Устройство для защиты потребителя от перенапряжений

(5 02 Н 3/20 7/10 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Всесоюзного инстит рта ловинство СССР2, 1981,Н.Стабилизи- реобразовате,436, рис.11 е- О,(54) УСТР ЛЯ ОТ ПЕР(57) Из обтехнике,СТВО ДЛЯНАПРЯЖЕНИЙ тение от именно к АЩИТЫ ПОТРЕБИТЕэлектроитс устроиствам щиты потребителя.является уменьшности. Изобретениь потребитель 8,елью изо ие рассе теемой е позволяет бра апри ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(53) 621.319,925 (088,8) (56) Авторское свидетель Кф 970553, кл. Н 02 Н 7/1Моин В.С. и Лаптев Н. рованные транзисторные п ли. М.: Энергия, 1972, с 6 а. зователь постоянного напряжения, отвоздействия перенапряжений, имеющихдлительность от единиц, долей микросекунд до нескольких секунд. Защитаобеспечивается путем полного или частичного запирания последовательногозащитного транзистора 1, Для тогочтобы обеспечить режим открытого инасыщенного состояния, в устройствеимеется импульсная схема, котораявключает задающий генератор 12, перключающий транзистор 11, дроссель 1конденсатор 7, диод 6, ограничивающий резистор 5, и независимо от величины первичного напряжения и тока,питающего потребитель 8, осуществляет с довольно высоким КПД преобразованне напряжения в базовый ток защитного транзистора 1. Это дает возможность эффективного использования силовых высоковольтных транзисторов,обладающих, как правило, существенномалыми коэффициентами усиления потоку. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.1 13Изобретение относится к электроТехнике, а именно к устройствам защиты потребителя, например преобразователей постоянного напряжения, от различного вида перенапряжений, возникающих в первичной сети, и может быть использовано в системах электролита ния различных автоматических или радиоэлектронных функциональных узлов.Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности. На фиг.1 и 2 представлены схемы устройства для защиты потребителя от перенапряжений с узлом запуска; на фиг.З - схема устройства для защиты с раскрытым в конструктивном отношении согласующем блоком.30690 5 10 15 циональное назначение, так и связи,аналогичные схеме по фиг.1,Схема устройства защиты (фиг.З)содержит первый транзистор 18 и-р-итипа проводимости, базой подключенный к выходу компаратора 13, эмиттером - к источнику опорного напряжения П , коллектором через коллекторный резистор 19 - к базе второготранзистора 20 р-и-р типа проводимости, эмиттер которого соединен скатодом выпрямительного диода 6, аколлектор через последовательно включенные базовый резистор 21 и защитныйдиод 22 - с базой регулирующего транзистора 4,Устройство работает следующим образом.Устройство защиты (фиг.1) содержитзащитный транзистор 1, коллектор которого соединен с положительным полюсом сети +Е и с одним из контактовзамыкающей пусковой кнопки 2, другой контакт которой через пусковой резистор 3 подключен к базе транзистора 1,коллектору регулирующего транзистора4 и через ограничивающий резистор5 - к катоду выпрямительного диода 6 и первому выводу конденсатора 7, вторым выводом соединенного с эмиттеромтранзистора 4, положительным полюсом+ Е нагрузки 8, одному из выходовиделителя 9 напряжения и через дроссель 10 - к аноду диода 6 и коллектору переключающего транзистора 11.База транзистора 11 подключена к выходу задающего генератора 12, а эмиттер - к минусовой питающей шине - Ес(- Е) и другому входу делителя 9 напряжения, выход которого подключен к управляющему входу компаратора 13,на другой вход которого подключен источник опорного напряжения 11 , Выход компаратора 13 через согласующий блок 4 соединен с базой регулирующего транзи"тора 4.Схема устройства зашиты (фиг.2) содержит дополнительно тиристор 15, анодом подключенный к коллектору защитного транзистора 1, катодом - к его эмиттеру, а управляющим электродом - к коллектору шунтирующего транзистора 16 и через пусковой резистор 3 - к аноду тиристора. Эмиттер транзистора 16 соединен с катодом тиристора, а база через пороговый блок 17 - с катодом выпрямительного диода б. Остальные элементы имеют как функи 25 30 35 40 45 50 55 В первоначальном состоянии защитный транзистор 1 заперт. При подаче первичного напряжения сети Ес он также остается запертым, так как напряжение Е отсутствует, При кратковременном нажатии пусковой кнопки 2 "Пуск" защитный транзистор 1 открывается. Появляется напряжение Е на нагрузке 8. Одновременно с этим при работающем задающем генераторе 12 начинается импульсная работа переключающего транзистора 11. При его открытом состоянии в дросселе 10 накапливается энергия от источника напряженыя Е. При закрытом состоянии транзистора 11 накопленная в дросселе 10 энергия тока отдается через выпрямительныйдиод 6 на заряд (или подзаряд в дальнейших установившихся процессах) конденсатора 7 и на создание открывающего базового тока защитного транзистора 1, ограничиваемого резистором 5,Когда заряд, накопленный на конденсаторе 7, становится достаточным дляобеспечения непрерывного открывающегобазового тока транзистора 1, то состояние кнопки 2 уже не влияет на работоспособность схемы, так как защитный транзистор 1 остается открытымза счет наличия напряжения Е и импульсной работы переключающего транзистора 11. Таким образом, дальнейшая работа устройства защиты не зависит от того, в каком состоянии находится пусковая кнопка 2. Если перенапряжения на шинах +Е, и -Е отсутствуют, то защитный транзистор 1 остается открытым и насыщенным а регу"лирующий транзистор 4 - запертым эасчет того, что соотношение между вы.1 133 О 6 ходцым напряжением делителя 9 и цапряжецием 13, образует выходное напряжение компаратора 13 таким, что блок 14 не дает отпирающего сигнала на транзистор 4.При возникновении перенапряжения и при открытом защитном транзисторе1 напряжение Е повышается, при этом увеличивается и выходное напряжение делителя 9 и, когда оно сравняется с напряжением П выходное напряжение компаратора 13 через согласующий блок 14 приоткрывает регулирующий транзистор 4, чем уменьшается базовый ток защитного транзистора 1 и вызывается его призакрывание. Это приводит к тому, что напряжение Е не превышает величины заданной ко ффициентом деления делителя 9 ц напряжения Б . 1 Цунтиронание баэоэммиттерного перехода транзистора 1 регулирующим транзистором 4 приводит к уменьшению базового тока транзистора1, но не вызывает его полного запирания до исчеэания напряжения Е. Поэтому несмотря на изменение базового тока транзистора ,напряжение на конденсаторе 7 изменяется несущественно и при последующем эапирании З 0 транзистора 4 напряжения на конденсаторе 7 вполне достаточно для требуемого насыщения защитного транзистора 1.Таким образом, появление перенапряжения на входе Е вызывает призаписрание защитного транзистора 1, причем напряжение Е не преньшает заданного максимального значения.В предлагаемой схеме выходное нап о ряжение перенапряжения прикладывается лишь к защитному транзистору 1, а к остальным полупроводниковым приборам: переключающемуся транзистору 11, регулирующему транзистору 4, согласую щему блоку 14 и компаратору 13, прикладывается напряжение Е, защищенное от перенапряжений транзистором 1, Следовательно в схеме можно применять лишь один высоковольтный транзистор защитный транзистор 1, остальные могут быть достаточно низковольтными. В частности применение низковольтного, но высокочастотного транзистора в качестве переключающего 11 дает возможность уменьшить массу и габариты дросселя 1 О и конденсатора 7,Схема (фиг.2) работает следующим образом. 90,При появлении первичного питающегонапряжения и достижении им определенного значения тиристор 15 открываетсяположительной обратной связью черезпусковой резистор 3. Открывание тиристора 15 шунтирует защитный транзистор 1, чем обуславливается появлениенапряжения Г на нагрузке 8. Это припводит к началу импульсной работы переключающего транзистора 11. Далееаналогично, как и н предыдещей схеме,появляется открывающий ток защитноготранзистора 1, он открывается и вводится в режим насыщения Открываниетранзистора 1 приводит к тому, чтотиристор 15 запирается, так как егосиловые электроды зашунтиронаны этимтранзистором. Далее н стационарномрежиме тиристор 15 заперт, а транзистор 1 открыт и насыщен и на нагрузкеимеется напряжение Е,При возникновении перенапряженияна шинах Ес транзистор 1 (фиг.1) запирается, Это обуславливает увеличение падения напряжения на нем, Но тиристор 15 не открывается, так какего упранляющий вход зашунтиронан открытым шуцтирующим транзистором 16,который открывается с появлением напряжения ца конденсаторе 7, Следовательно, до тех пор пока имеется напряжение на конденсаторе 7, котдроеконтролирует наличие напряжения Е,тиристор 15 открыться не может. Этимобеспечивается включение тиристора15 при появлении перенапряжения навходах Е . Повторное открывание тиристора 15 может произойти только послеисчезновения напряжения на конденсаторе 7 или, что равносильно, напряжения Е на нагрузке 8. Одновременно сэтим использование тиристора 15 обеспечивает нормальное включение устройства защиты без применения пусковойкнопки и только при отсутствии напряжения Е. Пороговый блок 17, в качестве которого может быть использован низковольтный стабилитрон илипрямовключенный диод, предназначендля создания гарантированного открывания защитного транзистора 1 до шунтирования управляющего входа тиристора 15, чем исключается режим паразитных автоколебаний между тиристором 15 и транзистором 1,Таким образом, тиристор 15 обеспечивает первоначальный пуск устройствазащиты и одновременно с этим схемой1330 б обеспечивается запертое состояниетиристора при возцикцовецци перенапряжений. Кроме того, при случайномсбое в схеме, вызвавшем кратковременное пропадание напряжения г конденсаторе 7 и, как следствие, цсчезаниенапряжения Е, схема запускается автоматически.Схема ,фиг,3) показывает работуустройства согласупщего блока 14. 10Для упрощения рассмотрения работыона изображена в виде устройства спусковой кнопкой 2, однако работасхемы связи не зависит от того, какосуществляется запуск: кнопкой 2 илитиристором 15.Схема связи обеспечивает согласование уровней входного напряжениякомпдратора 13, в качестве которогоможет использоваться обычный интегральньп операционный усилитель, сбазой регулирующего транзистора 4,Если вьходцое цдпряхее компаратора13 меньше, чем напряжение Ь тотранзистор 18 заперт, следовательно 25заперты транзисторы 20 и 4. Эта ситуация существует, когда выходноенапряжение делителя 9 меньше, чемт. е, при отсутстц ца входахиЕ. перенапряжений и цдсьпцецном защитцом транзисторе 1. Ресторы 19 и 21определяют базовые точки транзисторов 20 и 4 соответстве.цно. Защитныйдиод 22 предназначен для исключенияпробоя бдзо-эмцттерцого переходатранзистора 4, д такжеля уменьшения напряженяерехо;гд база-коллектор транзистора 20.При возникновении перенапряжениянд входах Е вьходое напряжене делителя 9 достигает величины 13 , выопходцое напряжение компдратора 13 увеличивается и становится больпим, чем Б. Это вызывает появление базового,а затем и коллекторцого тока транзис тора 18, которьп является базовым током транзистора 20. Вследствие этого открывается или приоткрывается регулирующий транзистор 4.50Следовательно, приме ение предлагаемой схемы связи дает возможность обесгечить согласование транзистора 4, осуществляющего управление защитным транзистором 1, с выходом компа, 55 ратора, имеющего ненулевые остаточные положительные и отрицательные уровни выходного напряжения, осложняющие в известных схемах согласование транзи 90 6сторных каскадог:, Согласование выполняется беэ допогнительных источников,цо защитный транзистор работает в насьщенном режиме,Применение предлагаемого устройства защиты дает цозможность обеспечитьнасыщенный режи работы защитноготранзистора без применения активнъхрезисторов, обулавливающих потеримощности, Приме ение источника насыщенного тока в виде импульсного преобразователя каскадов, осуществляю-,щего понижение напряжения Е, обеспечивает достаточно малые потери энергии, При возникновении перенапряжения на шинах Е, защитный транзистор1 начинает работать в линейном режиме, чем обеспечивается неизменностьнапряжения Е при любых видах перенапряжений - импульсных иди длительных.Следовательно, использование предлагаемого устрсйства защиты имеетследующие преи ущества.Обеспечивается насьшгение защитного транзистора в стационарном режимеработы при отсутствии перенапряжений.Имеется возможность вариантноговыбора схемы защиты: с пусковой кнопкой или с автоматическим пуском припомощи тиристора,При заданных перенапряжениях любойдлительности обеспечивается защитаи неизменность напряжения на потребителе,На транзисторах схемь защиты, кроме высоковольтного, рабочее напряжение не превьппает напряжение питанияпотребителя.Имеется возможность применения вкачестве защитного транзистора с малым коэффициентом усиления по току,так как он в незначительной степениопределяет энергетическую эффективность устройстваОбеспечивается согласование операционного усилителя с регулирующим изащитным транзисторами без применениядополнительных источников вспомогательного напряжения. Применение импульсного способа для получения насьшгающего тока базы защитного транзистора обеспечивает достаточно высокую энергетическую эффективность и дает возможности для улучшения массогабаритных характеристик путем повышения частоты преобразования.Применение только одного высоковольтного транзистора (и) или тиристора удешевляет устроиство,Обеспечивается независимость автоматического пуска устройства защиты от длительности фронта нарастанияпервичного напряжения при включении.Уменьшается мощность, рассеиваемая устройством защиты, что дает возмощность иметь лучшие массогабаритныехарактеристики,Увеличивается надежность работыустройства из-за облегчения температурных режимов. Формула изобретения 1. Устройство для защиты потребителя от перенапряжений, содержащее включенный в силовую цепь защитный .транзистор и пороговый элемент, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения рассеиваемости мощности, в него введены ограничивающий резистор, делитель напряжения, согласующий блок, регулирующий и переключающий транзисторы, дроссель, выпрямительный диод, конденсатор, задающий генератор и узел запуска, а в качестве порогового элемента использован компаратор, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем задающий генератор выходом подключен к базе переключающего транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной и первым входом делителя напряжения, коллектор с анодом выпрямительного диода и через дроссель - с эмиттером защитного транзистора, эмиттером регулирующего транзистора, первым выводом конденсатора и вторым входом делителя напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, выходом соединенного через согласующий блок 15 20 25 30 35 40 45 с базой регулирующего транзистора,коллектор которого подключен к базезащитного транзистора, первому выводуограничивающего резистора, второй вывод которого подключен к катоду выпрямительного диода и второму выводуконденсатора, при этом узел запускаодним выводом подключен к входномувыводу устройства, а другим включенв цепь управления защитным транзистором.2, Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел запуса включает в себя последовательнуюцепь из замыкающей пусковой кнопкии пускового резистора,3. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что узел запуска включает в себя тиристор, пусковой резистор, шунтирующий транзистори пороговый блок, причем шунтирующийтранзистор эмиттером соединен с эмиттером защитного транзистора и катодом тиристора, базой через пороговыйблок - с катодом выпрямительного диода, а коллектором - с управляющимэлектродом тиристора и через пусковой резистор - с аьсолом тиристора иколлектором защитного транзистора,4. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что согласуюп 1 ий блок выполнен на двух резисторах,защитном диоде, первом транзистореп-р-п-типа проводимости и второмтранзисторе р-п-р-типа проводимости,причем база первого транзистора соединена с выходом компаратора, эмиттер - с источником опорного напряжения, а коллектор через первый резистор - с базой второго транзистора,эмиттер которого подключен к катодувыпрямительного диода, а коллекторчерез прямовключенный защитный диоди второй резистор - к базе регулирующего транзистора.1330690 фиР Я Составител- О.МещеряковаТехред Л,Сердюкова Корректор А.Зимокосов Редактор А.Долинич Заказ 3581/53 Тираж 617 ПодписноеВНИИПО Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4