжению пробоя стабилитронов запуска S 1 для положительного полупериода и стабилитрона запуска S2 для отрицательного полупериода, открываются тиристоры T 1 и Т 2 соответственно через интервал времени t 1 . Разряд накопительных конденсаторов C 1 и C 2 поочередно и в соответствующие полупериоды сетевого напряжения на конденсатор фильтра нижних частот С 3 происходит быстро в течение времени t 2 , как это видно на рис.2,d. Частота подзарядов конденсатора С 3 равна 2F=2/T.

Важно отметить, что емкость конденсатора фильтра нижних частот С 3 выбирают во много раз большей емкости накопительных конденсаторов C 1 и C 2 , как это следует из соотношения С 3 >>C 1 =С 2 . Нетрудно понять, что при этом напряжение U H на конденсаторе фильтра нижних частот С 3 оказывается существенно меньше амплитуды сетевого напряжения U o . Действительно, энергия заряженного накопительного конденсатора W 1 , как известно, определяется выражением W 1 =C 1 U o 2 /2. С учетом неравенства С 3 >>C 1 можно считать, что при разряде накопительного конденсатора на конденсатор фильтра нижних частот практически вся энергия W 1 передается на конденсатор фильтра нижних частот, энергия которого становится приблизительно равной W Ф C 3 U H 2 /2. Из этого следует величина так называемого коэффициента трансформации напряжения в такой схеме, равная k=U H /U o (C 1 /С 3 ) 1/2 .

Величина емкости накопительных конденсаторов C 1 и С 2 определяет мощность источника постоянного тока Р=F C 1 U o 2 U H 2 /R H , где R H - сопротивление нагрузки (рис.1). Средний ток в нагрузке I=U H CP /R н (см. рис.2).

При отключении нагрузки напряжение на конденсаторе фильтра нижних частот С 3 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 S 3 с напряжением пробоя (стабилизации) несколько большим расчетного напряжения U H . Поэтому при подключенной нагрузке R H этот стабилитрон не работает (является непроводящим). Рабочий ток через стабилитрон защиты S 3 при отключенной нагрузки должен быть порядка тока I.

Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.

Пусть устройство подключено к сети напряжением 220 В, при этом U о =310 В. Если емкости накопительных конденсаторов выбрать равными C 1 =С 2 =30 мкФ с рабочим напряжением 400 В, то для получения выходного напряжения U H =12 В емкость конденсатора фильтра нижних частот С 3 следует выбрать равной

С 3 =C 1 (U o /U н ) 2 20000 мкФ. Мощность такого источника питания с напряжением 12 В равна Р 144 Вт, рассеиваемая в нагрузке R н =1 Ом (ток в нагрузке 12 А).

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 U o ), 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 cos , то возможна полная или частичная компенсация реактивностей (емкостной и индуктивной), и учет энергии электросчетчиком активной энергии будет более правильным.

Возможна дополнительная электронная фильтрация выходного постоянного тока с помощью широко известных схем.

Заявляемое устройство может найти спрос у разработчиков бытовых электронных приборов - телевизоров, компьютеров, музыкальных центров, радиотелефонов, светильников на светодиодных матрицах и др.

Заявляемое техническое решение следует запатентовать в основных зарубежных странах по соображениям экономической целесообразности.

Литература

1. 750 практических электронных схем. Справочное руководство под ред. Р.Фелпса, пер. с англ. В.А.Логинова, М., «Мир», 1986, с.3-40.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ