Стабилизатор постоянного потребляемого тока с комбинированной защитой

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропитания, стабилизированных по току. Технический результат заключается в улучшении показателей надежности путем комбинированной защиты по току нагрузки и перенапряжению на выходе стабилизаторов потребляемого тока. В стабилизатор потребляемого тока, содержащий транзисторный регулирующий элемент, включенный между выходной шиной и выходным (общим) выводом, эталонный резистор, источник опорного напряжения, измерительный элемент и усилитель постоянного тока, выходом соединенный с управляющим входом транзисторного регулирующего элемента, введены узел защиты по току и узел защиты от перенапряжения, содержащие ключевой элемент с цепью управления и исполнительный элемент на тиристоре, вывод управления которого включен между последовательно включенными стабилитронами, подключенными параллельно нагрузке. В аварийных режимах включается соответствующий узел защиты, закрывая ключевой элемент. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания устройств, стабилизированных по току.

Известны устройства защиты, в которых эталонный резистор-датчик тока подключен к эмиттерам согласованных транзисторов, образующих "зеркало тока". В устройстве [1] для защиты от перегрузок по току используются элементы "зеркала тока", сигнал с выхода второго транзистора сборки подключен к инверсному входу операционного усилителя, к прямому входу которого подключена средняя точка делителя, подключенного к сумме основного и дополнительного источника, выход операционного усилителя подключен ко входу блока управления, а датчик тока подключен между эмиттерами первого и второго транзистора "зеркала тока". Недостатком такого устройства является его сложность /необходим операционный усилитель, дополнительный источник электропитания и др. элементы/, кроме того, осуществляется только защита по току нагрузки.

Известен стабилизатор постоянного потребляемого тока [2], содержащий транзисторный регулирующий элемент, включенный между выходной шиной и выходным выводом, эталонный резистор, источник опорного напряжения, измерительный элемент и усилитель постоянного тока, выходом соединенный с управляющим входом транзисторного регулирующего элемента, содержащий сборку из двух однотипных транзисторов с резистивными элементами в коллекторных цепях с усилителем постоянного тока, выполненного в виде дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к точке соединения резисторов первого резистивного элемента, второй вход дифференциального усилителя подключен к коллектору второго транзистора сборки.

Устройство [2] является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству.

Недостатком его является отсутствие защиты от перегрузок по току /при учете особенности, что на эталонном резисторе напряжение чрезвычайно мало-единицы- десятки милливольт/, а также защиты от перенапряжения на нагрузке.

Целью изобретения является улучшение показателей надежности путем введения защиты по току и напряжению.

Указанная цель достигается тем, что в стабилизатор постоянного потребляемого тока, содержащий транзисторный регулирующий элемент, включенный между выходной шиной и выходным выводом, источник опорного напряжения, измерительный элемент и усилитель постоянного тока, выходом соединенный с управляющим входом регулирующего элемента, содержащий сборку из двух однотипных транзисторов с резистивными элементами в коллекторных цепях с усилителем постоянного тока, выполненного в виде дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к точке соединения резисторов первого резистивного элемента, введены последовательно с эталонным резистором ключевой элемент, цепь базы которого подключена через базовый резистор к коллектору упомянутого ключевого элемента и через управляющий транзистор к выходной шине, база управляющего транзистора через второй резистор развязки, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор развязки подключены к коллектору второго транзистора сборки, средняя точка делителя, подключенного параллельно нагрузке, подключена через второй эмиттерный резистор к эмиттеру транзистора управления, коллектор которого подключен к коллектору первого транзистора оборки, база через первый стабилитрон - к выходной шине, параллельно нагрузке включен узел защиты от перенапряжения, содержащий исполнительный элемент на тиристоре, включенный силовыми электродами последовательно со вторым стабилитроном, вывод управления упомянутого тиристора включен между последовательно включенными третьим и четвертым стабилитронами, подключенными параллельно нагрузке. Кроме того, цепь управления узла защиты от перенапряжения выполнена на двух делителях, подключенных к нагрузке, первый из которых содержит последовательно включенные ограничительный резистор защиты, пятый стабилитрон, светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой включен последовательно с первым и вторым ограничительными резисторами управления, а к точке соединения фотоприемника и второго ограничительного резистора включен выход управления исполнительного элемента.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличатся наличием новых блоков /узел защиты по току, узел защиты от перенапряжения/ с их связями с остальными узлами и элементами схемы. Таким образом, заявленное устройство является новым, так как оно неизвестно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие, как повышенная надежность, связанная с наличием узлов комбинированной защиты, причем эталонный резистор является одновременно датчиком тока. Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательный уровень, т.к. для автора он явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявленного устройства, на фиг. 2 - узел защиты от перенапряжения. Эталонный резистор 1 включен последовательно с нагрузкой 2, выводы элемента 1 подключены к транзисторной сборке 3, включающей согласованные транзисторы 4 и 5, эмиттеры этих транзисторов подключены к выводам эталонного резистора 1, эмиттер первого согласованного транзистора 4 подключен к входному выводу источника постоянного напряжения. В цепь коллектора транзистора 4 включены последовательно резисторы 6 и 7, представляющие собой первый резистивный элемент, средняя точка этих резисторов подключена к базе транзистора 9, представляющего совместно с транзистором 10 транзисторы дифференциального усилителя, в точке соединения эмиттеров упомянутых транзисторов подключен одним выводом первый эмиттерный резистор 11, второй вывод которого подключен к одному из выводов нагрузки 2; в цепи коллектора транзистора 9 включен резистор 12, точка соединения коллектора транзистора 9 и резистора 12 подключена к первому транзистору 13 регулирующего элемента, в цепи коллектора упомянутого транзистора включен первый ограничительный резистор 14, точка соединения элементов 13 и 14 подключена к базе второго транзистора регулирующего элемента 16, в цепи коллектора которого установлен второй ограничительный резистор 15. Элементы 13 -16 и представляют собой транзисторный регулирующий элемент.

Между эталонным резистором 1 и нагрузкой 2 включен ключевой элемент 17, базовый резистор 18 включен между базой и коллектором упомянутого транзистора - ключевого элемента 17, к точке соединения коллектора транзистора 4 и резистора 6 подключен коллектор транзистора управления 19, в цепи базы которого включен анодом первый стабилитрон 20, катод которого - к другой входной шине /выводу/, т.е. к общей шине стабилизатора; в цепь эмиттера транзистора управления 19 включен второй эмиттерный транзистор 21, второй вывод которого подключен к средней точке делителя на транзисторах 22, 23, включенных параллельно нагрузке, в цепь базы ключевого элемента - транзистора 17 включен управляющий транзистор 24, эмиттер которого подключен к общей шине стабилизатора, резисторная развязка, содержащая первый 25 и второй 26 резисторы подключена одними выводами к точке соединения коллектора транзистора 5 и резистора 8, другими 25 - к базе второго транзистора 10 дифференциального усилителя и 26 - к базе управляющего транзистора 24. Элементы 17-26 образуют узел защиты по току 27. Параллельно выходу, т.е. нагрузке 2 подключены второй стабилитрон 28 и исполнительный элемент 29, соединенные последовательно, третий и четвертый стабилитроны 30, 31, также соединенные последовательно, причем катоды элементов 28 и 30 подключены к выходному выводу, а анод 31 - к выводной /общей/ шине, точка соединения элементов 30 и 31 подключена к управляющему выводу элемента 29. Элементы 28-31 образуют узел защиты от перенапряжения 32.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения этого узла. Здесь параллельно нагрузке включены делители из ограничительного резистора защиты 33, пятого стабилитрона 34 и светоизлучателя оптопары 35 -светодиода 36, фотоприемник которой 37 включен последовательно с элементами второго делителя - первого и второго ограничительных резисторов управления, точка соединения элементов 35 и 39 подключена к управляющему выводу элемента 29.

Устройство работает следующим образом. В нормальных условиях, т.е. при отсутствии аварийных режимов /перегрузки по току, перенапряжению на выходе/ стабилизатор потребляемого тока выполняет свои основные функции, т.е. в качестве опорного напряжения используется сигнал с резистора 6 изменяющегося напряжения - сигнал с резистора 8. Оба эти напряжения подаются на дифференциальные входы усилителя на транзисторах 9,10. При увеличении тока нагрузки увеличивается напряжение на эталонном резисторе 1, увеличение тока через резисторы 6,7 значительно меньше, чем через резистор 8, т.е. увеличивается напряжение между дифференциальными входами, уменьшается напряжение коллектор- эмиттер транзистора 10, увеличивается ток через него, т.е. величина сигнала на резисторе 12 уменьшается, так как ток коллектора транзистора 10 увеличивается, а коллектора 9 - уменьшается. Это уменьшает входной сигнал транзистора 13, следовательно, и токи коллекторов транзисторов 13, 16, компенсируя увеличение тока через резистор 1. При уменьшении тока нагрузки стабилизатор работает в противофазе описанному. В режиме нормальной работы транзистор 17 - ключевой элемент открыт /ток базы его протекает через резистор 18/, управляющий транзистор 24 закрыт, транзистор управления 19 работает в режиме, необходимом для выполнения стабилизатором основных функций. Через стабилитроны 30, 31 ток не протекает, исполнительный элемент 29 находится в закрытом состоянии, стабилитрон 28 /как и стабилитроны 30, 31/ не находятся в режиме стабилизации /пробоя 3енера/, т.е. узел 32 не влияет на нормальный режим работы стабилизатора постоянного потребляемого тока. Аналогично в этом режиме работает узел 32, фиг. 2. Напряжение на пятом стабилитроне 34 меньше напряжения пробоя Зенера, ток, протекающий через светоизлучатель 36 оптопары 35, весьма мал и недостаточен для включения фотоприемника 37 упомянутой оптопары, тиристор 29 отключен и узел 32 не влияет на нормальный режим работы стабилизатора.

При перегрузке по току, или коротком замыкании в нагрузке, т.е. увеличении тока нагрузки выше определенной величины, напряжение на эталонном резисторе 1 увеличивается и, следовательно, увеличивается ток через транзистор 4, увеличивается на столько же ток через транзистор 5 и тем самым создается большее напряжение на резисторе 8,управляющий транзистор 24 переходит в режим усиления, воздействуя на ключевой элемент, напряжение на делителе 22, 23 начинает уменьшаться, уменьшается и потенциал его средней точки, что приводит к увеличению тока через второй эмиттерный резистор 21, транзистор управления 19 и транзистор сборки 4. Увеличение тока через упомянутый транзистор 4 в свою очередь приведет к дальнейшему увеличению тока через транзистор 5, увеличению напряжения на резисторе 8 и еще большему открытию управляющего транзистора 24, еще больше запирая ключевой элемент 17; процесс носит регенеративный характер и транзистор 17 закрывается лавинообразно.

При увеличении напряжения на нагрузке выше допустимого значения /величина определяется величиной стабилизации напряжения элементов 28, 30, 31, 34/ включается цепь управления из элементов 30, 31 /или светоизлучатель 36 оптопары 35, фиг. 2/, включается исполнительный элемент 29 /или фотоприемник 37 и элемент 29, фиг. 2/ и напряжение на выходе ограничивается величиной стабилизации стабилитрона 28, резко увеличивается ток через эталонный резистор 1 и срабатывает защита по току.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает комплексную защиту стабилизатора постоянного потребляемого тока. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 1396205 кл. H 02 H 7/12. Опубл. 1988, Бюл. N 18.

2.Патент РФ N 2033634 кл. G 05 F 1/56. Опубл. 1995, Бюл. N 11.

Формула изобретения

Стабилизатор постоянного потребляемого тока с комбинированной защитой, содержащий транзисторный регулирующий элемент, подключенный между выходной шиной и выходным выводом, эталонный резистор, включенный последовательно с нагрузкой, сборку из двух однотипных транзисторов, усилитель постоянного тока, выполненный в виде дифференциального усилителя, выходом соединенного с управляющим входом транзисторного регулирующего элемента, первым входом подключенного к точке соединения резисторов первого резистивного элемента, эмиттеры транзисторов сборки подключены к упомянутому эталонному резистору, причем первый резистивный элемент включен в цепь коллектора первого транзистора сборки, второй резистивный элемент в цепь второго транзистора сборки, при этом при увеличении тока нагрузки ток через первый резистивный элемент значительно меньше, чем через второй, отличающийся тем, что последовательно с эталонным резистором включен ключевой элемент, цепь базы которого подключена через базовый резистор к коллектору упомянутого ключевого элемента и через коллектор-эмитер управляющего транзистора к выходной шине, база управляющего транзистора через второй резистор развязки подключена к коллектору второго транзистора сборки, второй вход дифференциального усилителя соединен с коллектором второго транзистора сборки через первый резистор развязки, средняя точка делителя, подключенного параллельно нагрузке, подключена через второй эммитерный резистор к эммиттеру транзистора управления, коллектор которого подключен к коллектору первого транзистора сборки, база через первый стабилитрон - к выходной шине, параллельно нагрузке включен узел защиты от перенапряжения, содержащий исполнительный элемент на тиристоре, включенный силовыми электродами последовательно со вторым стабилитроном, вывод управления упомунотого тиристора подключен к точке соединения включенных последовательно с первым ограничительным резистором фотоприемника оптопары и второго ограничительного резистора управления второго делителя, включенного параллельно нагрузке, светодиод упомянутой оптопары включен последовательно с ограничительным резистором защиты и пятым стабилитроном, представляющими первый делитель, включенный параллельно нагрузке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2