RU2077111C1

RU2077111C1 - Transformerless power supply

Info

Publication number: RU2077111C1
Application number: RU93029180A
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Колонтаевский; Валерий Ефимович Райнин; Анатолий Георгиевич Сосков
Original assignee: Валерий Ефимович Райнин
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 1997-04-10

Abstract

FIELD: secondary power supplies designed, for example, to feed electronic electricity meters, electronic voltmeters and wattmeters, miscellaneous protective and automatic-control relays from monitored line. SUBSTANCE: device has excess voltage damping unit built up of two sections with equal AC resistances, bridge rectifier, filter, and two-step voltage regular with second-stage master element current regulating unit, and operational amplifier supplied with power from first step, its output being connected to first load lead. Inverting input of operational amplifier is connected via resistors to leads for connecting first and second loads and noninverting input, via equal-value resistors, to leads for connecting power supply. Device may have two bridge rectifiers whose leads are connected cumulatively and in parallel; each section of excess voltage damping unit has series-connected resistor and capacitor connected through their common point to respective lead for connecting power supply: vacant leads of resistors and capacitors of first and second sections of excess voltage damping unit are connected to respective inputs of first and second bridge rectifiers. EFFECT: simplified design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к вторичным источникам электропитания, в частности, предназначенным для питания электронных счетчиков электроэнергии, электронных вольтметров и ваттметров, различных реле защиты и автоматики, питаемых от контролируемой сети. The invention relates to secondary power sources, in particular, designed to power electronic electricity meters, electronic voltmeters and wattmeters, various protection relays and automation, powered by a controlled network.

Основной особенностью таких устройств является необходимость обрабатывать сигнал, пропорциональный питающему напряжению, т.е. необходимость фиксации потенциала одной из выходных точек источника относительно напряжения контролируемой сети. The main feature of such devices is the need to process a signal proportional to the supply voltage, i.e. the need to fix the potential of one of the output points of the source relative to the voltage of the controlled network.

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). Known power sources containing a transformer, a rectifier, a filter and a voltage regulator. The presence of a transformer allows, if necessary, to connect the neutral wire of the network with a common point of the source. However, it is the presence of a transformer that is the main drawback of such sources, increasing their size and cost (1).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является бестрансформаторный источник питания, содержащий узел гашения избыточного напряжения (резистор или чаще конденсатор), выпрямитель, фильтр и стабилизатор (2). При двухполупериодном выпрямлении такие источники не имеют фиксированнного потенциала одной из выходных точек относительно питающего напряжения. The closest technical solution to the proposed device is a transformerless power source containing an excess voltage suppression unit (resistor or more often a capacitor), a rectifier, a filter and a stabilizer (2). When biannual rectification such sources do not have a fixed potential of one of the output points relative to the supply voltage.

При однополупериодном выпрямлении (1) такая фиксация есть, однако вдвое уменьшается выходная мощность источника и возрастают пульсации выходного напряжения. With half-wave rectification (1), such a fixation is, however, the output power of the source is halved and the output voltage ripples increase.

Задачей изобретения является создание бестрансформаторного источника электропитания с фиксацией потенциала одной из выходных точек относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения и с двухполупериодным выпрямителем. The objective of the invention is to provide a transformerless power source with fixing the potential of one of the output points relative to the point with the potential of half the supply voltage and with a half-wave rectifier.

Поставленная задача решается в бестрансформаторном источнике питания, содержащем узел гашения избыточного напряжения, первый мостовой выпрямитель, выход которого через фильтр подключен к стабилизатору напряжения, причем узел гашения избыточного напряжения выполнен в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включенными соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и выходом первого мостового выпрямителя, а стабилизатор напряжения выполнен двухступенчатым, причем вторая ступень включает в себя задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, выводы питания которого соединены с выходом первой ступени стабилизатора напряжения, причем выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки, инвертирующий вход через введенный первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через введенный второй резистор с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход операционного усилителя чеpез введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания. The problem is solved in a transformerless power source containing an excess voltage damping unit, a first bridge rectifier, the output of which is connected through a filter to a voltage stabilizer, and the excess voltage damping unit is made in the form of two sections with equal alternating current resistances and connected respectively in both wires between conclusions for connecting the power source and the output of the first bridge rectifier, and the voltage regulator is made two-stage, and the second stupa l includes a master element, a current stabilization unit of the master element and an operational amplifier, the power terminals of which are connected to the output of the first stage of the voltage stabilizer, the output of the operational amplifier being connected to the terminal for connecting the first load, the inverting input through the first resistor introduced is connected to the terminal for connecting the first load, and through the introduced second resistor with an output for connecting the second load, also connected to the output terminal of the current stabilization unit of the driving element, the non-inverting input of the operational amplifier through the introduced third and fourth resistors with equal resistances is connected to the terminals for connecting the power source.

Именно за счет выполнения узла гашения избыточного напряжения в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включением их соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входом первого мостового выпрямителя, а также выполнения стабилизатора напряжения двухступенчатым, вторая ступень которого содержит задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента, операционный усилитель и введенные четыре резистора с вышеуказанным соединением между собой и с другими элементами схемы, осуществляется фиксация потенциала одной из выходных клеммзаявляемого устройства относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения и двухполупериодное выпрямление. It is due to the implementation of the unit for suppressing excess voltage in the form of two sections with equal alternating current resistance and connecting them respectively in both wires between the terminals for connecting the power source and the input of the first bridge rectifier, as well as performing a two-stage voltage stabilizer, the second stage of which contains a driving element , a node for stabilizing the current of the driving element, an operational amplifier and four resistors introduced with the above connection between themselves and with other circuit elements , the potential is fixed at one of the output terminals of the inventive device relative to a point with the potential of half the supply voltage and half-wave rectification.

Действительно, разбиение узла гашения избыточного напряжения на две секции в значительной степени симметрирует выходное напряжение источника относительно точки с потенциалом половины напряжения сети при смене его полярности, введение операционного усилителя позволяет отслеживать потенциал одной из выходных клемм источника относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения, а выполнение стабилизатора напряжения двухступенчатым и введение узла стабилизации тока задающего элемента второй ступени стабилизации позволяет исключить пульсации выходного напряжения источника, вызванные некоторым смещением выходного напряжения первой ступени относительно точки с потенциалом половины питающего напряжения при смене его полярности, а в целом указанные технические решения позволяют зафиксировать потенциал одной из выходных клемм источника питания относительно точки с потенциалом половины напряжения сети при двухполупериодном выпрямлении. Indeed, dividing the excess voltage damping unit into two sections largely balances the output voltage of the source relative to a point with half potential of the mains voltage when changing its polarity, the introduction of an operational amplifier allows you to track the potential of one of the output terminals of the source relative to a point with half potential of the supply voltage, and two-stage voltage stabilizer and the introduction of the current stabilization unit of the driving element of the second stabilization stage allows eliminate ripple of the output voltage of the source caused by some bias in the output voltage of the first stage relative to a point with a potential of half the supply voltage when changing its polarity, and in general these technical solutions allow us to fix the potential of one of the output terminals of the power supply relative to the point with the potential of half the voltage of the network during half-wave rectification .

На фиг.1 дана принципиальная электрическая схема предлагаемого источника, например, с транзисторным узлом стабилизации тока задающего элемента 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 задающего элемента; на фиг.3 принципиальная электрическая схема источника с двумя мостовыми выпрямителями, в котором каждая секция узла гашения избыточного напряжения состоит из резистора и конденсатора. Figure 1 is a circuit diagram of the proposed source, for example, with a transistor current stabilization unit of the driving element of the second stage of the stabilizer; figure 2 is a circuit diagram of a stabilizer of the output voltage of the source, in which the second stage is made on an operational amplifier with internal stabilization of the current of the driving element; figure 3 is a circuit diagram of a source with two bridge rectifiers, in which each section of the damping unit of the excess voltage consists of a resistor and a capacitor.

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, в котором первая ступень выполнена на стабилитроне 6. Вторая ступень стабилизации выполнена по схеме последовательного стабилизатора напряжения и состоит из эмиттерного повторителя на транзисторе 7, задающего элемента (стабилитрона 8), и узла 9 стабилизации тока задающего элемента, выполненного по известной схеме (1) токового зеркала (транзистор 10, диод 11, резисторы 12-14). Стабилизатор 5 также содержит операционный усилитель 15, выход которого подключен к выходной клемме 16. Инвертирующий вход усилителя 15 подключен через резисторы 17 и 18 к выходным клеммам 19 и 16 соответственно, а неинвертирующий вход через равные резисторы 20 и 21 подключен к сети (клеммы 23 и 22). The device (Fig. 1) contains two identical sections 1 (resistor or capacitor) of the excess voltage suppression unit 2, a bridge rectifier 3, a filter 4, a two-stage output voltage stabilizer 5, in which the first stage is made on the zener diode 6. The second stabilization stage is made according to the scheme series voltage stabilizer and consists of an emitter follower on the transistor 7, the driving element (zener diode 8), and the node 9 of the current stabilization of the driving element, made according to the known scheme (1) of the current mirror (transi the torus 10, a diode 11, resistors 12-14). The stabilizer 5 also contains an operational amplifier 15, the output of which is connected to the output terminal 16. The inverting input of the amplifier 15 is connected through the resistors 17 and 18 to the output terminals 19 and 16, respectively, and the non-inverting input through the equal resistors 20 and 21 is connected to the network (terminals 23 and 22).

Вторая ступень стабилизации (фиг.2) может быть выполнена также на базе операционного усилителя 24, инвертирующий вход которого подключен к средней точке делителя (резисторы 25, 26) выходного напряжения стабилизатора, а неинвертирующий к задающему стабилитрону 8 и токостабилизирующему узлу, состоящему из резистора 12 и диода 11, подключенному другим концом к выходной клемме 19. The second stabilization stage (Fig. 2) can also be performed on the basis of an operational amplifier 24, the inverting input of which is connected to the midpoint of the divider (resistors 25, 26) of the output voltage of the stabilizer, and non-inverting to the master zener diode 8 and a current-stabilizing unit consisting of resistor 12 and a diode 11 connected at the other end to the output terminal 19.

Мостовой выпрямитель 3 может быть выполнен также в виде двух мостов 27 (фиг.3), выходы которых включены согласно и параллельно фильтру 4 и стабилизатору 5, а секции 1 узла гашения избыточного напряжения, состоящие из резистора 28 и конденсатора 29, подключены, с одной стороны, к клеммам 23 и 22, а с другой ко входам мостов 27. The bridge rectifier 3 can also be made in the form of two bridges 27 (Fig. 3), the outputs of which are connected according to and parallel to the filter 4 and the stabilizer 5, and sections 1 of the excess voltage blanking unit, consisting of a resistor 28 and a capacitor 29, are connected, with one side, to the terminals 23 and 22, and on the other to the inputs of the bridges 27.

Принцип работы устройства состоит в следующем. The principle of operation of the device is as follows.

Напряжение сети (как правило, 220 В) с помощью узла 2 гашения избыточного напряжения понижается, а затем выпрямляется, сглаживается и стабилизируется (элементы 3, 4, 5). The mains voltage (usually 220 V) with the help of the node 2 damping the excess voltage is reduced, and then rectified, smoothed and stabilized (elements 3, 4, 5).

Напряжение первой ступени стабилизации (стабилитрон 6) поступает во вторую ступень для ослабления зависимости выходного напряжения от колебаний сетевого напряжения и фиксации потенциала клеммы 16 относительно точки с потенциалом половины сетевого напряжения. The voltage of the first stabilization stage (Zener diode 6) enters the second stage to weaken the dependence of the output voltage on the fluctuations of the mains voltage and fix the potential of terminal 16 relative to the point with half the potential of the mains voltage.

Эта фиксация необходима для возможности подачи сигнала, пропорционального напряжению сети (непосредственно от клемм 23 и 22) в блоки обработки информации (на схеме не показаны), питаемые от данного источника. This fixation is necessary for the possibility of supplying a signal proportional to the mains voltage (directly from terminals 23 and 22) to the information processing units (not shown in the diagram) supplied from this source.

Если рассматривать среднюю точку равных резисторов 21 и 22 как "искусственный нуль" сетевого напряжения, то операционный усилитель 15 по принципу обратной связи фиксирует потенциал клеммы 16 относительно "искусственного нуля" при смене полярности напряжения сети, изменения его амплитуды и других дестабилизирующих факторах. If we consider the midpoint of equal resistors 21 and 22 as an "artificial zero" of the mains voltage, then the operational amplifier 15, by the feedback principle, fixes the potential of terminal 16 relative to the "artificial zero" when changing the polarity of the mains voltage, changing its amplitude and other destabilizing factors.

Таким образом, стабилизатор 5 можно рассматривать как систему авторегулирования, в которой стабилизируется выходное напряжение источника и фиксируется потенциал одной из его выходных клемм. Thus, the stabilizer 5 can be considered as a self-regulation system in which the output voltage of the source is stabilized and the potential of one of its output terminals is fixed.

Для правильной работы устройства необходимо обеспечить зону возможных изменений потенциалов клемм 16 и 19 без выхода системы регулирования "на упор". Это достигается соответствующим выбором напряжений стабилизации первой и второй ступени, а также симметрированием напряжений первой ступени относительно "искусственного нуля" путем разбиения узла гашения избыточного напряжения на две одинаковые секции 1, устанавливаемые в каждый провод соответственно между клеммами 22 и 23 и входами выпрямителя 3. Кроме того, для исключения зависимости выходного напряжения стабилизатора, связанной с возможным изменением тока в стабилитроне 8 при изменении напряжения между катодами стабилитронов 6 и 8, применяется узел 9 стабилизации тока в стабилитроне 8 на базе схемы токового зеркала (элементы 10, 11, 12, 13), у которого ток коллектора транзистора 10 в линейном режиме задается элементами 6, 10-14, и практически не зависит от напряжения коллектор-база. При равных резисторах 17, 18 выходное напряжение источника (клеммы 16 и 19) оказывается симметричным, например, +6 В (клемма 19) и -6 В(клемма 16) относительно "искусственного нуля". Если резистор 18 закоротить, то потенциал клеммы 16 будет равен "искусственному нулю". For the correct operation of the device, it is necessary to provide a zone of possible changes in the potentials of terminals 16 and 19 without going out of control system. This is achieved by the appropriate choice of stabilization voltages of the first and second stages, as well as by balancing the voltages of the first stage relative to "artificial zero" by dividing the damping unit of the excess voltage into two identical sections 1, installed in each wire respectively between terminals 22 and 23 and the inputs of the rectifier 3. In addition in addition, to eliminate the dependence of the output voltage of the stabilizer associated with a possible change in current in the zener diode 8 when the voltage between the cathodes of the zener diodes 6 and 8, the current stabilization unit 9 in the zener diode 8 is called based on the current mirror circuit (elements 10, 11, 12, 13), for which the collector current of the transistor 10 in the linear mode is set by elements 6, 10-14, and practically does not depend on the collector-base voltage . With equal resistors 17, 18, the output voltage of the source (terminals 16 and 19) is symmetrical, for example, +6 V (terminal 19) and -6 V (terminal 16) relative to "artificial zero". If the resistor 18 is shorted, then the potential of terminal 16 will be "artificial zero".

В ряде случаев бывает целесообразным, чтобы выходное напряжение второй ступе ни было больше, чем имеет задающий стабилитрон 8. Тогда можно применить в качестве второй ступени стабилизатора известную (1) схему, на базе операционного усилителя 24 (фиг.2), в которой стабилизация тока осуществляется подключением токозадающей цепи резистор 12 и диод 11 к выходу стабилизатора. In some cases, it is advisable that the output voltage of the second stage is not greater than that of the master zener diode 8. Then, as the second stage of the stabilizer, you can apply the known (1) circuit based on the operational amplifier 24 (figure 2), in which the current stabilization by connecting a current-supply circuit resistor 12 and diode 11 to the output of the stabilizer.

Если необходимо иметь двухканальный источник с симметричными разнополярными напряжениями относительно "искусственного нуля", тогда резисторы 17 и 18 делают равными и среднюю точку резисторов 20 и 21 подключают к усилителю 15 через промежуточный повторитель 30, как показано пунктиром в качестве примера на фиг.2. If it is necessary to have a two-channel source with symmetrical bipolar voltages relative to “artificial zero”, then the resistors 17 and 18 are made equal and the midpoint of the resistors 20 and 21 are connected to the amplifier 15 through an intermediate repeater 30, as shown by a dotted line as an example in FIG. 2.

Выходную мощность предлагаемого источника можно увеличить примерно в 1,4 раза без увеличения полной потребляемой от сети мощности, если выпрямитель выполнить в виде двух мостов 27 и каждую секцию 1 выполнить из резистора 28 и конденсатора 29 с равными сопротивлениями по переменному току и включить, как показано на фиг.3. В этом случае благодаря сдвигу тока в конденсаторе 29 на 90^o относительно тока в резисторе 28 при том же действующем значении тока, потребляемом от сети, средне-выпрямленное значение тока на выходе выпрямителя отказывается в 1,4 раза выше, чем в схеме на фиг.1.The output power of the proposed source can be increased by about 1.4 times without increasing the total power consumed from the network, if the rectifier is made in the form of two bridges 27 and each section 1 is made of a resistor 28 and a capacitor 29 with equal AC resistances and turned on, as shown figure 3. In this case, due to a shift of the current in the capacitor 29 by 90 ^° relative to the current in the resistor 28 at the same current value of the current consumed from the network, the average-rectified current value at the output of the rectifier refuses 1.4 times higher than in the circuit in FIG. 1.

Эта схема позволяет также значительно уменьшить емкости фильтра 4, т.к. мгновенное значение выпрямленного тока не снижается ниже уровня 0,7 амплитудного значения. This scheme also allows to significantly reduce the capacity of the filter 4, because the instantaneous value of the rectified current does not decrease below 0.7 of the amplitude value.

Испытания лабораторного образца предлагаемого устройства подтвердили его полную работоспособность и решение поставленной задачи. Tests of the laboratory sample of the proposed device confirmed its full performance and the solution of the problem.

Claims

1. Бестрансформаторный источник электропитания, содержащий узел гашения избыточного напряжения, первый мостовой выпрямитель, выход которого через фильтр подключен к стабилизатору напряжения, отличающийся тем, что узел гашения избыточного напряжения выполнен в виде двух секций с равными сопротивлениями по переменному току и включенными соответственно в оба провода между выводами для подключения источника питания и входом первого мостового выпрямителя, а стабилизатор напряжения выполнен двуступенчатым, причем его вторая ступень включает в себя задающий элемент, узел стабилизации тока задающего элемента и операционный усилитель, выводы питания которого соединены с выходом первой ступени стабилизатора напряжения, причем выход операционного усилителя подключен к выводу для подключения первой нагрузки, инвертирующий вход через введенный первый резистор соединен с выводом для подключения первой нагрузки, а через введенный второй резистор с выводом для подключения второй нагрузки, соединенным также с выходным выводом узла стабилизации тока задающего элемента, неинвертирующий вход операционного усилителя через введенные третий и четвертый резисторы с равными сопротивлениями подключен к выводам для подключения источника питания. 1. Transformerless power supply containing an excess voltage damping unit, a first bridge rectifier, the output of which through a filter is connected to a voltage regulator, characterized in that the excess voltage damping unit is made in the form of two sections with equal alternating current resistances and connected respectively to both wires between the terminals for connecting the power source and the input of the first bridge rectifier, and the voltage regulator is made in two stages, and its second stage is on includes a master element, a current stabilization unit of the master element and an operational amplifier, the power terminals of which are connected to the output of the first stage of the voltage regulator, the output of the operational amplifier being connected to the terminal for connecting the first load, the inverting input through the first resistor introduced is connected to the terminal for connecting the first load, and through the introduced second resistor with an output for connecting the second load, also connected to the output terminal of the current stabilization unit of the setting element, not The rotary input of the operational amplifier through the introduced third and fourth resistors with equal resistances is connected to the terminals for connecting the power source.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что в него введен второй мостовой выпрямитель, причем выходы первого и второго мостовых выпрямителей соединены согласно и параллельно, а каждая секция узла гашения избыточного напряжения выполнена в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных общей точкой к соответствующему выводу для подключения источника питания, а свободные выводы резисторов и конденсаторов первой и второй секций узла гашения избыточного напряжения соединены с входами соответственно первого и второго мостовых выпрямителей. 2. The source according to claim 1, characterized in that a second bridge rectifier is introduced into it, and the outputs of the first and second bridge rectifiers are connected in parallel and parallel, and each section of the excess voltage damping unit is made in the form of a series-connected resistor and capacitor connected by a common point to the corresponding terminal for connecting the power source, and the free terminals of the resistors and capacitors of the first and second sections of the excess voltage blanking unit are connected to the inputs of the first and second, respectively bridge rectifiers.