Безтрансформаторне джерело електроживлення

Изобретение относится ко вторичным источникам электропитания, в частности, предназначенным для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети. Основной особенностью таких устройств является необходимость обрабатывать сигнал, пропорциональный питающему напряжению, т.е. необходимость фиксации потенциала одной из выходных клемм источника относительно, например, нулевого провода сети. Известны источники питания, содержащие трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Наличие трансформатора позволяет, при необходимости, соединить нейтральный провод сети с общей точкой источника. Однако, именно наличие трансформатора является основным недостатком таких источников, увеличивающим их габариты и стоимость [1]. Наиболее близким к заявляемому устройству техническим решением являются: бестрансформаторные источники питания, содержащие узел гашения избыточного напряжения (резистор или чаще конденсатор), выпрямитель, фильтр и стабилизатор [2]. При двухполупериодном выпрямлении такие источники не имеют фиксированного потенциала одной из выходных клемм относительно питающего напряжения. При однополупериодном выпрямлении {1] такая фиксация имеется, однако вдвое уменьшается выходная мощность источника и возрастают пульсации выходного напряжения. Задачей изобретения является создание бестрансформаторного источника электропитания с фиксацией потенциала одной из выходных клемм относительно питающего напряжения сети и с двухполупериодным выпрямлением. Поставленная задача решается в бестрансформаторном источнике электропитания. содержащем узел гашения избыточного напряжения, мостовой выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Фиксация потенциала одной из выходных клемм (в данном случае отрицательной) относительно точки с потенциалом, равным половине питающего напряжения сети, обеспечивается за счет того, что узел гашения избыточного напряжения в этом источнике состоит из двух одинаковых секций, каждая из которых: включена между соответствующими сетевой клеммой и входной клеммой выпрямителя, а стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым. При этом первой ступенью стабилизатора является стабилитрон, подключенный параллельно выходу фильтра. Вторая ступень построена по схеме последовательного стабилизатора напряжения положительной полярности, содержащего стабилитрон, выполняющий функцию источника опорного напряжения, узел стабилизации его тока и усилитель, вход которого соединен с катодом стабилитрона. Выход усилителя соединен с положительной выходной клеммой источника, а анод стабилитрона - с отрицательной. С этой же клеммой соединен также выход дополнительно введенного операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен через резисторы к выходным клеммам источника, а неинвертирующий вход подключен через равные резисторы к сетевым клеммам. Питание операционного усилителя осуществляется от стабилитрона первой ступени стабилизатора. Действительно, разбиение узла гашения избыточного напряжения на две секции в значительной мере симметрирует выходное напряжение источника относительно половины напряжения сети, а введение операционного усилителя позволяет отслеживать потенциал отрицательной выходной клеммы источника относительно половины напряжения сети. Введение узла стабилизатора тока стабилитрона второй ступени позволяет снизить пульсации выходного напряжения источника, вызванные некоторым смещением выходного напряжения первой ступени относительно половины питающего напряжения сети при смене его полярности. Для увеличения выходной мощности источника мостовой выпрямитель надо выполнить из двух мостов, одноименные выходные клеммы которых соединены вместе. Каждая секция узла гашения избыточного напряжения должна содержать резистор и конденсатор. При этом первые выводы резистора и конденсатора каждой секции подключаются к входной диагонали каждого моста соответственно, а вторые выводы соединяются попарно и являются сетевыми клеммами источника. Существенными признаками изобретения являются: выполнение узла гашения избыточного напряжения из двух одинаковых секций, а стабилизатора напряжения двухступенчатым с первой ступенью в виде стабилитрона, а второй в виде последовательного стабилизатора напряжения с узлом стабилизации тока стабилитрона и с дополнительно введенным операционным усилителем, а также взаимные связи этих узлов и элементов друг с другом и с другими узлами и элементами источника. Существенно также выполнение мостового выпрямителя из двух мостов, а каждой секции узла гашения избыточного напряжения, содержащей резистор и конденсатор, при соответствующем их подключении. На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого источника, например, с транзисторным узлом стабилизации тока стабилитрона, являющегося источником опорного напряжения, второй ступени стабилизатора; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема стабилизатора выходного напряжения источника, в котором вторая ступень выполнена на операционном усилителе с внутренней стабилизацией тока стабилитрона; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема источника с двумя мостовыми выпрямителями и с секциями узла гашения избыточного напряжения, состоящими из резистора и конденсатора. Заявляемое устройство(фиг. 1) содержит две одинаковые секции 1 (резистор или конденсатор) узла 2 гашения избыточного напряжения, мостовой выпрямитель 3, фильтр 4, двухступенчатый стабилизатор 5 выходного напряжения, первой ступенью которого является стабилитрон 6. Вторая ступень стабилизатора состоит из усилителя 7 (эмиттерный повторитель), стабилитрона 8 источника опорного напряжения, узла 9 стабилизации тока стабилитрона, выполненного по известной схеме токового зеркала [1] (транзистор 10, диод 11, резисторы 12-14). Дополнительно введенный операционный усилитель 15 выходом подключен к отрицательной выходной клемме 16 источника. Инвертирующий вход операционного усилителя 15 через резисторы 17 и 18 подключен к выходным клеммам 16 и 19 соответственно, а неинвертирующий вход через резисторы 20 и 21 подключен к сетевым клеммам 22 и 23. Выход усилителя 7 соединен с положительной выходной клеммой источника 19, а анод стабилитрона 8 - с отрицательной выходной клеммой 16. Вторая ступень стабилизатора может быть выполнена также (фиг.2) на базе операционного усилителя 24, инвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя - резисторы 25, 26 - выходного напряжения стабилизатора, а неинвертирующий - к стабилитрону - источнику опорного напряжения 8 и узлу стабилизации тока стабилитрона, состоящему из резистора 12 и диода 11, подключаемого другим концом к выходной клемме 19. При выполнении мостового выпрямителя 3 в виде двух мостов 27 (фиг.3) одноименные выходные клеммы последних соединяются вместе, а секции 1 узла гашения избыточного напряжения состоят из резистора 28 и конденсатора 29 каждая. При этом первые выводы резистора и конденсатора каждой секции подключены к входной диагонали каждого моста соответственно, а вторые выводы соединены попарно и являются сетевыми клеммами источника. Принцип работы источника состоит в следующем. Напряжение сети (как правило, 220 В) с помощью узла 2 гашения избыточного напряжения понижается, а затем выпрямляется мостовым двухполупериодным выпрямителем 3, сглаживается фильтром 4 и стабилизируется стабилизатором 5. Напряжение первой ступени стабилизатора, представляющей собой стабилитрон 6, для ослабления зависимости выходного напряжения источника от колебаний напряжения сети и для фиксации потенциала клеммы 16 источника относительно половины напряжения сети подается во вторую ступень. Фиксация потенциала необходима для обеспечения возможности подачи сигнала, пропорционального напряжению сети (от клемм 22 и 23), в блоки обработки информации (на схемах не показаны), питаемые от данного источника. Если рассматривать точку соединения резисторов 20 и 21, при равных их сопротивлениях, как "искусственный нуль" напряжения сети, то операционный усилитель 15 по принципу обратной связи фиксирует потенциал клеммы 16 относительно "искусственного нуля" при смене полярности напряжения сети, изменениях его амплитуды и других дестабилизирующих факторах. Таким образом, стабилизатор 5 можно рассматривать как систему авторегулирования, в которой стабилизируется выходное напряжение и фиксируется потенциал одной из выходных клемм. Для правильной работы источника необходимо обеспечить зону возможных изменений потенциалов клемм 16 и 19 без выхода системы регулирования "на упор". Это достигается соответствующим выбором величин напряжений первой и второй ступеней, а также симметрированием напряжения первой ступени относительно ''искусственного нуля" за счет разбиения узла 2 гашения избыточного напряжения на две одинаковые секции 1, устанавливаемые в каждый провод со стороны переменного тока выпрямителя 3. Кроме того, для снижения зависимости выходного напряжения стабилизатора от возможных изменений тока в стабилитроне 8 при изменениях напряжений между катодами стабилитронов 6 и 8 применен узел 9 стабилизации тока в стабилитроне 8, выполненный по схеме токового зеркала (элементы 10-13), у которого ток коллектора транзистора 10, задаваемый в линейном режиме элементами 6, 10-14, практически не зависит от напряжения коллектор-база. При одинаковых сопротивлениях резисторов 17 и 18 выходное напряжение источника, снимаемое с клемм 16 и 19, оказывается симметричным относительно "искусственного нуля" (например, + 6 В на клемме 19 и минус 6 В на клемме 16). Если резистор 18 закоротить, то потенциал клеммы 16 будет равен "искусственному нулю". В ряде случаев возникает необходимость иметь выходное напряжение второй ступени большим по величине, чем напряжение стабилитрона 8. Тогда вторую ступень стабилизатора можно выполнить по известной схеме [1] на основе операционного усилителя 24 (фиг.2), в которой стабилизация тока стабилитрона осуществляется подключением токозадающей цепи - резистор 12, диод 11 - к выходу стабилизатора. Если необходимо иметь двухканальный источник с симметричными разнополярными напряжениями относительно "искусственного нуля", резисторы 17 и 18 устанавливают с равными сопротивлениями, а точку соединения резисторов 20 и 21 подключают к неинвертиртующему входу операционного усилителя 15 через повторитель напряжения 30, как показано ни фиг.2 пунктиром в качестве примера. Увеличение выходной мощности предлагаемого источника примерно в 1,4 разе без увеличения потребляемой от сети полной мощности возможно, если выпрямитель 3 выполнить в виде двух мостов, а каждую секцию 1 узла гашения избыточного напряжения - состоящей из резистора 28 и конденсатора 29 с равными по переменному току сопротивлениями. При этом одноименные выходные клеммы мостов соединяются вместе, а входные диагонали мостов подключаются к сетевым клеммам через резисторы секций узла гашения у первого моста и через конденсаторы у второго, как показано на фиг.3. Тогда благодаря сдвигу токе в конденсаторах 29 на 90° относительно тока в резисторах 28, при том же действующем значении тока, потребляемого из сети, средневыпрямленное значение тока на выходе выпрямителя оказывается в 1,4 раза выше, чем в схеме на фиг.1. При этом можно также значительно уменьшить емкость фильтра 4, т.к. мгновенное значение выпрямленного напряжения не снижается ниже уровня 0,7 амплитудного значения. Испытания лабораторного образца предлагаемого источника электропитания полностью подтвердили его работоспособность и решение поставленной задачи.