Преобразователь напряжения с защитой от перегрузок

(19) (11) 51)5 Н 02 М 3ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ОСУДАРСТВЕННЫЙО ИЗОБРЕТЕНИЯМРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ К АВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ектного электроопривод" агинскии тво СССР5, 1977,тво СССР37, 1988.НАПРЯЖЕН(71) Сибирский завод комппривода "Сибстанкоэлект(72) А,Б,Немировский и А. (53) 621,314,57(088,8) (56) Авторское свидетельс М 568124, кл. Н 02 М 3/33Авторское свидетельс М 1585884, кл. Н 02 М 3/3 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗ Изобретение относится к преобразовательной технике и можетбыть использовано в маломощных системах электропитания различных электронных устройств,Цель изобретения - повышение надежности устройства путем упрощения его системы управления.На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг, 2 - временные диаграммы,. поясняющие работу преобразователя; на фиг, 3 - схема реализацииблока коммутации.Устройство содержит транзисторный инвертор 1 с трансформаторным выходом, а также систему управления, включающую в себя задающий генератор 2, блок 3 управления, первый блок 4 коммутации, датчик 5 тока, схему 6 коммутации тока перегрузки, формирователь 7 импульса перегрузки, схему 8 переключения порога срабатывания, второй блок 9 коммутации, формирователь(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в маломощных системах электропитания различных электронных устройств. Цель изобретения - повышение надежности устройства путем упрощения. его системы управления. Указанная цель достигается использованием лишь одного элемента сравнения тока с пороговым уровнем - формирователем импульса перегрузки, в сочетании с введенным вторым блоком коммутации, переключающим уровень порога срабатывания схемы переключения порога срабатывания по сигналам от формирователя логического сигнала. 3 ил. 10 логического сигнала режима работы. Выход задающего генератора 2 соединен с вторым входом формирователя 10 логического сигнала режима работы и входом блока 3 управления, подключенного вых. 1 и 2 к вх.1 и 2 первого блока 4 коммутации. Вых, 1 и 2 блока 4 соединены с вх. 1 и 2 инвертора 1, соединенного вых. 1 с датчиком 5 тока, Нагрузка инвертора подключается к трансформаторному выходу инвертора 4 (не показано). Вых. 3 и 4 первого блока 4 коммутации подключены к управляющим вх, 1 и 2 схемы 6 коммутации тока перегрузки, присоединенной вых. 1 и 2 к вх. 3 и 4 инвертора 4, а вых. 3 и 4 - к его вх, 5 и 6. Вых. 1 инвертора 4 соединен с вх. 1 формирователя 7 импульса перегрузки, подключенного вх. 2 через второй блок 9 коммутации соответствующие вых, 1 и 2 схемы переключения порога 8 срабатывания к вых, 1 блока 3 управления и выходом к вх. 1 формироватеского сигнала режима работы, Вых, 1 и 2 ствительность датчика 5 тока и температурф 10 соединены с вх, 4 и вх. 3 ную стабильность выходного напряжения.формирователя соединпервого лока коммутацб 4 коммутации и вх. 4 и 3 Дляобеспеченияключевогорежиматранзивторого блока коммутации.б а 9 коммутации. сторов 19 и 20 выбираются соответствуюЗадающий генератор 2 (З.Г,) служит для 5 щие токи базы. Вторые концы резисторов 21формирования кратковременных тактовых и 22 и эмиттеры дополнительных транзистоимпульсов, лок управл н, Блок управления 3 (БУ) выпал- ров 19 и 20 являются соответственно вых.ненный на триггере 11, предназначен для 1 - 4 СКП,формирования входных импульсов двухтак- . Формирователь 7 импульса перегрузкитного транзисторного инвертора 1.и управ (ФИП) служит для формирования на его выления работой схемы переключения порога ходе перепада напряжения при превышении сигналом на выходе ДТ порогаПервый блок 4 коммутации (БК) может срабатывания формирователя. ФИП можетбыть выполнен на логических элементах И быть выполнен по схеме компаратора или12-15 и служит для отключения выходов 1 и 15 операционного усилителя.2 блока 3 управления от основных вх. 1 и 2, Схема переключения порога 8 срабатыинвертора 1 при возникновении аварийного вания (СПП) предназначена для изменениярежима и подключения вых. 1 и 2 БУ к уп- порога срабатывания формирователя 7 имравляющим вх. 1 и 2 схемы 6 коммутации пульса перегрузки в каждом полупериодетока перегрузки. 20 коммутации ТИ при рабочем режиме, а такТранзисторный инвертор 4 (ТИ) с же при.переходе преобразователя из работрансформаторным выходом служит чего в аварийный режим работы,для прео разов ибразования напряжения источни- Необходимость в измерении порога каждыйка постоянного напряжения в переменное и полупериод коммутации при рабочем роживыполнен по двухтактнухтактной схеме с независи ме преобразователя объясняется тем, чтомым возбуждением и выводом средней точ- из-за разброса параметров транзисторов 16ки первичной обмотки трансформатора, к и 17, несимметрии коллекторных полуобмокоторой подключается один из выводов ис- ток трансформатора инвертора на резистоточника напряжения. В ТИ установлены ре 18 датчика 5 тока каждый полупериодпервый и второй транзисторы 16 и 17, базы 30 формируются напряжения разной амплитукоторых служат двумя основными входами ды.- вх. 1 и 2. Дополнительными вх. 3 - 5 и вхо- При переходе ТИ в аварийный режимдом 6 служат коллекторы и эмиттеры тран- ДТ запитывается коллекторными токами,протекающими через .те же полуобмоткиДатчик б тока (ДТ) предназначен для 35 трансформатора, но подключенными к колполучения напряжения, пропорционально- лекторам транзисторов 19 и 20 через ргзиго коллекторномутокутранзисторов 16 и 17 сторы 21 и 22 соответственно. Поэтомуинвертора 4, и выполнен на измерительном уровни формируемых напряжений на резирезисторе 18, включенном междуэмиттера- сторе 18 ДТ каждый полупериод коммутами транзисторов 16 и 17 и общей точкой 40 ции отличаются друг от друга. При этом онисхемы, к которой подключен другой вывод изменяются по сравнению с уровнями сигисточника напряжения налов, формируемыми в рабочем режиме. СНагрузка инвертора 4 может быть учетом сказанного формируемые на резивыполнена, например, в виде двухполу- сторе 18 ДТ уровни сигналов имеют значепериодного выпрямителя с выходным ВС ния:Одт - сигналы на резисторе 18 ДТ вфил ьтром.Схема 6 коммутации тока перегрузки. одном изполупериодовкоммутации врабо(СКП) предназначена для формирования на- чем режиме;пряжения на датчике 5 тока во время каж- Одт - сигналы на резисторе 18 ДТ вдого полупериода коммутации инвертора 50 смежном полупериоде коммутации в рабопри работе преобразователя в режиме чем режиме;перегрузки и короткого замыкания. С. СКПОдт = - - - сигналы на резисторе 18О треализована в виде дополнительных тран- Кзисторов 19 и 20 той же проводимости, что ДТ в одном из полупериодов коммутации ви коммутирующие транзисторы 16 и 17 ин аварийном режиме;вертора 4, В коллекторных цепяхтранзисто- Аров 19 и 20 установлены резисторы 21 и 22, Одт = К - сигналы на резисторе 18При этом транзисторы 19 и 20 работают при ДТ в смежном полупериоде коммутации вотпирании (в ключевом режиме) в области аварийном режиме;насыщения, что обеспечивает высокую чувК - коэффициент ослабления амплитуды сигнала ДТ 5 при переходе инвертора израбочего в аварийный режим.Четырем уровням сигналов датчика тока в разные полупериоды коммутации инвертора, в рабочем и аварийном режимахсоответствуют четыре пороговых уровня:Оп 1, Оп 1 - пороговые уровни срабаты 1, вания, соответствующие уровням сигналовОдт и Одт в рабочем режиме;Оп 2, Оп 2 - пороговые уровни срабатывания, соответствующие уровням сигналомОдт" и Одт в аварийном режиме работыпреобразователя,Реализация схемы 8 СПП приведена нафиг. 1, где 23-25, 26-28- делители опорногонапряжения на резисторах 29 и 30 - транзи-сторные ключи (транзисторы). Каждый изделителей состоит из цепочки соответствующих последовательно соединенных резисторов. Точки соединения резисторов 23 и24, и 26 и 27 служат выходами 1 и 2 СПП.Ключи 29 и 30 подсоединены параллельнорезисторам 25 и 28. Базы транзисторов 29 и30 объединены и соединены с входом СПП.Ключи 29 и 30 служат для шунтированиярезисторов 25 и 28 при подаче на их входуровня логической 1 и изменения тем самымкоэффициентов деления опорного напряжения.Второй блок 9 коммутации предназначен для подключения соответствующего выхода СПП к вх, 2 формирователя 7 импульсаперегрузки в зависимости от того, на какойиз двух управляющих вх. 3 и 4 подан сигналлогической 1 с вых, 1 и 2 формирователя 10логического сигнала режима рабЬты,Блок 9 коммутации может быть реализован на двух ключах 31 и 32, управляющиевходы которых соединены с вх, 3 и 4 блока,Формирователь 10 логического сигналарежима работы (ФЛС) предназначен дляформирования на его вых, 1 и 2 логическихсигналов 0 и 1 в течение аварийного и рабочего режима преобразователя соответственно. Формирователь 10 может бытьреализован на О-триггере 33, работающемв синхронном режиме. Вх, 2 ФЛС соединенчерез одновибратор 34 и схему НЕ 35 сС-входом О-триггера 33.Одновибратор 34 служит для устранения влияния на точность формирования логического сигнала режима работыкоммутационного выброса коллекторноготока в момент насыщения силового трансформатора. Для этого длительность импульса тп одновибратора 34 выбирается тп - "0,7Т, так как длительность коммутационноговыброса коллектора не превышает 0,3 Т.Здесь Т - период повторения тактовых им 45 Уровни Оп 1 и Оп 1 выбираются равныминапряжениям Одт и Одт в рабочем режиме при предельно допустимом значении тока в нагрузке инвертора 1 (предельно допустимая перегрузка).50 Уровни порогов Оп 1 и Оп 2 выбираютсятакими, чтобы при превышении предельно допустимой перегрузки соответствующие . напряжения на ДТ 5, при переходе инвертора 1 на дополнительнь 1 е транзисторы 19 и 55 20 в аварийном режиме, превышали порогиОп 2 и Опг при ттл (фиг, 2 е, интервал тз).В исходном состоянии ключи 29 и 30(фиг. 1) заперты, так как напряжение на вых.1 БУ 3 равно нулю (фиг. 2 в). Напряжение на выходе БК 9 равно Оп 1 и превышает Одт на,5 10 15 20 25 30 35 40 пульсов ЗГ (полупериод коммутации). При срабатывании одновибратора 34 на его выходе формируется уровень "1".Логическая схема НЕ 35 инвертирует выходной сигнал одновибратора 34. О-триггер 33 предназначен для формирования соответствующих логических сигналов на вых.1 и 2 ФЛС.На фиг.2 приняты следующие обозначения: тактовые импульсы а на выходе задающего генератора 2; импульсы б, в, на вых. 2 и 1 схемы 3 управления; импульсы г на выходе одновибратора 34; импульсы д на выходе схемы НЕ 35; сигналы е на выходе . датчика 5 тока, импульсы ж на выходе формирователя 7 импульса перегрузки; импульсы 3 на выходе формирователя 10 логического сигнала режима работы; импульсы и на вцх. 3 блока 4 коммутации; импульсы к на вых. 4 блока 4 коммутации,В исходном состоянии, соответствующем произвольному моменту времени т 0 (фиг. 2 а) рабочего режима преобразователя, уровень напряжения на вых. 1 ФЛС 10 (О- триггер 33) равен "0" (фиг. 2 з), на вых. 2 "1". Ключ 31 БК 9 открыт по вх,З БК 9, вых. 1 СПП 8 соединен с вх. 2 ФИП 7, Ключ 32 БК 9 закрыт по вх. 4 БК 9, вых. 2 СПП 8 отсоединен от вх. 2 ФИП 7, Вых. 3 и 4 БК 4 блокированы, поэтому сигналы на управляющих вх, 1 и 2 СКП 6 отсутствуют, Вых. 1 и 2 БК 4 деблокированы, поэтому вых. 1 и 2 БУ 3 через блок 4 коммутации подключены к основным входам инвертора 1. Напряжение на вых. 1 БУ 3 равно "0", на вых. 2 "1" (фиг.2 в,б), Коммутирующий транзистор 17 открыт, коммутируЮщий транзистор 16 закрыт, Напряжение на ДТ равно Одт, Дополнительные транзисторы 19 и 20 СКП 6 заперты, При периодической коммутации ключей 29 и 30 сигналами с вых, 1 БУ 3, на вых. 1 и 2 СПП 8 формируются уровни напряжений Оп 1, ОП 1, Оп 2, Оп 2.1ДТ 5 (вх, 1 ФИП 7). На выходе одновибратора 34 формируется уровень "1".В момент т 1 - ь на выходе схемы НЕ 35 формируется импульс "1" длительностью г= Т - тп, поступающий на С-вход триггера 33 (фиг. 2 д). При сравнении Одт с уровнем Оп 1 (фиг. 2 е) в момент 12 на выходе компаратора ФИП 7 формируется импульс "1" (фиг, 2 ж), поступающий на О-вход триггера 33. Так как 12ь, т.е, сигнал на О-вход триггера 33 поступает позже импульса на С-входе, О-триггер, согласно алгоритму его работы остается в прежнем состоянии (информация в триггер 33 не записывается). Напряжение на вых, 1 ФЛС 10 (триггера 33) равно О, Поэтому преобразователь остается в рабочем режиме.В следующем полупериоде коммутации (интервал т 2 - 1 з) инвертора при 1 = т 2 напряжение на вых. 1 БУ 3 остановится равным "1" на вых. 2 - "0" (фиг. 2 в, б). При этом коммутирующий транзистор 17 закрывается, транзистор 16 открывается, Напряжение на ДТ 5 равно Одт (фиг. 2 е). Транзисторы 29 и 30 открываются, шунтируя резисторы 25 и 28. На выходах 1 и 2 СПП 8 устанавливаются соответствующие уровни Оп 1 и Опг, Напряжение на вх, 2 ФИП 7 равно Оп 1, на вх. 1 - Одт,Сопоставляя в данном полупериоде моменты (тз) пересечения Одт с порогом Оп 1 и формирования импульса "1" на выходе НЕ 35 длительностью т = Т - Ь, видим, что тзЬ. Поскольку это соотношение анало гично предь)дущему полупериоду (т 2Ъ), О-триггер 33 остается в прежнем состоянии. Поэтому преобразователь продолжает функционировать в рабочем режиме.Предположим, что в некоторый момент (тз) происходит перегрузка инвертора 1 по току, превышающая предельно допустимую величину - начало аварийного ежима. Вследствие этого напряжение Одт на датчике 5 тока фиг. 2 е) превышает пороговый уровень Оп 1 в момент м 1 п.На выходе ФИП 7 формируется импульс "1" (фиг. 2 ж). Так как при этом. импульс на Р-вход триггера 33 поступает раньше, чем появится уровень "1" на С-входе, на вых, 1 ФЛС 10 формируется "1" (фиг, 2 з), На вых. 2 ФЛ С 10 устанавливается уровень "0". Появление "1" на вх, 4 БК 4 деблокирует выходы 3 и 4 БК 4, появление "0" на вх. 3 БК 4 блокирует БК 4 по вых. 1 и 2. Кроме того, появление "1" на управляющем вх. 4 БК 9 и "0" на вх. 3 БК 9 откоывает ключ 32. котооый соединяет вых,2 СПП 8 с вх. 2 ФИП 7. Ключ 31 запирается и отсоединяет вых, 1 СПП 8 от вх. 2 ФИП 7. Каждый полупериод коммутации схемы переключения порога 8 на вых.2 СПП 8 формируются пороговые уровни Оп 2(интервалы М-а; м - О) и Опг (интервалы15 - 16; т 7 - тв, поступающие через ключ 32 на 5 вх. 2 ФИП 7.Деблокирование вых. 3 и 4 БК 4 приводит к тому, что на его вых, 3 и 4 и соединенных с ними управляющих входах 1 и 2 СКП 6 начинают формироваться импульсы, опре деляемые логическими уровнями сигналовна вх.1 и вх,2 БК 4(фиг.2 и, к). На основных входах 1 и 2 инвертора 1 устанавливаются нулевые уровни сигналов. Поэтому коммутирующие транзисторы 16 и 17 запираются.15 При появлении "1" на управляющем входетранзистора 19 (интервалы времени ц-с 5; с 6 - т 7) он открывается и на выходе датчика 5 тока формируются импульсы напряжения (фиг. 2 е), амплитуда которых оказывается 20 пропорциональной току перегрузки. Аналогичное происходит при появлении "1" на входе транзистора 20, который открывается в интервалах времени т 5 - ы; в - св, При этом на выходе ДТ 5 формируются напряжения 25 ОдтВ аварийном режиме на выходе компаратора ФИП 7 формируются имгульсы (фиг.2 ж), возникающие в моменты времени а, тб,У, м, ь. При этом моменты 1 появления30 передних фронтов соответствующих импульсов на О-входе триггера 33 находятся внутри временного интервала тп, т.е. соотношение времени поступления импульсов на вх. 1 и вх. 2 ФЛС 10 остается таким же, 35 как при возникновении аварийного режима,Предположим, что аварийный режимоканчивается в момент времени тэ (фиг. 2 а).Снижение перегрузки ниже предельно допустимого уровня приводит к уменьшению 40 напряжения на выходе ДТ 5.Сигнал на вх. 1 ФИП 7 (Одт ) становитсяАменьше уровня Оп 2 на вх. 2 (фиг. 2 а),Поэтому момент 110 равенства входныхнапряжений при возникновении на ДТ 5 45 коммутационного выброса тока оказывается вне интервала 0 - Ь. На выходе ФИП 7 в момент 110 формируется импульс "1 (фиг.2 и), поступающий на О-вход триггера 33,Так как 11 оЬ, т,е. сигнал на О-вход 50 поступает позже импульса на С-входе (фиг.2 д), О-триггер 33, согласно алгоритму его работы, меняет состояние и на выходе "1" ФЛС 10 устанавливается уровень "0", на выходе 2 - . "1" (фиг. 2 з). Происходит переход 55 из аварийного режима работы преобразователя в рабочий режим.При этом ключ 31 открывается по вх. 3БК 9, ключ 32 запирается по вх: 4 БК 9, Выход 1 СПП 8 подсоединяется к вх. 1 БК 9, вх. 2 ФИП 7, выход 2 СПП 9 отключается.10 1713051 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поэтому каждый полупериод коммутации схемы переключения порога 8 на вых. 2 СПП 8 формирует соответственно уровни Оп, ОП 1.Появление "0" на вх, 4 БК 4 блокирует выходы 3 и 4, на которых устанавливается уровень "0". Дополнительные транзисторы, 19 и 20 схемы СКП бзапираются, На выходе СПП 8 устанавливается уровень Оп 1. Появление "1" на вх. 3 БК 4 деблокирует БК 4 по вых, 1 и 2, Поэтому импульсы с вых. 1 и 2 БУ 3 поступают на основные вх. 1 и 2 инвертора 1. На выходе ДТ 5 в интервалах мо - 1 ц; сц формируются напряжения Одт и Одт,уровни которых в интервале времени (Ь) оказываются меньше соответствующих порогов Оп 1, Оп 1, В моменты тц, цг формируются импульсы на выходе компаратора ФИП 7 (фиг. 2 ж), поступающие на О-вход триггера 33, По аналогии с ранее рассмотренным случаем (12Ь), преобразовательостается в рабочем режиме. В дальнейшем при каждом срабатывании защиты, работа преобразователя происходит аналогичным образом.Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить надежность функционирования преобразователя при возникновении перегрузок и коротких замыканий в любом полупериоде коммутации инвертора независимо от их длительности. Имеется возможность регулировки уровня предельно допустимого тока перегрузки, при превышении которого срабатывает защита преобразователя, возвращая его в рабочий режим после уменьшения перегрузки. При этом используется лишь один элемент сравнения тока с пороговым уровнем - формирователь импульса перегрузки, что упрощает систему управления, и, следовательно, повышает надежность всего устройства.Формула изобретения Преобразователь напряжения с защитой от перегрузок, содержащий двухтактный транзисторный инвертор с трансформаторным выходом и систему управления, включающую в себя блок коммутации с четырьмя входами и тремя выходами, блок управления, соединенный входом с выходом задающего генератора, а двумя выходами - с первым и вторым входами блока коммутации, схему коммутации тока перегрузки, подключенную двумя выходными выводами параллельно первому транзистору инвертора, а управляющим входом -к третьему выходу блока коммутации, соединенного первым и вторым выходами с управляющими входами транзисторов инвертора, датчик тока, включенный в эмиттерные цепи транзисторов инвертора, схему переключения порога срабатывания, формирователь .импульса перегрузки, соединенный первым входом с датчиком тока, формирователь логического сигнала режима работы, соединенный входом с выходом формирователя импульса перегрузки, а прямым и инверсным выходами - с четвертым и третьим входами блока коммутации, о тл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности устройства путем упрощения его системы управления, введен второй блок коммутации с четырьмя входами и одним выходом, первый блок коммутации снабжен четвертым выходом, схема коммутации тока перегрузки снабжена вторым входом и двумя дополнительными выходными выводами, а схема переключения порога срабатывания снабжена вторым выходом, причем второй блок коммутации подключен выходом к второму входу формирователя импульса перегрузки, первым и вторым входами - к первому и второму выходам схемы переключения порога срабатывания, соединенной входом с первым выходом схемы управления, третьим и четвертым входами - с инверсным и прямым выходами формирователя логического сигнала режима работы, подключенного вторым входом к выходу задающего генератора, четвертый выход первого блока коммутации соединен с вторым входом схемы коммутации тока перегрузки, подсоединенной двумя дополнительными выходными выводами параллельно второму транзистору инвертора..Ревская аказ 542 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101