БЛОК ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G05B23/00 H02H9/04 

Блок защиты от перенапряжения в цепях электропитания относится к области электротехники и может быть использован в приборах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для обеспечения помехоустойчивости и стойкости РЭА к воздействию мощных импульсных помех по цепям питания.

Известны устройства, предназначенные для снижения помех, например фильтры нижних частот в цепях питания [1]. В цепях, которые сами создают помехи, применяются нелинейные устройства для снижения генерируемых помех, например диод, подключенный параллельно индуктивности [2]. Эти устройства предельно просты и достаточно эффективно ограничивают помехи.

Однако они неприменимы для подавления или ограничения импульсных помех, возникающих в цепях питания коммутационных устройств, когда, например, автоматика отключает перегрузку или (особенно) короткое замыкание в нагрузке. Кроме того, источники перенапряжений в цепях питания РЭА могут находиться и за пределами РЭА. В частности, это могут быть импульсы разряда статического электричества.

Известны блоки защиты от перенапряжения в цепях электропитания, использующие нелинейные сопротивления, стабилитроны либо специальные ограничительные диоды (фактически работающие также по принципу стабилитрона) [3]. Для защиты от импульсных помех большой мощности применяются параллельные ограничители напряжения с использованием, например, тиристора, управляющий электрод которого через стабилитрон подключен к аноду тиристора [4]. Для защиты от импульсных помех могут применяться и иные управляемые элементы.

Наиболее близким по техническому исполнению и достигаемому результату может быть признано устройство для защиты от импульсных перенапряжений [5], принцип действия которого основан на формировании шунтирующих импульсов тока в цепи, в которой возникают импульсы перенапряжения.

Это устройство выполнено в виде параллельного ограничителя напряжения, содержащего стабилитронно-резисторное пороговое устройство и транзистор, управляющий вход которого подключен к выходу стабилитронно-резисторного порогового устройства, а выход - параллельно шинам питания. В устройстве балластным является комплексное сопротивление цепей питания.

Однако оно (при его предельной простоте) обладает пониженной функциональной надежностью: при обрыве в цепи стабилитрона или транзистора пропадает функция защиты от перенапряжений, а при замыкании в цепи транзистора пропадает напряжение питания. И еще: это устройство может сформировать импульс тока перегрузки при включении питания, если это напряжение превышает напряжение стабилизации стабилитрона. Кроме того, импульс шунтирующего тока не будет сформирован, если постоянная времени установления напряжения помехи будет больше постоянной времени заряда конденсатора.

Задача предложения - увеличение надежности работы блока при защите от перегрузок по напряжению.

Эта задача решается тем, что в блок защиты от перегрузок по напряжению в цепях электропитания, содержащий подключенные к его выходу стабилитронно-резисторное пороговое устройство и транзистор, вход которого подключен к выходу стабилитронно-резисторного порогового устройства, а выход - к выходу блока, дополнительно введены второе стабилитронно-резисторное пороговое устройство, стабилитрон которого связан со стабилитроном первого стабилитронно-резистороного порогового устройства, и второй транзистор, включенный последовательно с первым транзистором, причем вход второго транзистора связан с выходом второго стабилитронно-резисторного порогового устройства, а резистор второго стабилитронно-резисторного порогового устройства подключен к общей точке соединенных последовательно первого и второго транзисторов. Кроме того, блок защиты от перенапряжения в цепях электропитания снабжен двумя дополнительными резисторами, подключенными параллельно к первому и второму транзисторам.

На фиг.1 и 2 представлены схемы блока защиты от перенапряжения в цепях электропитания.

На чертежах показаны:

VT1 и VT2 - транзисторы, обеспечивающие защиту от перегрузки по напряжению;

стабилитроны VD1, VD2 и резисторы R1 и R2, образующие последовательные стабилитронно-резисторные пороговые устройства;

U0, U1, U2 - точки на схеме предлагаемого устройства и соответствующие напряжения на них (см. ниже).

На фиг.2 дополнительные резисторы R3 и R4 подключены каждый параллельно транзисторам VT1 и VT2 соответственно.

Выполнен блок (фиг.1 и 2) следующим образом.

Защите от перенапряжения подлежит цепь (на чертежах не показана), подключаемая к выводам U0 (общая шина) и U2 (шина питания). К выводу U2 (шина питания) подключены стабилитроны VD1 и VD2 стабилитронно-резисторных пороговых устройств VD1-R1 и VD2-R2. Резистор R1 одного стабилитронно-резисторного порогового устройства VD1-R1 соединен с шиной питания, а резистор R2 второго стабилитронно-резисторного порогового устройства VD2-R2 подключен к общей точке U1 соединенных последовательно транзисторов VT1 и VT2. Два соединенных последовательно транзистора VT1 и VT2 (предпочтительно - полевые транзисторы, для высоковольтных цепей - транзисторы типа IGBT; могут быть использованы и биполярные транзисторы, для которых необходимо принять меры по ограничению базовых токов; для контроля «одноразовых» систем могут быть использованы тиристоры) подключены между выводами U0 и U2. Выходы стабилитронно-резисторных пороговых устройств (общие точки стабилитронов и резисторов каждого такого устройства) соединены с управляющими входами транзисторов. Общая точка двух последовательно соединенных транзисторов образует технологическую точку (вывод U1), которая используется при проверке работоспособности последовательно включенных транзисторов VT1 и VT2 на этапе изготовления и настройки. На фиг.2 эти транзисторы зашунтированы резисторами R3 и R4. При равенстве сопротивлений R3 и R4 потенциал в точке U1 равен половине напряжения питания РЭА. При этом на стабилитроне VD2 напряжение вдвое меньше, чем на стабилитроне VD1 (справедливо практически все время - до появления в цепях питания РЭА кратковременных импульсов перенапряжения).

Блок работает следующим образом.

Пока напряжение между выводами U2 и U0 (напряжение питания радиоэлектронной аппаратуры) не превышает напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, стабилитроны закрыты, напряжение на управляющих входах транзисторов (на резисторах R1 и R2) равны нулю. В этом случае оба последовательно включенных транзистора VT1 и VT2 закрыты и ток через них отсутствует (по крайней мере, общий ток не превышает суммы токов утечки стабилитронов и транзисторов; для блока - это дежурный режим). Если в блоке применены шунтирующие обоснованно высокоомные резисторы R3 и R4 (фиг.2), то через них протекает незначительный дополнительный ток.

При возникновении импульсной помехи, при которой сумма напряжения питания и импульса помехи превышает заданный уровень, стабилитрон VD1 начинает пропускать ток, на резисторе R1 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу транзистора VT1, он открывается, и напряжение в точке U1 уменьшается до нуля, стабилитрон VD2 также начинает пропускать ток, на резисторе R2 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу транзистора VT2. В этот момент оба транзистора VT1 и VT2 открываются и образуют шунт между выводами U0 и U2. При этом чем выше выброс импульса помехи, тем больше управляющие напряжения и тем сильнее открываются транзисторы. Амплитуда тока при этом ограничивается только внутренним динамическим сопротивлением источника помехи (для этого транзисторы VT1 и VT2 должны обладать необходимыми параметрами по напряжению и выходному току). По окончании импульса помехи стабилитроны закрываются, напряжение с управляющих входов транзисторов снимается, они также закрываются, и блок вновь переходит в дежурный режим.

Параллельное соединение цепей управления транзисторами VT1 и VT2 (стабилитронно-резисторных пороговых устройств VD1-R1, VD2-R2) по выполняемой функции и последовательное соединение самих транзисторов VT1 и VT2 в блоке позволяет повысить надежность его работы и избежать неожиданных коротких замыканий в цепи защиты в отличие от прототипа, в котором использован всего один транзистор, при замыкании которого аппаратура становится неработоспособной. В предложенном блоке любой один отказ может привести только к несрабатыванию защиты, но никогда не приведет к отказу типа короткого замыкания в цепи питания. При необходимости для парирования отказов блока типа обрыв такие блоки могут быть включены параллельно.

В предложенном блоке стабилитроны VD1 и VD2 должны устанавливаться с минимальным превышением напряжения стабилизации U_стаб над максимально возможным напряжением питания U_{пит.макс} защищаемой РЭА (с необходимым учетом напряжения на управляющих входах управляемых элементов). Это позволяет в условиях любых помех обеспечить номинальный режим работы защищаемой аппаратуры и обеспечить ей расчетный срок службы и ресурс работы.

Блок может использоваться как самостоятельно для защиты РЭА по цепям питания, например, в составе стенда, так и в составе защищаемой РЭА как ее неотъемлемая часть.

Предлагаемая совокупность признаков в предложенном автором блоке защиты от перенапряжений в цепях питания не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные стабилитроны, а в качестве управляемых элементов - полевые транзисторы для низковольтных цепей либо транзисторы типа IGBT для высоковольтных систем электропитания.

Источники информации

1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта. М., "Радио и связь", 1985, с.160, рис.4.19.

2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. Москва, «Радио и связь», 1991 г., с.305, рис.10.7, а.

3. Схема защиты от перенапряжения. Заявка Великобритании №2046539, Н 02 Н 9/04.

4. Устройство защиты от перенапряжений. Заявка РФ №93054916, Н 02 Н 9/04.

5. Устройство для защиты от импульсных перенапряжений. Патент РФ №1705947, Н 02 Н 9/04.

Использование: в радиоэлектронной аппаратуре для обеспечения помехоустойчивости. Технический результат заключается в увеличении надежности работы блока при защите от перегрузок по напряжению. Блок защиты от перенапряжения в цепях электропитания содержит подключенное к его выходу стабилитронно-резисторное пороговое устройство и транзистор, вход которого подключен к выходу стабилитронно-резисторного порогового устройства, второе стабилитронно-резисторное пороговое устройство, стабилитрон которого связан со стабилитроном первого порогового устройства, и второй транзистор, включенный последовательно с первым транзистором, причем вход второго транзистора связан с выходом второго стабилитронно-резисторного порогового устройства, а резистор второго стабилитронно-резисторного порогового устройства подключен к общей точке соединенных последовательно транзисторов, которые подключены между выходными выводами блока защиты. Кроме того, в него введены два дополнительных резистора, подключенные параллельно к первому и второму транзисторам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок защиты от перенапряжения в цепях электропитания, содержащий подключенное к его выходу стабилитронно-резисторное пороговое устройство и транзистор, вход которого подключен к выходу стабилитронно-резисторного порогового устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второе стабилитронно-резисторное пороговое устройство, стабилитрон которого связан со стабилитроном первого стабилитронно-резисторного порогового устройства, и второй транзистор, включенный последовательно с первым транзистором, причем вход второго транзистора связан с выходом второго стабилитронно-резисторного порогового устройства, а резистор второго стабилитронно-резисторного порогового устройства подключен к общей точке соединенных последовательно транзисторов, которые подключены между выходными выводами блока.2. Блок защиты от перенапряжения в цепях электропитания по п.1, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных резистора, подключенных параллельно к первому и второму транзисторам.