Устройство защиты от перенапряжения

ОЮЭ СОВЕТСКИХоциАлистических РЕСПУБЛИ 02,605 Р 1/5(51)5 Н РЕТЕ ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ТО одс но жкино СССР1983.о СССР(57) Использостемах регулЧИН, И МО)1источникахния: устройсэлемент, выпрах, двух дио ке, всиих воли- вако в обретерующий нзисто- правлефь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО(56) Авторское свидетельстМ 1097988, кл, Н 05 Р 1/58Авторское свидетельстЬЬ 1501014, кл, Н 05 Р 1/57 ВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕН вание; в электротехни ирования электрическ ет быть использо питания. Сущность из тво содержит регули олненный на двух тра дах и резисторе, блок у ния, состоящии 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, 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,10 20 25 30 40 45 50 55 Предлагаемое изобретение относится кобласти электротехники и может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры.Известны устройства, описанные, например, в следующих источниках: авт.свид.И. 1097988 (кл. 6 05 Р, опубл, в 1984 г,),журнал "Электроника". М 9, 1974 г., с.67,авт, свид, М 1020808 (кл, 6 05 Р, опубл. в1983 г.).Эти известные устройства содержат регулирующий транзистор, блок управлениястабилизатором, блок управления защитойи нагрузку.Общий их недостаток заключается втом, что все они имеют низкую надежностьи низкий КПД.Из всех известных устройств по максимальному количеству сходных существенных признаков и по достигаемому эффекту запрототип принято устройство (авт. свид. М1501014, кл, 6 05, опубл. в 1989 г.), котороесодержит блок управления и регулирующийэлемент, состоящий из диодного моста, регулирующего транзистора и конденсатора.При этом конденсатор включен последовательно в одну из силовых шин, диодныймост подключен параллельно конденсатору, а регулирующий транзистор коллекторэмиттерным переходом подключен квыходной диагонали диодного моста, а база-эмиттерный переход регулирующеготранзистора соединен с выходом блока управления, который входом включен параллельно выходу устройства. Блок управлениясодержит узел управления, выпрямитель идатчик напряжения,Известное устройство работает следующим образом,При перенапряжении в питающей сетисигнал с датчика напряжения блока управления через его выпрямитель открываеттранзистор узла управления, который запирает регулирующий транзистор. При этомпадение напряжения на конденсаторе ограничивает напряжение на выходе устройства. Однако, устройство имеет недостаточновысокий КПД в нормальном режиме работывследствие наличия в регулирующем элементе трех переходов (двух диодов и транзистора), что приводит к снижениюнадежности, Кроме того, конденсатор, используемый в качестве балластного сопротиЪления в аварийном режиме, имеетбольшие массу и габариты. Следовательно,и в целом устройство имеет большие массуи габариты.Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД и надежности при 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 диодысоединены с входом дросселя, а демпферные цепи подключены параллельно регулирующему элементу и к переходуколлектор-эмиттер второго управляющеготранзистора.Перечисленные отличительные признаки заявленного решения в совокупности сограничительными признаками позволяютповысить КПД и надежность при одновременном улучшении массогабаритных характеристик,Сопоставительный анализ известныхтехнических решений с предложенным в заявке техническим решением показал, чтоаналогичные признаки, являющиеся отличительными для предлагаемого устройства,в известных технических рЕшениях отсутствуют, вследствие чего можно считать. чтопредлагаемое устройство обладает существенными отличиями,На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства: а -5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 напряжение на входе устройства, б - напряжение на базе управляющего транзистора 7, в - напряжение на базе управляющего транзистора 8, г - 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 диодньй мост 9 соединен с общей шлной. 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 радиоэлектДонкой аппаратуры", - М,: 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 широтно- импульсного 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 питающей сети запускается широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 18. На регулирующий элемент 1 начинают поступать сигналы управления через управляющий транзистор 7 (1 выход ШИМ) и управляющий транзистор 8 (второй выход ШИМ) 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 напряжению), 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 при10 15 20 30 35 40 45 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 по цепи управления регулирующим элементом 1 (диодный мост 9,транзистор 7). Конденсатор 15 аместе с дросселем 13, кроме того, образуют фильтр, эффективно подавляющий 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 управляющего 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 - 10 О, так при перенапряжении в сети КПД повышается на 15 - 20 по сравнению с прототипом и составляет 80-90 О - в зависимости от величины мощности и соотношения входного и выходного напряжения. По этой же причине на 40 - 60% улучшаются массо- габаритные характеристики устройства. Снижение потерь увеличивает надежность работы устройства, так как облегчаются тепловые режимы работы элементов устройст. ва,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 последовательно 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 вьходу 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 негиревРедактор тал Составитель Ю.С Твхред М,Морген гарина, 101 Производственно-издательский комбинат "Патент" ород,Заказ 3932 Тираж Подписноеытиям и и ГКНТ СССВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5