Устройство для защиты потребителя от перенапряжений Советский патент 1987 года по МПК H02H3/20 H02H7/10 

11330690

Изобретение относится к электроциоана

технике, а именно к устройствам защиты потребителя, например преобразователей постоянного напряжения, от различного вида перенапряжений, возникающих в первичной сети, и может быть использовано в системах электропитания различных автоматических или радиоэлектронных функциональных узлов. Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности.

На фиг.1 и 2 представлены схемы устройства для защиты потребителя от 15 Перенапряжений с узлом запуска; на фиг.З - схема устройства для защиты с раскрытым в конструктивном отношении согласующем блоком.

Устройство защиты (фиг.1) содержит ро защитный транзистор 1, коллектор которого соединен с положительным полюсом Сети +EJ. и с одним из контактов

Схема устройства защиты (фиг.З) содержит первый транзистор 18 п-р-п типа проводимости, базой подключенный к выходу компаратора 13, эмиттером - к источнику опорного напряжения Up, коллектором через коллекторный резистор 19 - к базе второго транзистора 20 р-п-р типа проводимости, змиттер которого соединен с катодом выпрямительного диода 6, а коллектор через последовательно включенные базовый резистор 21 и защитный диод 22 - с базой регулирующего транзистора 4.

Устройство работает следующим образом.

В первоначальном состоянии защитный транзистор 1 заперт. При подаче первичного напряжения сети Е, он также остается запертым, так как напряжение К отсутствует. При кратковрезамыкающей пусковой кнопки 2, другой

контакт которой через пусковой резис- 25 менном нажатии пусковой кнопки 2

тор 3 подключен к базе транзистора 1, Пуск защитный транзистор 1 открьшаколлектору регулирующего транзистора

4и через ограничивающий резистор

5- к катоду выпрямительного диода 6

и первому вьшоду конденсатора 7, вто- зо нается импуль сная работа переключаю- рым выводом соединенного с эмиттером щего транзистора 11. При его открытом транзистора 4, положительным полюсом состоянии в дросселе 10 накапливается

ется. Появляется напряжение Е, на нагрузке 8. Одновременно с этим при работающем задающем генераторе 12 начи нагрузки 8, одному из выходов

+ Е,

делителя 9 напряжения и через дроссель 10 - к аноду диода 6 и коллектору переключающего транзистора 11. База транзистора 11 подключена к выходу задающего генератора 12, а эмиттер - к минусовой питающей шине - Е ( Ef,) и другому входу делителя 9 напряжения, выход которого подключен к управляющему входу компаратора 13, на другой вход которого подключен источник опорного напряжения и . Вы-, ход компаратора 13 через согласующий, блок 14 соединен с базой регулирующего транзистора 4.

Схема устройства защиты (фиг.2) содержит дополнительно тиристор 15, анодом подключенный к коллектору защитного транзистора 1, катодом - к его эмиттеру, а управляющим электродом - к коллектору шунтирующего транзистора 16 и через пусковой резистор 3 - к аноду тиристора. Эмиттер транзистора 16 соединен с катодом тиристора, а база через пороговьм блок 17 - с катодом выпрямительного диода 6. Остальные элементы имеют как функ

5

о

циональное назначение, так и связи, аналогичные схеме по фиг.1.

Схема устройства защиты (фиг.З) содержит первый транзистор 18 п-р-п типа проводимости, базой подключенный к выходу компаратора 13, эмиттером - к источнику опорного напряжения Up, коллектором через коллекторный резистор 19 - к базе второго транзистора 20 р-п-р типа проводимости, змиттер которого соединен с катодом выпрямительного диода 6, а коллектор через последовательно включенные базовый резистор 21 и защитный диод 22 - с базой регулирующего транзистора 4.

Устройство работает следующим образом.

В первоначальном состоянии защитный транзистор 1 заперт. При подаче первичного напряжения сети Е, он также остается запертым, так как напряжение К отсутствует. При кратковреется. Появляется напряжение Е, на нагрузке 8. Одновременно с этим при работающем задающем генераторе 12 начи

энергия от источника напряжения Е,,. При закрытом состоянии транзистора 11 накопленная в дросселе 10 энергия тока отдается через выпрямительный диод 6 на заряд (или подзаряд в дальнейших установившихся процессах) конденсатора 7 и на создание открывающего базового тока защитного транзистора 1, ограничиваемого резистором 5. Когда заряд, накопленный на конденсаторе 7, становится достаточным для обеспечения непрерывного открывающего

базового тока транзистора 1, то состояние кнопки 2 уже не влияет на работоспособность схемы, так как защитный транзистор 1 остается открытым за счет наличия напряжения Е, и импульсной работы переключающего транзистора 11. Таким образом, дальнейшая работа устройства защиты не зависит от того, в каком состоянии находится пуск-овал кнопка 2. Если перенапряжения на шинах +Е и -Е. отсутствуют, то защитный транзистор 1 остается открытым и насьпценным, а регулирующий транзистор 4 - запертым за счет того, что соотношение между вы-

3

ходным напряжением делителя 9 и ряжением образует выходное напряжение компаратора 13 таким, что блок 14 не дает отпирающег о сигнала на транзистор ,

При возникновении перенапряжения и при открытом защитном транзисторе 1 напряжение Е повышается, при это увеличивается и выходное напряжение делителя 9 и, когда оно сравняется с напряжением U, выходное напряжение компаратора 13 через согласующип блок 14 приоткрывает регулирующий транзистор 4, чем уменьшается базо- вьй ток защитного транзистора 1 и вызывается его призакрывание. Это приводит к тому, что напряжение Е не превышает величины заданной коэффициентом деления делителя 9 и напряжения Up. Шунтирование базочммит- .терного перехода транзистора 1 регулирующим транзистором 4 приводит к уменьшению базового тока транзистора 1, но не вызывает его полного запирания до исчезания напряжения Е. Поэтому несмотря на изменение базового тока транзистора 1 .напряжение на конденсаторе 7 изменяется несу|цест- венно и при последующем запирании транзистора 4 напряжения на конденсаторе 7 вполне достаточно для требуемого насыщения защитного транзистора 1.

Таким образом, появление перенапряжения на входе Е. вызывает призапи рание защитного транзистора 1, приче напряжение Е„ не превьш1ает заданного максимального значения.

кап-

В предлагаемой схеме выходное нап- 40 исчезновения напряжения на конденсаряжение перенапряжения прикладывается лишь к зaш тнoмy транзистору 1 , а к остальным полупроводниковым приборам: переключающемуся транзистору 11, регулирующему транзистору 4, согласую- 5 ства защиты без применения пусковой

щему блоку 14 и компаратору 13, прикладывается напряжение Е, защищенное от перенапряжений транзистором 1. Следовательно в схеме можно применять

кнопки и только при отсутствии напряжения ЕП. Пороговый блок 17, в качестве которого может быть использован низковольтный стабилитрон или

лишь один высоковольтный транзистор - gQ прямовключенный диод, предназначен

защитный транзистор 1, остальные могут быть достаточно низковольтными. В частности применение низковольтного, но высокочастотного транзистора в качестве переключающего 11 дает возможность уменьшить массу и габариты дросселя 10 и конденсатора 7.

Схема (фиг.2) работает следующим образом.

10690

-.При появлении первичного питающего напряжения и достижении им определенного значения тиристор 15 открывается положительной обратной связью через пусковой резистор 3, Открмвание тиристора 15 шунтирует защитный транзистор 1, чем обуславливается появление

напряжения Е на нагрузке 8. Это приводит к началу импульсной работы переключающего транзистора 11. Далее аналогично, как и в предыдещей схеме, появляется открывающий ток защитного транзистора 1, он открывается и вво- дится в режим насьш1ения. Открывание транзистора 1 приводит к тому, что тиристор 15 запирается, так как его силовые электроды зашунтированы этим транзистором. Далее в стационарном режиме тиристор 15 заперт, а транзистор 1 открыт и насьщ1ен и на нагрузке имеется напряжение Е, .

При возникновении перенапряжения на шинах Е,, транзистор 1 (фиг.1) за

пирается. Это обуславливает увеличение падения напряжения на нем. Но тиристор 15 не открывается, так как его управляющий вход зашунтирован открытым шунтирующим транзистором 16, который открывается с появлением напряжения на конденсаторе 7, Следовательно, до тех пор пока имеется напряжение на конденсаторе 7, котброе контролирует наличие напряжения Е, тиристор 15 открыться не может. Этим обеспечивается включение тиристора 15 при появлении перенапряжения на входах EJ,. Повторное открывание тиристора 15 может произойти только после

торе 7 или, что равносильно, напряжения Ер на нагрузке 8. Одновременно с этим использование тиристора 15 обеспечивает нормальное включение устройкнопки и только при отсутствии напряжения ЕП. Пороговый блок 17, в качестве которого может быть использован низковольтный стабилитрон или

5

для создания гарантированного открывания защитного транзистора 1 до шунтирования управляющего входа тиристора 15, чем исключается режим паразитных автоколебаний между тиристором 15 и транзистором 1.

Таким образом, тиристор 15 обеспечивает первоначальный пуск устройства защиты и одновременно с этим схемой

обеспечивается запертое состояние тиристора при возникиоБснт и перенапряжений. Кроме того, при случайном сбое в схеме, вызвавшем кратковременное пропадание напряжения па конденсаторе 7 и, как следствие, исчезание напряжения Е, схема запускается автоматически .

Схема (фиг.З) показывает работу устройства согласующего блока 1А. Для упрощения рассмотрения работы она изображена в виде устройства с пусковой кнопкой 2, однако работа схемы связи не зависит от того, как осуществляется запуск: кнопкой 2 или тиристором 15.

Схема связи обеспечивает согласование уровней входного напряжения компаратора 13, в качестве которого может использоваться обычный интегральный операционный усилитель, с базой регулирующего транзистора 4. Если выходное напряжение компаратора 13 меньше, чем напряжение транзистор 18 заперт, следователтзно заперты транзисторы 20 и 4. Эта ситуация существует, когда выходное напряжение делителя 9 меньше, чем UOP ,т.е, при отсутствии на входах

Е,. перенапряжений и насьпценном защит- ЗО кой или с автоматическим пуском при ном транзисторе 1. Резисторы 19 и 21 определяют базовые точки транзисторов 20 и 4 соответственно. Защитный

35

помощи тиристора.

При заданных перенапряжениях любой длительности обеспечивается защита и неизменность напряжения на потребителе .

На транзисторах схемы защиты, кроме высоковольтного, рабочее напряжение не превышает напряжение питания потребителя.

Р меется возможность применения в качестве защитного транзистора с малым коэффициентом усиления по току, так как он в незначительной степени определяет энергетическую эффективколлекторного тока транзис-45 ность устройства.

Обеспечивается согласование операционного усилителя с регулирующим и защитным транзисторами без применения дополнительных источников вспомогательного напряжения.

диод 22 предназначен для исключения пробоя базо-эмиттерног(1 перехода транзистора 4, а также ;;ля уменьшения напряжения перехода база-коллектор транзистора 20.

При возникновении перенапряжения на входах Е, выходное напряжение де- 40 лителя 9 достигает величины U., выходное напряжение компаратора 13 увеличивается и становится большим, чем и р . Это вызывает появление базового, а затем

тора 18, которьп является базовым током транзистора 20. Вследствие этого открывается или приоткрывается регулирующий транзистор 4.

Следовательно, применение предлагаемой схемы связи дает возможность обеспечить согласование транзистора 4, осуществляющего управление защитным транзистором 1, с выходом компаратора, имеющего ненулевые остаточные положительные и отрицательные уровни выходного напряжения, осложняющие в известных схемах согласование транзи

50

.55

Применение импульсного способа для получения насьш1ающего тока базы защитного транзистора обеспечивает достаточно высокую энергетическую эффективность и дает возможности для улучшения массогабаритных характеристик путем повышения частоты преобразования .

306906

сторных каскадо ;. Согласование вьтол- няется без дополнительных источников, но защитный транзистор работает в на- сьпценном режиме.

J Применение предлагаемого устройства защиты дает возможность обеспечить насыщенный режип работы защитного транзистора без применения активных резисторов, обуславливающих потери

to мощности. Примечание источника насыщенного тока и виде импульсного преобразователя каскадов, осуществляющего понижение напряжения Е, обеспечивает достаточно малые потери эне15 ргии. При возникновении перенапряжения на шинах Е защитный транзистор 1 начинает работать в линейном режиме, чем обеспечивается неизменность напряжения Е,, при любых видах пере20 напряжений - импульсных иди длительных .

Следовательно, использование предлагаемого устрсйства защиты имеет следующие преи :ущества.

25 Обеспечивается насьш1ение защитного транзистора в стационарном режиме работы при отсутствии перенапряжений.

Имеется возможность вариантного выбора схемы защиты: с пусковой кноп

Применение импульсного способа для получения насьш1ающего тока базы защитного транзистора обеспечивает достаточно высокую энергетическую эффективность и дает возможности для улучшения массогабаритных характеристик путем повышения частоты преобразования .

Применение только одного HI.ICOKO- вольтного транзистора (и) или тиристора удешевляет устройство.

Обеспечивается независимость автоматического пуска устройства заащ- ты от длительности фронта нарастания первичного напряжения при включении.

Уменьшается мощность, рассеиваемая устройством защиты, что дает воз- мощность иметь лучшие массогабаритные характеристики.

Увеличивается надежность работы устройства из-за облегчения температурных режимов.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты потребителя от перенапряжений, содержащее включенный в силовую цепь защитный .транзистор и пороговый элемент, отличающееся тем, что, с целью уменьшения рассеиваемости мощности, в него введены ограничивающий резистор, делитель напряжения, согласующий блок, регулирующий и переклю- чаюп1ий транзисторы, дроссель, выпрямительный диод, конденсатор, задающий генератор и узел запуска, а в качестве порогового элемента испопь- зован компаратор, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем задающий генератор выходом подключен к базе переключающего транзистора, эмиттер когорого соединен с общей щиной и первым входом делителя напряжения, коллектор - с анодом выпрямительного диода и через дроссель - с эмиттером защитного транзистора, эмиттером регулирующего транзистора, первым выводом конденсатора и вторым входом делителя напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, выходом соединенного через согласующий блок

908

с базой регулирующего транзистора, коллектор которого подключен к базе защитного транзистора, первому выводу огра}П1чивающего резистора, второй вывод которого подключен к катоду выпрямительного диода и второму выводу конденсатора, при этом узел запуска одним выводом подключен к входному

выводу устройства, а другим включен в цепь управления защитным транзистором.

2.Устройство по п.1, о т л и - /чающееся тем, что узел запус(ка включает в себя последовательную цепь из замыкающей пусковой кнопки и пускового резистора.

3.Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что узел запуска включает в себя тиристор, пусковой резистор, шунтируюп1ий транзистор и пороговый блок, шунтирующий транзистор эмиттером соединен с эмиттером защитного транзистора и катодом тиристора, базой через пороговый блок - с катодом выпрямительного диода, а коллектором - с управляющим электродом тиристора и через пусковой резистор - с анодом тиристора и

коллектором защитного транзистора.

4.Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что согласую- ций блок выполнен на двух резисторах, защитном диоде, первом транзисторе п-р-п-типа проводимости и втором транзисторе р-п-р-типа проводимости, причем база первого транзистора соединена с выходом компаратора, эмиттер - с источником опорного напряжения, а коллектор через первый резистор - с базой второго транзистора, эмиттер которого подключен к катоду выпрямительного диода, а коллектор через прямовключенньй защитный диод и второй резистор - к базе регулиру

ющего транзистора.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты потребителя. Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности. Изобретение позволяет защитить потребитель 8, например преобразователь пбстоянного напряжения, от воздействия перенапряжений, имеющих длительность от единиц, долей микросекунд до нескольких секунд. Защита обеспечивается путем полного или частичного запирания последовательного защитного транзистора 1. Для того чтобы обеспечить режим открытого и /насыщенного состояния, в устройстве имеется импульсная схема, которая включает задающий генератор 12, переключающий транзистор 11, дроссель 10, конденсатор 7, диод 6, ограничивающий резистор 5, и независимо от величины первичного напряжения и тока, питающего потребитель 8, осуществляет с довольно высоким КПД преобразование напряжения в базовьй ток защитного транзистора 1. Это дает возможность эффективного использования силовых высоковольтных транзисторов, обладающих, как правило, существенно малыми коэффициентами усиления по току. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. (А :о :о Э5 :о

Редактор А.Долинич

Составитель О.Мещерякова

Техред Л.Сердюкова Корректор А.Зимокосов

Заказ 3587/53Тираж 617Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4