СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВЫХОДНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2008 года по МПК H03F1/52 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты усилителей мощности от перегрузки по току.

Уровень техники

Для всех типов транзисторов (биполярные, полевые, IGBT), используемых в выходных каскадах усилителей мощности, в паспортных данных указаны максимально возможные значения напряжений и токов. Превышение этих значений в процессе эксплуатации приводит к выходу приборов из строя.

Естественно, что при проектировании выходных каскадов усилителей мощности (далее УМ), при известных характеристиках нагрузки, в конструкцию закладывается «запас надежности» - выбираются такие приборы, для которых максимальные значения токов и напряжений при работе не достигаются.

Однако нередко возникают ситуации, когда параметры нагрузки внезапно изменяются и ток превышает максимально допустимые пределы. Для примера можно привести ситуацию, возникающую при коротком замыкании на выходе усилителя. В этом случае встает вопрос о спасении «жизни» транзисторов выходного каскада УМ.

Чтобы предотвратить выгорание транзисторов или повреждение нагрузки вследствие превышения заданных пределов по току, необходимо незамедлительно закрыть транзисторы. Для этого необходимо иметь возможность моментального измерения тока, протекающего через нагрузку. Чаще всего для этого применяются специальные датчики тока. Различают контактные и бесконтактные датчики тока. Принцип действия контактных датчиков тока базируется на измерении падения напряжения измеряемого тока на измерительном резисторе. Несмотря на малое значение измерительного резистора, потеря мощности и выделение на нем тепла бывают значительными.

Так, например, в патенте Великобритании №1460853, опубликованном 06.01.1977, раскрыто устройство защиты, ограничивающее рассеяние мощности на электронном приборе, содержащее детектор, который при обнаружении тока нагрузки, превышающего пороговую величину, приводит в действие прерыватель, периодически прекращающий протекание тока нагрузки, защищает электронный прибор от тока перегрузки, ограничитель, ограничивающий величину тока через электронный прибор до второй пороговой величины, превышающей первую пороговую величину тока, при этом ограничивается рассеяние мощности на электронном приборе.

Недостатком устройства является низкое быстродействие устройства, вызванное использованием датчика для измерения тока нагрузки.

Из патента DE 2224759 известен другой выходной транзисторный каскад с защитой от перегрузки током, содержащий мощный выходной транзистор, вспомогательный транзистор, имеющий n-p-n тип проводимости, эмиттер которого подключен к нагрузке, транзистор управления, включенный по схеме с общим эмиттером, имеющий p-n-p-тип проводимости, базоэмиттерный переход которого шунтирован датчиком тока, и ключевой транзистор защиты, имеющий n-p-n тип проводимости, коллектор которого соединен с базой вспомогательного транзистора.

Недостатком известного устройства также является низкое быстродействие.

Цель настоящего изобретения заключается в повышении быстродействия устройства защиты выходного каскада усилителя мощности от перегрузки по току.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается с помощью способа защиты выходного каскада усилителя мощности от перегрузок по току, согласно которому определяют ток в цепи усилителя мощности, сравнивают полученное значение тока с заранее заданным значением и в случае, если значение тока превышает заранее заданное значение, формируют сигнал защиты по току, выключающий выходные силовые транзисторы усилителя мощности, при этом ток в цепи усилителя мощности определяют на основании падения напряжения на одном из выходных силовых транзисторах усилителя мощности.

В одном из вариантов осуществления изобретения выходные силовые транзисторы усилителя мощности представляют собой полевые транзисторы, а падение напряжения определяют на переходе сток-исток транзистора, находящегося в открытом состоянии.

Еще в одном варианте осуществления изобретения ток в цепи усилителя мощности определяют по формуле

U_oc=I_н·R_oc,

где I_н - значение тока, управляющего через нагрузку,

R_oc - значение сопротивления перехода сток-исток полевого транзистора в открытом состоянии.

Еще в одном варианте осуществления изобретения ток в цепи усилителя мощности дополнительно определяют путем измерения падения напряжения на транзисторе, включенном параллельно выходному силовому транзистору.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - принципиальная электрическая схема полевого транзистора с расщепленным истоком.

Фиг.2 - принципиальная электрическая схема параллельно включенного полевого транзистора малой мощности.

Фиг.3 - принципиальная электрическая схема трехкаскадного усилителя постоянного тока.

Фиг.4 - график работы устройства защиты выходного каскада усилителя мощности

Фиг.5 - принципиальная электрическая схема управления электродвигателем постоянного тока.

Подробное описание изобретения

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что для измерения тока в качестве датчика тока используется сам полевой транзистор усилителя мощности, а не дополнительный датчик, а именно его сопротивление в открытом состоянии.

В самом деле, канал сток-исток полевого транзистора можно представить как управляемую проводимость (величина, обратная сопротивлению). Падение напряжения на переходе сток-исток полевого транзистора, находящегося в открытом состоянии U_ос можно представить в виде

U_oc=I_н·R_oc,

где I_н - значение тока, управляющего через нагрузку;

R_oc - значение сопротивления перехода сток-исток полевого транзистора в открытом состоянии.

Значения R_oc, приводимые в технических характеристиках мощных полевых транзисторов, нормируются для определенной температуры (25°С) кристалла транзистора. С увеличением температуры кристалла значение R_oc - увеличивается. Следует отметить, что процесс переноса тепла от кристалла к корпусу транзистора и от корпуса транзистора к датчику температуры, расположенному, как правило, на радиаторе, весьма инерционен, в то время как значение U_ос содержит информацию о мгновенных значениях тока нагрузки и температуры кристалла транзистора.

Это обстоятельство позволяет использовать измеряемое U_ос в системе защиты выходных транзисторов УМ от пиковых значений токов нагрузки.

Для выделения сигнала U_oc используются полевые транзисторы с расщепленным истоком, например IRCZ44 (Фиг.1), либо параллельно включенный полевой транзистор малой мощности (Фиг.2).

Канал усиления сигнала Current Sense показан на Фиг.3. Он представляет собой трехкаскадный усилитель постоянного тока с быстродействием порядка 0,8 мксек.

Величина сопротивления R₁ выбирается из соотношения

R₃ служит для регулировки порога защиты.

V_T3 (Фиг.3) соединен со входом драйвера силового транзистора (на схеме не показан) и служит для выключения силового транзистора, если U_oc>U_{oc max}.

При возникновении перегрузки по току увеличивается падение напряжения на резисторе 1, которое открывает транзистор VT₁. VT₁ разряжает емкость С₂ тем быстрее, чем больше превышение мгновенного значения тока разгрузки заданного значения. Аналогично, при открывании VT₂ быстро заряжается емкость C₃. Открытие VT₂ приводит к открытию ключевого транзистора VT₃ - выключающего силовые транзисторы выходного каскада УМ. При этом ток в нагрузке начинает уменьшаться. Уменьшается и падение напряжения на резисторе R₁, что приводит к закрытию транзистора VT₁. Но VT₂ продолжает оставаться в открытом состоянии, пока не зарядится конденсатор C₂ через резистор R₅. Аналогично, VT₃ продолжает оставаться в открытом состоянии после закрытия VT₂ до тех пор, пока не разрядится конденсатор С₃ через резистор R₆ и базовую цепь VT₃. Таким образом, усилитель сигнала Current Sense обеспечивает быструю реакцию на превышение током нагрузки выходного каскада УМ заданного значения и удержания выходного каскада УМ в закрытом состоянии некоторое время. Время удержания транзисторов одного каскада УМ в закрытом состоянии определяется двумя постоянными времени C₂·R₅ и C₃·R₈. После закрытия VT₃ выходной каскад УМ - разблокируется. Время удержания выбирается из соображения непревышения максимальной средней мощности транзисторов выходного каскада УМ при коротком замыкании в нагрузке.

Работу устройства защиты выходного каскада усилителя мощности поясняет Фиг.4., на которой:

I_н - ток нагрузки;

I_max - задаваемое максимальное значение тока нагрузки;

t - время;

T_уд - время удержания входного каскада УМ в закрытом состоянии.

Другими словами, если U_oc превышает значение U_{oc max}, а следовательно, и ток в нагрузке превышает заданный предел, на вход драйвера поступает сигнал, принудительно выключающий силовой транзистор. Если значение тока возвращается в заданные пределы, сигнал пропадает, и драйвер продолжает управлять транзистором в штатном режиме. Разработанный способ позволяет существенно уменьшить время срабатывания защиты, что позволяет надежно защитить УМ от резких нарастаний тока, как в случае с коротким замыканием. Указанный способ позволяет также УМ работать с нагрузкой, требующей больших токов, чем те, на которые он рассчитан. Это достигается за счет того, что ток не успевает нарасти и защита динамически удерживает его в заданных пределах. Для примера, УМ, рассчитанным на 2 А, 12 В, без повреждения усилителя и использования дополнительных устройств можно управлять лампой, рассчитанной на 4 А, 12 В, правда реализуя при этом половину мощности лампы.

Работу схемы защиты можно пояснить на примере применения в полумостовой схеме управления электродвигателем постоянного тока (Фиг.5).

Q1, Q4 - силовые полевые транзисторы, коммутирующие силовое напряжение +V на двигатель. В схему защиты по току входит слаботочный полевой транзистор Q9, с помощью которого производится измерение падения напряжения на транзисторе Q4, а следовательно, и в нагрузке. Затем сигнал, пропорциональный току в нагрузке, сравнивается с заданным уровнем, который настраивается с помощью переменного сопротивления R26, и в случае, если он его превышает, формируется сигнал защиты по току, поступающий на вход драйвера полумоста и выключающий силовые транзисторы. Способ измерения тока в цепи, основанный на измерении падения напряжения на силовом транзисторе и использовании параллельного транзистора для измерения этого падения, способ формирования и настройки сигнала защиты по току на основе трехкаскадного усилителя и способ отключения транзисторов образуют суть изобретения.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для защиты усилителей мощности от перегрузки по току. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства защиты выходного каскада усилителя мощности от перегрузки по току. Способ защиты выходного каскада усилителя мощности от перегрузок по току заключается в том, что определяют ток в цепи усилителя мощности, сравнивают полученное значение тока с заранее заданным значением и в случае, если значение тока превышает заранее заданное значение, формируют сигнал защиты по току, выключающий выходные силовые транзисторы усилителя мощности, при этом ток в цепи усилителя мощности определяют на основании падения напряжения на одном из выходных силовых транзисторов усилителя мощности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ защиты выходного каскада усилителя мощности от перегрузок по току, заключающийся в том, что определяют ток в цепи усилителя мощности, сравнивают полученное значение тока с заранее заданным значением и в случае, если значение тока превышает заранее заданное значение, формируют сигнал защиты по току, выключающий выходные силовые транзисторы усилителя мощности, при этом ток в цепи усилителя мощности определяют на основании падения напряжения, по меньшей мере, на одном из выходных силовых транзисторов усилителя мощности.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выходные силовые транзисторы усилителя мощности представляют собой полевые транзисторы, а падение напряжения определяют на переходе сток-исток транзистора, находящегося в открытом состоянии.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ток в цепи усилителя мощности определяют по формуле

U_oc=I_н·R_oc,

где I_н - значение тока, управляющего через нагрузку;

R_oc - значение сопротивления перехода сток-исток полевого транзистора в открытом состоянии.