УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H02J9/06 

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания средств связи.

Резервирование источников питания применяется для повышения надежности электропитания жизненно важного и ответственного оборудования, таких как узлов и оборудования связи. Одним из способов резервирование является параллельное включение альтернативных источников питания.

Из уровня техники известно устройство резервного электропитания (авторское свидетельство на изобретение №1501214, H02J 9/06, опубликовано 15.08.1989).

Недостатком данного устройства является ненадежность из-за наличия электромеханического реле, так как момент коммутации сопровождается импульсными помехами, а само реле имеет ограниченное время эксплуатации.

Известно устройство резервного электропитания (патент на изобретение №2439767, H02J 9/06, опубликовано 10.01.2012), а также известно устройство резервного электропитания (патент на изобретение №2446542, H02J 9/06, опубликовано 27.03.2012).

Недостатком известных устройств является их ненадежность из-за того, что в них используют биполярные транзисторы n-p-n типа. Также использование последовательно включенного диода между источником питания и нагрузкой приводит к ощутимому падению напряжения.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип к заявленному техническому решению является устройство резервного электропитания (патент на полезную модель №189075, H02J 9/06, опубликовано 08.05.2019). Устройство резервного электропитания содержит: основной и резервный источники питания, нагрузку, диод, полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа, делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных первого и второго резисторов, транзистор p-n-р типа, резистор, транзистор n-p-n типа.

Недостатком предложенного решения является то, что в цепях управления применяются биполярные транзисторы p-n-р типа и n-p-n типа, которые, как известно, обладают низкой помехоустойчивостью, высокой чувствительностью к токовым перегрузкам, низкой теплоемкостью, что приводит к большой вероятности саморазогрева и вторичного пробоя. Также использование последовательно включенного диода между источником питания и нагрузкой приводит к ощутимому падению напряжения, которое необходимо стабилизировать дополнительными схемами стабилизации.

Задача изобретения - разработать устройство резервного электропитания, без перечисленных в прототипе недостатков, позволяющее использовать разные источники электропитания, которые могут не иметь общей земли.

Данная задача решается за счет того, что устройство резервного электропитания содержит основной источник питания подключенный к основной цепи питания и резервный источники питания подключенный к резервной цепи питания, при этом основная цепь питания и резервная цепь питания собраны по одинаковой схеме и идентичны друг другу.

Выход положительного напряжения основного источника питания соединен с первым контактом первого диода-супрессора, с первым входом драйвера верхнего плеча, с истоком первого полевого транзистора, с первым контактом первого конденсатора, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания. Второй контакт первого диода-супрессора соединен с корпусом основного источника питания.

Первый выход драйвера верхнего плеча через ограничительный резистор соединен с затвором первого полевого транзистора. Второй выход драйвера верхнего плеча соединен с анодом защищающего от переполюсовки диода. Третий выход драйвера верхнего плеча соединен со стоком первого полевого транзистора, с первым входом драйвера нижнего плеча, с первым контактом второго конденсатора, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания.

Отрицательный выход основного источника питания соединен с первым контактом второго диода-супрессора, с катодом защищающего от переполюсовки диода, со стоком второго полевого транзистора, с первым выходом драйвера нижнего плеча.

Второй выход драйвера нижнего плеча соединен с затвором второго полевого транзистора. Третий выход драйвера нижнего плеча соединен с истоком второго полевого транзистора.

Вместе с тем, собранная аналогично основной цепи питания резервная цепь питания соединена с резервным источником питания.

Сток первого полевого транзистора основной цепи питания соединен со стоком первого полевого транзистора резервной цепи питания и с положительным входом питания нагрузки посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав положительное рабочее напряжение на нагрузке.

Исток второго полевого транзистора основной цепи питания соединен с истоком второго полевого транзистора резервной цепи питания и с отрицательным входом питания нагрузки посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав отрицательное рабочее напряжение на нагрузке.

Изобретение поясняется схемой, представленной на фигуре.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение надежности устройства, увеличение функциональных возможностей.

В предлагаемом устройстве используется n-канальный полевой транзистор, достоинством которого, по сравнению с биполярным, используемым в прототипе, является то, что на затвор транзистора надо подавать напряжение, а не ток, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Для управления напряжением на затворе полевого транзистора в изобретении применена специальная микросхема-драйвер, которая формирует нужный управляющий сигнал. Кроме того, драйвер обеспечивает токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум.

Для достижения надежности электропитания нагрузки основной и резервный источники электропитания включаются параллельно посредством монтажного «ИЛИ». Монтажное «ИЛИ» обеспечивает развязку между источниками питания, малые потери при прохождении тока, безопасное подключение\отключение любого из источников и самой нагрузки.

Предлагаемое устройство позволяет использовать различные источники питания с объединением «земли» или без объединение «земли».

Таким образом, применимые в предлагаемом устройстве технические решения обеспечивают технический результат изобретения.

Устройство резервного электропитания содержит основной источник питания 1, подключенный к основной цепи питания, и резервный источники питания 2, подключенный к резервной цепи питания, при этом основная цепь питания и резервная цепь питания собраны по одинаковой схеме и идентичны друг другу.

Выход положительного напряжения основного источника питания 1 соединен с первым контактом первого диода-супрессора 3, с первым входом драйвера верхнего плеча 4, с истоком первого полевого транзистора 5, с первым контактом первого конденсатора 6, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания 1. Второй контакт первого диода-супрессора 3 соединен с корпусом основного источника питания 1.

Первый выход драйвера верхнего плеча 4 через ограничительный резистор 7 соединен с затвором первого полевого транзистора 5. Второй выход драйвера верхнего плеча 4 соединен с анодом защищающего от переполюсовки диода 8, катод которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания 1. Третий выход драйвера верхнего плеча 4 соединен со стоком первого полевого транзистора 5, с первым входом драйвера нижнего плеча 9, с первым контактом второго конденсатора 10, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания 1.

Отрицательный выход основного источника питания 1 соединен с первым контактом второго диода-супрессора 11, со стоком второго полевого транзистора 12, с первым выходом драйвера нижнего плеча 9. Второй контакт второго диода-супрессора 11 соединен с корпусом основного источника питания.

Второй выход драйвера нижнего плеча 9 соединен с затвором второго полевого транзистора 12. Третий выход драйвера нижнего плеча 9 соединен с истоком второго полевого транзистора 12.

Вместе с тем, собранная аналогично основной цепи питания резервная цепь питания соединена с резервным источником питания 2.

Сток первого полевого транзистора 5 основной цепи питания соединен со стоком первого полевого транзистора 5 резервной цепи питания и с положительным входом питания нагрузки 13 посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав положительное рабочее напряжение на нагрузке 13.

Исток второго полевого транзистора 12 основной цепи питания соединен с истоком второго полевого транзистора 12 резервной цепи питания и с отрицательным входом питания нагрузки 13 посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав отрицательное рабочее напряжение на нагрузке 13.

Изобретение работает следующим образом.

С основного источника питания 1 подается положительное и отрицательное напряжение на основную цепь питания. С резервного источника питания 2 подается положительное и отрицательное напряжение на резервную цепь питания. При этом установленные защитные диоды-супрессоры 3 и 11 основной и резервной цепи соответственно ограничивают импульсные всплески перенапряжения, а также предохраняют схему от статических разрядов.

При подаче на основную цепь питания напряжения включается драйвер верхнего плеча 4, который формирует управляющий сигнал на затвор полевого транзистора 5, то есть необходимый уровень напряжения на открытие полевого транзистора 5. Для ограничения тока заряда емкости затвора полевого транзистора 5 устанавливается резистор 7. При полном открытие полевого транзистора 5 сопротивление на его выходе минимальное и напряжение без потери уходит на положительный вход нагрузки 13. Наличием диода 8 обеспечивается защита схемы от переполюсовки.

Напряжение со стока полевого транзистора 5 подается на 1 контакт драйвера нижнего уровня 9, который формирует и подает управляющий сигнал на затвор полевого транзистора 12. На сток полевого транзистора 12 подается отрицательное напряжение от основного источника питания 1, при этом полевой транзистор 12 открывается и на истоке появляется отрицательное напряжение питание, которое подается на отрицательный вход нагрузки 13.

Такой схемой мы развязали положительное и отрицательное напряжение основного источника питания 1 и положительное и отрицательное напряжение приходящее на нагрузку 13.

Аналогично работает резервная схема.

Если понижается напряжение на первом входе драйвера верхнего плеча 4 то понижается управляющее напряжение на затворе полевого транзистора 5, затвор закрывается и основная цепь питания отключается от работы, при этом на нагрузку 13 подается напряжение с работающей резервной схемы. Аналогично и обратное.

При выводе основного источника питания из строя обратный ток через полевой транзистор 5, по мере разряда емкости на конденсаторе 6, начинает возрастать и драйвер верхнего уровня 4 отключит полевой транзистор 5 и нагрузка начинает работать от резервного источника питания.

Возможность обеспечения надежности электропитания на нагрузке 13 создается параллельным включением основной и резервной цепи питания на нагрузку 13 посредством монтажного «ИЛИ». Что позволяет свести к минимуму помехи по напряжению на нагрузке и токовые переходные процессы.

Для примера технической реализации изобретения в качестве драйвера верхнего плеча возможно применение электронного регулятора напряжения TPS2419 фирмы Texas Instrument, в качестве драйвера нижнего плеча микросхему SQ3456 фирмы Vishay, в качестве полевого транзистора транзистор IR5001 фирмы International Rectifier. Выбор элементов зависит от параметров реализуемой схемы, таких как значения входного напряжения, задержка переключения полевого транзистора и других.

Таким образом, настоящее изобретение полностью реализует поставленную задачу, технологически выполнимо и промышленно применимо.

Устройство резервного электропитания относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах электропитания средств связи. Техническим результатом является повышение надежности, увеличение функциональных возможностей. Устройство содержит основную цепь питания, подключенную к основному источнику питания и резервную цепь питания, подключенную к резервной цепи питания. Причем основная и резервная цепи питания собраны по одинаковой схеме и идентичны друг другу. Каждая из них состоит из диода-супрессора, драйвера верхнего плеча, конденсаторов, ограничительного резистора, первого полевого транзистора, драйвера нижнего плеча, второго полевого транзистора. Выходы со стоков полевых транзисторов основной и резервной цепи питания соединены с помощью монтажного «ИЛИ», сформировав положительное рабочее напряжение на нагрузке. Выходы с истоков полевых транзисторов основной и резервной цепи питания соединены с помощью монтажного «ИЛИ», сформировав отрицательное рабочее напряжение на нагрузке. 1 ил.

Устройство резервного электропитания, содержащее основной и резервный источники питания, нагрузку, полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа, отличающееся тем, что основной источник питания подключен к основной цепи питания, а резервный источник питания подключен к резервной цепи питания, при этом основная цепь питания и резервная цепь питания собраны по одинаковой схеме и идентичны друг другу, причем положительный выход основного источника питания соединен с первым контактом первого диода-супрессора, с первым входом драйвера верхнего плеча, с истоком первого полевого транзистора, с первым контактом первого конденсатора, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания, причем второй контакт первого диода-супрессора соединен с корпусом основного источника питания, вместе с тем, первый выход драйвера верхнего плеча через ограничительный резистор соединен с затвором первого полевого транзистора, второй выход драйвера верхнего плеча соединен с анодом защищающего от переполюсовки диода, третий выход драйвера верхнего плеча соединен со стоком первого полевого транзистора, с первым входом драйвера нижнего плеча, с первым контактом второго конденсатора, второй контакт которого соединен с отрицательным выходом основного источника питания, кроме того, отрицательный выход основного источника питания соединен с первым контактом второго диода-супрессора, с катодом защищающего от переполюсовки диода, со стоком второго полевого транзистора, с первым выходом драйвера нижнего плеча, при этом второй выход драйвера нижнего плеча соединен с затвором второго полевого транзистора, а третий выход драйвера нижнего плеча соединен с истоком второго полевого транзистора, причем второй контакт второго диода-супрессора соединен с корпусом основного источника питания, вместе с тем, собранная аналогично основной цепи питания резервная цепь питания соединена с резервным источником питания, причем сток первого полевого транзистора основной цепи питания соединен со стоком первого полевого транзистора резервной цепи питания и с положительным входом питания нагрузки посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав положительное рабочее напряжение на нагрузке, при этом исток второго полевого транзистора основной цепи питания соединен с истоком второго полевого транзистора резервной цепи питания и с отрицательным входом питания нагрузки посредством монтажного «ИЛИ», тем самым сформировав отрицательное рабочее напряжение на нагрузке.