Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки, который, в частности, применяется для фильтрации выходного напряжения источника, предназначенного для питания различных потребителей постоянного тока. Технический результат заключается в уменьшении токовых нагрузок на питающий источник напряжения постоянного тока и на конденсатор нагрузки, что приводит к повышению надежности их работы. Устройство для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки содержит источник напряжения постоянного тока, конденсатор нагрузки, ключ, пороговый элемент, компаратор, источник опорного напряжения, логический блок и блок управления, а также реактор и диод. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения зарядного тока конденсатора, в частности для ограничения зарядного тока конденсатора, подключенного к входу инвертора.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 1).

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из резистора, подключенного между источником питания и конденсатором нагрузки, реле с замыкающим контактом, подключенным параллельно резистору и системе управления, обеспечивающей срабатывание реле при увеличении напряжения на конденсаторе нагрузки до заданного уровня или по прошествии определенного времени с момента включения.

Недостатки устройства обусловлены тем, что катушка реле в основном режиме работы устройства остается подключенной к сети, что снижает ресурс ее работы и увеличивает вероятность отказа.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 3 - прототип).

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из ключа, силовые выводы которого подключены между первым выводом источником питания и первым выводом конденсатора нагрузки, а второй вывод источника питания подключен ко второму выводу конденсатора нагрузки непосредственно, и блока управления, выход которого подключен к управляющему выводу ключа. При включении источника питания система управления в соответствии с заданным алгоритмом генерирует импульсы управления, что вызывает периодическое замыкание ключа и постепенный заряд конденсатора нагрузки с соответствующим ограничением значения зарядного тока.

Недостаток известного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки обусловлен тем, что у него не контролируются импульсные значения тока заряда в интервалах проводимости ключа. Вместе с тем при сочетании процесса заряда конденсатора нагрузки с возможными случайными изменениями напряжения источника питания в виде выбросов напряжений, ограничение тока заряда будет отличаться от запрограммированного, и амплитуда импульсов тока на отдельных интервалах коммутации может превысить допустимое значение. Кроме того, возможны случайные изменения нагрузки на выходе устройства, включая и аварийные режимы с коротким замыканием, которые также вызовут превышение током допустимого значения.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанный недостаток, т.е. ввести быстродействующую защиту от повышения тока заряда сверх допустимого значения, за счет чего повысить надежность устройства. Кроме того, повышению надежности устройства способствует введение функции защиты от короткого замыкания в нагрузке.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, при этом первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки, дополнительно введены пороговый элемент, компаратор, источник опорного напряжения, логический блок, реактор и диод, при этом вход порогового элемента соединен с первым выводом ключа, выход порогового элемента и второй выход блока управления подключены на первый и второй входы компаратора соответственно, к третьему входу компаратора подсоединен выход источника опорного напряжения, выход компаратора и выход блока управления подключены соответственно на первый и второй входы логического блока, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, второй вывод которого через реактор соединен со второй выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки, а между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.

В заявленном устройстве для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- источник напряжения постоянного тока;

- ключ;

- блок управления;

- первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- в устройство введен пороговый элемент, подключенный своим входом к первому выводу ключа;

- введен компаратор, первый и второй входы которого подключены к выходу порогового элемента и второму выходу блока управления;

- введен источник опорного напряжения, выход которого подключен к третьему входу компаратора;

- введен логический блок, первый и второй входы которого подключены к выходу компаратора и выходу блока управления соответственно, а его выход соединен с управляющим входом ключа;

- введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки;

- введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата.

Признаки: «…в устройство введен пороговый элемент, подключенный своим входом к первому выводу ключа,…введен компаратор, первый и второй входы которого подключены к выходу порогового элемента и второму выходу блока управления,…введен источник опорного напряжения, выход которого подключен к третьему входу компаратора,…введен логический блок, первый и второй входы которого подключены к выходу компаратора и выходу блока управления соответственно, а его выход соединен с управляющим входом ключа» - позволяют контролировать ток ключа путем измерения падения напряжения на ключе в открытом состоянии и формировать посредством логического блока сигнал на уменьшение длительности интервала проводимости ключа, если указанное падение напряжения в интервале открытого состояния ключа будет больше некоторого заданного значения, определяемого уставкой источника опорного напряжения.

Признаки: «…введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки,…введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа» - обеспечивают последовательное приращение напряжения на конденсаторе нагрузки в процессе его заряда с ограничением амплитуды импульса тока в интервале проводимости ключа.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки; на фиг. 2 - осциллограммы сигналов, полученные при схемотехническом моделировании процесса заряда конденсатора:

2, а - вид управляющего сигнала U_У(t) на выходе блока 3 управления (напряжения управления на входе ключа 2);

2, б - график изменения напряжения U_С(t) на конденсаторе нагрузки (кривая 1) и график тока заряда I₃(t) конденсатора нагрузки (кривая 2) при включении устройства.

На фиг. 3 приведены результаты схемотехнического моделирования происходящих процессов в устройстве при следующих условиях:

3, а - при ступенчатом увеличении напряжения источника питания в интервале времени t₁-t₂ после завершения заряда конденсатора: график I₃(t) - ток в цепи нагрузки устройства, график U_У(t) - напряжение управления на управляющем входе ключа;

3, б- при ступенчатом уменьшении сопротивления нагрузки на выходе устройства в интервале времени t₁-t₂ после завершения заряда конденсатора: график I₃(t) - ток в цепи нагрузки устройства, график U_У(t) - напряжение управления на входе ключа.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от источника 1 напряжения постоянного тока содержит ключ 2, блок 3 управления, пороговый элемент 4, компаратор 5, логический блок 6, источник 7 опорного напряжения, реактор 8, диод 9 и клеммы 10, 11 для подключения конденсатора и нагрузки, при этом первый вывод источника соединен с первым выводом ключа 2 и с входом порогового элемента 4, выход порогового элемента 4 подключен на первый вход компаратора 5, второй вход компаратора 5 соединен со вторым выходом блока 3 управления, третий вход компаратора 5 соединен с выходом источника 7 опорного напряжения, а выход компаратора 5 подключен на первый вход логического блока 6, выход блока 3 управления подключен на второй вход логического блока 6, выход блока 6 соединен с управляющим входом ключа 2, второй вывод ключа 2 через реактор 8 соединен с клеммой 10, а второй вывод источника 1 соединен с клеммой 11, являющимися выходными выводами устройства, к которым подключен конденсатор нагрузки, при этом между вторым выводом ключа 2 и вторым выводом источника 1 подключен диод 9 катодом ко второму выводу ключа.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора работает следующим образом.

При включении устройства система управления 3 в соответствии с заложенным алгоритмом формирует импульсы, которые через логический блок 6 поступают на управляющий вход ключа 2 и вызывают его периодическое включение и отключение. В интервале проводимости ключа 2 ток заряда конденсатора нагрузки протекает от источника 1 через открытый ключ 2 и реактор 8, что вызывает приращение напряжения на конденсаторе нагрузки при ограничении импульса тока заряда допустимым значением за счет индуктивности реактора 8. В интервале паузы ключа 2 энергия реактора 8 разряжается через конденсатор нагрузки и диод 9. С каждым последующим импульсом управления напряжение на конденсаторе нагрузки увеличивается до достижения полного его заряда при заданном ограничении максимального значения импульса тока заряда на интервале проводимости ключа 2. Это значение импульса тока определяется напряжением источника питания при неизменных прочих условиях. При выбросах напряжения на выходе источника питания 1 ток на интервале коммутации стремится к увеличенному значению, что приводит к увеличению падения напряжения на открытом ключе 2. Это увеличенное значение падения напряжения вызовет срабатывание порогового элемента 4, выходной сигнал которого сравнивается на компараторе 5 с опорным сигналом от источника 7 опорного напряжения, результат сравнения воздействует на логический блок 6, что соответствующим образом корректирует сигнал управления с выхода блока 3 и, в итоге, уменьшает длительность интервала проводимости ключа 2, ограничивая максимальное значение тока заряда на данном интервале допустимым уровнем. За счет действия связи между вторым выходом системы управления 3 и вторым входом компаратора 5 указанный процесс ограничен пределами интервала проводимости ключа 2.

Величина порога срабатывания порогового элемента зависит от значения падения напряжения на ключе при его открытом состоянии, т.е. в интервале проводимости ключа, что можно определить с использование каталожных данных на полупроводниковые приборы. Например, для современного силового полевого транзистора 2П829В в технической документации указывается сопротивление канала в открытом состоянии R_{СИ ОТК}=0,15 Ом. Максимальный ток стока транзистора ограничен значением I_{С МАКС}=20 А. Следовательно, если требуется ограничить ток транзистора допустимым значением, например I_ДОП=15 А, то уровень порога срабатывания порогового элемента следует выбрать равным

U_СРАБ.=I_ДОПR_С.ОТК.=15А·0,15 Ом=2,25 В.

Процедура задания порога может быть сведена к выбору нелинейного звена с соответствующей характеристикой «вход-выход», например, стабилитрона, или, для более точной настройки, последовательному соединению стабилитрона и диодов в прямом направлении.

При перегрузке устройства по выходному току или при коротком замыкании в нагрузке процесс происходит аналогично, т.е. ток на интервале коммутации стремится к увеличенному значению, что также приводит к увеличению падения напряжения на открытом ключе 2. Последующая, при этом, обработка сигналов, аналогичная указанной выше, приводит к уменьшению длительности интервала проводимости ключа 2, ограничивая тем самым максимальное значение тока нагрузки на данном интервале допустимым уровнем.

Процесс измерения тока через ключ 2 и соответствующая реакция системы на увеличенный ток сохраняются и после окончания заряда конденсатора нагрузки и перехода ключа 2 в постоянно открытое состояние. Таким образом, в устройстве наряду с ограничением тока заряда конденсатора нагрузки осуществляется также и защита от токов перегрузки, включая и режим короткого замыкания.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, при этом первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, а второй вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены пороговый элемент, компаратор, источник опорного напряжения, логический блок, реактор и диод, при этом вход порогового элемента соединен с первым выводом ключа, выход порогового элемента и второй выход блока управления подключены на первый и второй входы компаратора соответственно, а к третьему входу компаратора подсоединен выход источника опорного напряжения, выход компаратора и выход блока управления подключены соответственно на первый и второй входы логического блока, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, второй вывод которого через реактор соединен со второй выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки, а между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.