Устройство защиты от перенапряжения

 

Использование: в электротехнике, в системах регулирования электрических величин , и может быть использовано в источниках питания. Сущность изобретения: устройство содержит регулирующий элемент, выполненный на двух транзисторах , двух диодах и резисторе, блок управления , состоящий из широтно-импульсного модулятора (ШИМ), блока сравнения, выпрямителя , два диодных моста, два управляющих транзистора, дроссель, конденсатор и две демпферные цепи. При возникновении перенапряжения срабатывает блок сравнения 19 и ШИМ 18. который открывает поочередно управляющие транзисторы 7 и 8. При открытом регулирующем элементе 1 через дроссель протекает ток нагрузки и ток заряда конденсатора 15. При закрытом регулирующем элементе 1 и транзисторе 7 открыт транзистор 8, дроссель 13 отдает накопленную энергию в нагрузку, г.е. через диодный мост 10 и транзистор протекает ток нагрузки . Стабилизация выходного напряжения в заданных пределах в период перенапряжения осуществляется изменением времени открытого состояния регулирующего элемента 1. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистических

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4889738/07 (22) 10.12,90 (46) 07.11.92. Бюл. N 41 (71) Центральное научно-производственное обьединение "Ленинец" (72) Ю.Н.Снегирев и А,Г.Ложкин (56) Авторское свидетельство СССР

М 1097988, кл. Н 05 F 1/58, 1983.

Авторское свидетельство СССР

hL 1501014, кл. Н 05 F 1/571, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: в электротехнике, в системах регулирования электрических величин, и может быть использовано в источниках питания. Сущность изобретения: устройство содержит регулирующий элемент, выполненный на двух транзисторах, двух диодах и резисторе, блок уп равле„„5U„„1774429 А1 (я)5 Н 02 Н 9/02, G 05 F 1/571 ния, состоящий из широтно-импульсного . модулятора (ШИМ), блока сравнения, выпрямителя, два диодных моста, два управляющих транзистора. дроссель, конденсатор и две демпферные цепи. При возникновении перенапряжения срабатывает блок сравнения 19 и LUNM 18, который открывает поочередно управляющие транзисторы 7 и 8. При открытом регулирующем элементе 1 через дроссель протекает ток нагрузки и ток заряда конденсатора 15. При закрытом регули. рующем элементе 1 и транзисторе 7 открыт транзистор 8, дроссель 13 отдает накопленную энергию в нагрузку, т,е. через диодный мост 10 и транзистор протекает ток нагрузки. Стабилизация выходного напряжения в заданных пределах в период перенапряжения осуществляется изменением времени открытого состояния регулирующего элемента 1, 2 ил.

1774429

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известны устройства, описанные, например, в следующих источниках: авт.свид.

N. 1097988 (кл. G 05 F, опубл. в 1984 г,), журнал "Электроника". М 9, 1974 г., с.67, авт. свид, N. 1020808 (кл, G 05 F, опубл. в

1983 r.).

Эти известные устройства содержат регулирующий транзистор, блок управления стабилизатором, блок управления защитой и нагрузку.

Общий их недостаток заключается в том, что все они имеют низкую надежность и низкий КПД.

Из всех известных устройств по максимальному количеству сходных существенных признаков и по достигаемому эффекту за прототип принято устройство (авт. свид. М

1501014, кл, G 05, опубл. в 1989 г.), которое содержит блок управления и регулирующий элемент, состоящий из диодного моста, регулирующего транзистора и конденсатора.

При этом конденсатор включен последовательно в одну из силовых шин, диодный мост подключен параллельно конденсатору, а регулирующий транзистор коллекторэмиттерным переходом подключен к выходной диагонали диодного моста, а база-эмиттерный переход регулирующего транзистора соединен с выходом блока управления, который входом включен параллельно выходу устройства. Блок управления содержит узел управления, выпрямитель и датчик напряжения, Известное устройство работает следующим образом, При перенапряжении в питающей сети сигнал с датчика напряжения блока управления через его выпрямитель открывает транзистор узла управления, который запирает регулирующий транзистор. При этом падение напряжения на конденсаторе ограничивает напряжение на выходе устройства. Однако, устройство имеет недостаточно высокий КПД в нормальном режиме работы вследствие наличия в регулирующем элементе трех переходов (двух диодов и транзистора), что приводит к снижению надежности. Кроме того, конденсатор, используемый в качестве балластного сопротиЪления в аварийном режиме, имеет большие массу и габариты. Следовательно, и в целом устройство имеет большие массу и габариты. Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД и надежности при

30 одновременном улучшении массогабаритных характеристик, Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройство. содержащее включенный последовательно в одну из силовых шин регулирующий элемент, состоящий из транзистора и диодов, и блок управления, включающий выпрямитель, дополнительно введены два управляющих транзистора, два диодных моста, две демпферные цепи, дроссель, резистор и конденсатор, в регулирующий элемент— транзистор и резистор, а в блок управления — широтно-импульсный модулятор и блок сравнения, при этом дроссель включен на выходе устройства последовательно с регулирующим элементом, а конденсатор — параллельно выходу, второй диодный мост включен параллельно выходу, и один из входных выводов подключен к входу дросселя, а первый диодный мост одним из входных выводов подключен через резистор к базам транзистороь .. регулирующего элемента, соединенным вместе и через резистор подключенным к эмиттерам транзисторов и входу устройства, а другим входным выводом первый диодный мост соединен с общей шиной, причем выходные диагонали мостов соединены соответственно с коллектор-эмиттерными переходами, подключены к выходам широтно-импульсного модулятора, который входом соединен с выходом блока сравнения, входом подключенного к выходу выпрямителя, вход которого подключен параллельно выходу устройства, причем коллекторы транзисторов регулирующего элемента через диоды соединены с входом дросселя, а демпферные цепи подключены параллельно регулирующему элементу и к переходу коллектор-эмиттер второго управляющего транзистора.

Перечисленные отличительные признаки заявленного решения в совокупности с ограничительными признаками позволяют повысить КПД и надежность при одновременном улучшении массогабаритных характеристик.

Сопоставительный анализ известных технических решений с предложенным в заявке техническим решением показал, что аналогичные признаки, являющиеся отличительными для предлагаемого устройства, в известных технических рЕшениях отсутствуют, вследствие чего можно считать. что предлагаемое устройство обладает существенными отличиями.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — эпюры напряжений, поясняющие работу устройства: а—

1774429

40

55 напряжение на входе устройства, б — напряжение на базе управляющего транзистора

7, в — напряжение на базе управляющего транзистора 8, r — напряжение на выходе устройства, Предлагаемое устройство так же, как и прототип, содержит регулирующий элемент

1, включенный последовательно в одну из силовых шин, состоящий из транзистора 2 и двух диодов 3,4, и блок управления 5, включающий выпрямитель 6, В отличие от прототипа в предлагаемое устройство введены два управляюших транзистора 7,8, два диодных моста 9,10, две демпферные цепи 11, 12. дроссель 13, резистор 14 и конденсатор 15, в регулирующий элемент 1 введен транзистор 16 и резистор

17, а в блок управления 5- широтно-импульсный модулятор 18 и блок сравнения 19.

Дроссель 13 включен на выходе устройства последовательно с регулирующим элементом 1, а конденсатор 15 — параллельно выходу. Второй диодный мост 10 включен параллельно выходу и один из его входных выводов подключен к входу дросселя 13. а первый диодный мост 9 одним из входных выводов подключен через резистор 14 к базам транзисторов 2, 16 регулирующего элемента 1, соединенным вместе и через резистор 17 подключенным к эмиттерам этих же транзисторов 2, 16 и к входу устройства, Другим входным выводам первый диодный мост 9 соединен с общей шиной.

Выходные диагонали диодных моста соединены соответственно с коллектор-эмиттерными переходами управляющих транзисторов 7, 8, база-эмиттерные переходы которых подключены соответственно к выходам широтно-импульсного модулятора

18, который входом соединен с выходом блока сравнения 19. Блок сравнения входом подключен к выходу выпрямителя 6, вход которого подключен параллельно выходу устройства. Коллекторы транзистора 2, 16 регулирующего элемента 1 через диоды

3, 4 соединены с входом дросселя 13. Демпферные цепи 11, 12 подключены параллельно регулирующему элементу 1 и коллектор-эмиттерному переходу второго управляющего транзистора 8, Схемы широтно-импульсного модулятора 18 и блока сравнения 19 широко известны (см., например. в книге Г.С.Найвельта

"Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры", — M.: Радио и связь, 1980, с.347, рис.8.29; демпферные цепи— там же: с.466-519).

Предложенное устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к сети при нормальном режиме работы напряжение в нагрузку поступает через открытый для насыщения регулирующий элемент 1 и дроссель 13, Отпирание транзистора 2, 16 регулирующего элемента 1 осуществляется током, протекающим через резистор 17.

Блок управления 5 в это время никакого влияния на работу устройства не оказывает, так как управляющие импульсы широтноимпульсного модулятора 18 на регулирующий элемент 1 и транзистор 8 не поступают.

При положительном полупериоде на входе регулирующего алемента 1 через транзистор 2, диод 3 и дроссель 13 протекает ток нагрузки, а при отрицательном полупериоде на входе регулирующего элемента 1— через транзистор 16, диод 4 и дроссель 13.

При перенапряжении плтающей сети запускается широтно-импульсный модулятор (LUNM) 18. На регулирующий элемент 1 начинают поступать сигналы управления через управляющий транзистор 7 (1 выход

ШИМ) и управляющий транзистор 8 (второй выход LLIMM) с частотой на порядок и более превышающий частоту сети. Управление через транзисторы 7 и 8 осуществляется таким образом, что в любой момент времени открыт только один транзистор. При открытом регулирующем элементе 1 через соответствующую пару транзистор 2 и диод 3 или..транзистор 16 и диод 4, а также дроссель 13 протекает ток нагрузки и ток заряда конденсатора 15. В дросселе 13 происходит накопление энергии. В это время управляющий транзистор 8 заперт, и ток через него в диоды моста 10 не протекает. При закрытом регулирующем элементе 1 и управляющем транзисторе 7 открыт управляющий транзистор 8. При этом дроссель 13 отдает накопленную (во время открытого состояния регулирующего элемента 1) энергию в на грузку, то есть через соответствующую пару открытых диодов моста 10 и открытый транзистор 8 в нагрузке протекает ток, обусловленный возникновением ЭДС самоиндукции дросселя 13. Количество энергии, передаваемое в нагрузку устройства (соответствующей выходному напря>кению), определяется соотношением времени открытого состояния регулирующего элемента 1 за период коммутации к длительности периода коммутации к длительности периода коммутации, Стабилизация выходного напряжения в устройстве в зэданных пределах в период перенапряжения питающей сети осуществляется путем изменения времени открытого состояния регулирующего элемента 1. При увеличении (уменьшении) входного напряжения при

1774429

20

55 перенапряжении питающей сети выходное напряжение устройства начинает увеличиваться (уменьшаться), что (через выпрямитель 6 и блок сравнения 19 и широтно-импульсный модулятор 18) вызывает уменьшение (увеличение) времени открытого состояния регулирующего элемента 1, и, следовательно, ведет к поддержанию (при перенапряжении в момент аварийной ситуации) выходного напряжения устройства стабильным с определенной степенью точности, При уменьшении в питающей сети напряжения до нормального (при устранении перенапряжения) отключается блок управления 5, то есть широтно-импульсный модулятор 18 прекращает выдавать сигналы управления. При этом, током, поотекающим через резистор 17, отпираются до насыщения транзисторы 2, 16 регулирующего элемента 1. Таким образом, при устранении перенапряжения устройство автоматически возвращается в исходное состояние рабочего режима. Резистор 14 предназначен для ограничения тока, протекающего rio цепи управления регулирующим элементом 1 (диодный мост 9, транзистор 7). Конденсатор 15 аместе с дросселем 13, кроме того, образуют фильтр, эффективно подавля ющий высокочастотную переменную составляющую переменного напряжения, как в нормальном режиме работы (помехи по цепи питания), так и при перенапряжении в сети, обусловленном работой устройства в импульсном режиме. Демпферные цепи 11, 12 обеспечивают формирование безопасной траектории переключения транзисторов 2, 16 регулирующего элемента 1 и уп равля ющего транзистора 8.

Положительный технический эффект от использования предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключается в следующем, В нормальном режиме работы благодаря наличию всего двух переходов в регулирующем элементе и дросселя (в прототипе три перехода) КПД повышается на

5 — 10О, так при перенапряжении в сети КПД повышается на 15 — 20 Д по сравнению с прототипом и составляет 80-90% — в зависимости от величины мощности и соотношения входного и выходного напряжения. По этой же причине на 40 — 60% улучшаются массогабаритные характеристики устройства.

Снижение потерь увеличивает надежность работы устройства, так как облегчаются тепловые режимы работы элементов устройства, Схемы широтно-импульсных модуляторов и схемы сравнения широко известны.

Например, см. Г.С.Найвельт "Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры". — М.: Радио и связь, 1985, с.343, рис.8.29. Демпферные цепи известны, например, см. там же, с,466 — 519, Формула изобретения

Устройство защиты от перенапряжения, содержащее включенный последовательно в одну из силовых шин регулирующий элемент, состоящий из транзистора и двух диодов, и блок управления, включающий выпрямитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности при одновременном улучшении массогабаритных характеристик, введены два управляющих транзистора, два диодных моста, две демпферные цепи, дроссель, резистор и конденсатор, в регулирующий элемент введены транзистор и резистор, а в блок управления — широтно-импульсный модулятор и блок сравнения, при этом дроссель включен на выходе устройства последовател ьно с регулирующим элементом, а конденсатор— параллельно выходу, второй диодный мост включен параллельно выходу и один из сго входных выводов подключен к входу дросселя, первый диодный мост одним из входных выводов подключен через резистор к базам транзисторов регулирующего элемента, соединенным вместе и через резистор подключенным к эмиттерам этих же транзисторов и входу устройства, другим входным выводом первый диодный мост соединен с общей шиной, выходные диагонали первого и второго диодных мостов соединены с коллектор-эмиттерными переходами соответствующих управляющих транзисторов, база-эмиттерные переходы подключены к соответствующим выходам широтно-импульсного модулятора, который входом соединен с выходом блока сравнения, вход которого подключен к вь ходу выпрямителя, который входом подключен к выходу устройства, причем коллекторы транзисторов регулирующего элемента через его диоды соединены с входом дросселя, а демпферные цепи подключены параллельно соответственно регулирующему элементу и коллектор-эмиттерному переходу второго управляющего транзистора.

1774429 а) Обв

Составитель Ю.Снегирев

Твхред М.Моргентал Корректор Н.Бучок

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3932 Тираж Подписное

ытиям и и ГКНТ СССР

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5