УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2005 года по МПК G05F5/02 

Предлагаемое устройство относится к преобразовательной технике, в частности к понижающим преобразователям напряжения.

Понижающие преобразователи обеспечивают преобразование стандартных уровней напряжений (27 В, 15 В, 5 В и т.д.) до уровней, необходимых для работы различных устройств, которые являются нагрузкой (как правило, низкоомной) этих преобразователей. Для защиты нагрузки от отказов преобразователей и для защиты самих преобразователей напряжения используются различные устройства защиты (УЗ). УЗ включают в себя, как правило, датчик контролируемой величины, схему сравнения и исполнительный элемент [1]. Типичным примером УЗ является управляемый ключ, выполняемый на основе биполярного или полевого транзистора или тиристора. В качестве УЗ могут использоваться и специальные устройства, например бареттеры. Примеры схем ограничения тока на биполярном транзисторе приведены в [2]. Современные преобразователи напряжения, обычно, включают в себя элементы защиты и ограничения тока. В качестве примера можно привести схему понижающего преобразователя ключевого типа МАХ830 [3]. Однако встроенные в преобразователь УЗ не обеспечивают защиту нагрузки при отказе преобразователя.

Защита нагрузки от отказов преобразователя необходима в случаях, когда стоимость устройства, питающегося от преобразователя, на порядок и выше стоимости самого преобразователя.

В качестве примера такой нагрузки можно привести геттерно-ионный насос, включающий в себя анод, катод и нанесенный на анод геттер [4]. Для работы этого насоса необходимо, чтобы ток через катод поддерживался на определенном уровне. Для обеспечения работы насоса его катод подключают к устройству питания катода, который должен обеспечивать возможность изменения тока в диапазоне 0,5-0,9 А при сопротивлении катода в диапазоне 1-3 Ом. Аналогичные задачи могут возникать и при работе с другими типами низкоомных нагрузок, например, питание современных процессоров также требует преобразование стандартных уровней напряжений в нестандартные (например, 1,8 В).

В устройстве питания катода геттерно-ионного насоса использовался понижающий преобразователь напряжения [5], а для защиты катода между выходом преобразователя и катодом насоса вводился ограничитель тока, выполненный на бареттере или на биполярном транзисторе. Это схемное решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая экономичность из-за относительно большой потери мощности в схеме ограничения тока. Отметим, что теплоотвод ограничителя тока должен быть рассчитан на худший случай отказа. В случае бестрансформаторного преобразователя худший случай отказа - пробой входного напряжения на выходные выводы преобразователя. В этом случае мощность рассеиваемая на ограничителе тока может доходить до величины I_Нmax(U₁-U_H) (где I_Нmax - максимально допустимый ток нагрузки, U₁ - напряжение первичной цепи, U_H - напряжения на нагрузке, соответственно). Кроме того, в случае отказа преобразователя через нагрузку протекает максимально допустимый ток нагрузки до тех пор, пока отказ не будет обнаружен и не снято питание с преобразователя. Это может вызвать ухудшение характеристик нагрузки, например, в случае с насосом - при работе на максимально допустимом токе происходит ускоренное старение катода насоса, уменьшение его эмиссионной способности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение экономичности устройств питания низкоомной нагрузки. Дополнительными задачами являются уменьшение габаритов, а также защита нагрузки от протекания максимального тока в случае пробоя преобразователя.

Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве питания низкоомной нагрузки, содержащем преобразователь напряжения и ограничитель тока, ограничитель тока включен в первичную цепь преобразователя напряжения, при этом уровень ограничения тока выбран из соотношения

где I_Hmax - максимально допустимый ток нагрузки;

- отношение максимальной величины напряжения на нагрузке к напряжению первичной цепи;

η - КПД преобразователя;

I_1огр - уровень ограничения тока в первичной цепи.

Заявленная совокупность признаков позволяет при необходимости защиты нагрузки от отказа преобразователя повысить экономичность и уменьшить габариты устройств питания низкоомной нагрузки, а также защитить нагрузку при отказе преобразователя от протекания максимально допустимого тока.

Заявленное устройство поясняется чертежом.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства и приняты следующие обозначения:

1 - ограничитель тока;

2 - преобразователь напряжения;

3 - измеритель тока;

4 - токоограничивающий элемент;

5 - источник опорного напряжения;

6 - устройство сравнения;

7 - нагрузка;

8 - напряжение первичной цепи.

Устройство питания низкоомной нагрузки содержит ограничитель тока 1, включенный в первичную цепь преобразователя напряжения 2. Ограничитель тока 1 выполнен в виде измерителя тока 3 и токоограничивающего элемента 4, включенных последовательно, источника опорного сигнала 5 и устройства сравнения 6. Выходы измерителя тока 3 и источника опорного сигнала 5 соединены со входом устройства сравнения 6, выход устройства сравнения 6 соединен со входом управления токоограничивающего элемента 4. Выход преобразователя напряжения 2 соединен с нагрузкой 7.

Устройство работает следующим образом: на вход измерителя тока 3 подается напряжение первичной цепи 8, величина тока первичной цепи измеряется измерителем тока 3 и сравнивается в устройстве сравнения 6 с уровнем ограничения тока первичной цепи I_1огр, сформированным в источнике опорного сигнала 5. Устройство сравнения 6 подает управляющий сигнал на токоограничивающий элемент 4. Если измеренное значение тока первичной цепи меньше уровня ограничения тока, то ток первичной цепи не ограничивается токоограничивающим элементом 4 и поступает на преобразователь напряжения 2, к выходу которого подключена нагрузка 7.

В случае выхода из строя преобразователя напряжения 2 и пробоя входного напряжения на выходные клеммы преобразователя, устройство сравнения 6 управляет токоограничивающим элементом 4 так, чтобы значение тока первичной цепи измеренное измерителем тока 3 ограничивалось на уровне I_1огр.

Ток первичной цепи преобразователя напряжения и ток нагрузки связаны следующим выражением:

где I₁ - ток первичной цепи;

I_H - ток нагрузки;

U_H - напряжение на нагрузке.

В случае понижающего преобразователя

из чего следует, что ток первичной цепи меньше тока нагрузки, поэтому уровень ограничения тока первичной цепи I_1огр можно выбрать меньше максимального тока нагрузки I_Нмах. В случае пробоя преобразователя 2, через нагрузку будет протекать ток I_Н не более I_1огр, т.е. меньший, чем максимально допустимый ток через нагрузку I_Нмах.

Предложенное устройство применено в модуле М-2К.МПК ДНИЯ.469658.323 [6], изготовленном предприятием ФГУП ЦНИИ “Электроприбор”.

В качестве преобразователя напряжения в реализованном устройстве используется микросхема МАХ830, КПД которой составляет 80%, напряжение первичной цепи для рассматриваемой реализации 15 В, напряжение на нагрузке до 3 В.

Ток первичной цепи преобразователя напряжения и ток нагрузки находятся в следующей зависимости:

I₁=0,25·I_H

Максимально допустимый ток через катод геттерно-ионного насоса ГИН-0,0001 составляет 0,9 А.

Уровень ограничения тока первичной цепи I_1огр можно выбрать в пределах:

0,2≤I_1огр<0,9

С учетом переходных процессов при включении устройства I_1огр был выбран 0,5 А.

Мощность, рассеиваемая на токоограничивающем элементе, в рассмотренной реализации предлагаемого устройства в 1,8 раза меньше, чем у прототипа.

Также преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является защита нагрузки преобразователя напряжения от протекания максимального тока в случае пробоя преобразователя.

Литература

1. Ю.А.Быстров и др. Электронные приборы и устройства на их основе. М.: Радиософт, 2002, стр. 646-650.

2. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая техника. М.: Мир, 1982, стр. 243-245.

3. Maxim 1996 new releases data book. Volume V. MAX830-833, стр. 4-141-4-146.

4. Насос геттерно-ионный ГИН-0,0001. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ОТ2.960.188, 1980 г.

5. Блок питания БП-99 ОТМ3.508.012.

6. Модуль М-2К.МПК ДНИЯ.469658.323.

Устройство относится к преобразовательной технике, в частности к понижающим преобразователям напряжения. Техническим результатом является повышение экономичности устройств питания низкоомной нагрузки. Дополнительными задачами являются уменьшение габаритов, а также защита нагрузки от протекания максимального тока в случае пробоя преобразователя. Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве питания низкоомной нагрузки, содержащем преобразователь напряжения и ограничитель тока, ограничитель тока включен в первичную цепь преобразователя напряжения, при этом уровень ограничения тока выбран из соотношения

где U_Hmax - максимально допустимый ток нагрузки;

- отношение максимальной величины напряжения на нагрузке к напряжению первичной цепи;

η - КПД преобразователя;

I_1огр - уровень ограничения тока в первичной цепи. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство питания низкоомной нагрузки, содержащее преобразователь напряжения и ограничитель тока, отличающееся тем, что ограничитель тока включен в первичную цепь преобразователя напряжения, при этом уровень ограничения тока выбран из соотношения

где U_Hmax - максимально допустимый ток нагрузки;

- отношение максимальной величины напряжения на нагрузке к напряжению первичной цепи;

η - КПД преобразователя;

I_1огр - уровень ограничения тока в первичной цепи.