Устройство для защиты активного элемента от перегрузки по току и по мощности Советский патент 1987 года по МПК H02H7/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано Д.11Я защиты полу11р1)1К)дниковьгх нрибо- ров, обладающих усачнтельными свойствами, в частности используемых в MORiHbix каскадах усилителей низкой частоты, преобразователях и стабилизаторах напряжения, регулируемых ис- точн(жах литания.

Целью изобрете)ия является повышение эффективности защиты активных элементов от перегрузки по току и по мощности.

На фиг 1 приведен график зависи- мости напряжения на выходе датчика напряткения от напряжения на силовых электродах активного элемента; на фиг. 2 - схема предложенного устройства Для защиты; на фиг. 3 - схема устройства для зашиты биполярного трайзистора, как пример осуществлени изобретения на фиг. 4 - схема устройства для защиты полевого транзистора, как другой пример осуществле- НИИ изобретения, на фиг. 5 - схема устройства для защиты электровакуумного прибора, как третий пример изобретения .

Устройство (фиг. 2) содержит за- щшцаемы активньп элемент 1 , датчш 2 тока, включенный последовательно в цепь тока активного элемента 1, датчик J напряжения, подключенный

своей общей шиной 4 к точке соедине

ния одного вывода датчика 2 тока к одному TOKOBONry выводу активного элемента 1, входом 5 - к его дpyгo гy токовому выводу, а выходом 6 - к пороговому элементу 7, общая шина кото рого соединена с другим выводом датчика 2 тока, выход порогового элемента 7 соединен с входом узла 8 управления, выход которого соединен с управляющим электродом активного элемента 1, при этом датчик 3 напряжения содержит два биполярньк транзистора 9 и 10, два резистивньк делителя 11 и 12 на резисторах 13, 14 и 15, 16, два резистора 17 и 18, эми тер транзистора 9 через ре- зистивный делитель 11 с общей шиной 4 датчика 3 напряжения, относительно которой средняя точка резистивного делителя 11 является выходом 6 дат- чика 3 напряжения, база транзистора 9 соединена через резистинный делитель 12 с общей шиной 4 датчи1(:а 3 напряжения, через резистор 17 - с

5 П 5

О

5

0 5 Q g

96

KOJUiBKTopoM транзистора 9, резистор 18 - с KOJUieKTopoM транзистора 1U, который эмиттером подключен к общей шине 4 датчика 3 напряжения, а базой - к средней точке делителя 12, точка соединения резистора 17 с коллектором транзистора 8 является входом датчика 3 напряжения.

Если защищаемым активным элементом является полевой транзистор (фиг.4), то выход 6 датчика 3 напряжения через резистор 19 соединен с эмиттером транзистора 20, коллектор которого через резистор 21 соединен с минусовой шиной источника смещения и с базой транзистора 7, выполняющего функции порогового элемента и узла управления током полевого транзистора, база транзистора 20 соединена с базой и коллектором транзистора 22 и через резистор 23 с минусовой шиной источника смещения , эмиттер транзистора соединен с минусовой шиной источника смещения, коллектор транзистора 7 - с затвором полевого транзистора и через резистор 24 - с плюсовой шиной источника смещения.

Если защищаемым активным элементом является электровакуумный прибор (ЭВП), то резистор 2, выполняющий функц1То датчика тока, соединенный одним выводом с катодом электровакуумного прибора (ЭВП) 1, а другим выводом - с плюсовой шиной источника смеш,ения, датчик 3 напряжения, выполненный по фиг. 2, вход 5 которого соединен с анодом ЭВП 1, общая шина 4 датчика напряжения - с точкой соединения катода с резистором 2, выход 6 датчика напряжения 3 через резистор 19 соединен с эми- тером транзистора 20, коллектор которого через резистор 21 соединен с минусовой шиной источника смещения и с базой транзистора 7, выполняющего функции порогового элемента и узла управления током ЭВП 1, база транзистора 20 соединена с базой и коллектором транзистора 22 и через резистор 23 - с минусовой шиной источника смещения, эмиттер транзистора 22 соединен с плюсовой шиной источника смещения, коллектор транзистора 7 соединен с управляющей сеткой ЭВП 1 и через резистор 24 - с плюсовой шиной источника смещения.

Для эффективной защиты активного элемента от перегрузки по току и по

мощности нлиряжгние па выходе датчика напряжения вырабатывается п со ответствии с условиями:

КГ

и

при

и пор

КР - -- при

К

и

- nisfi

(1)

(2

чены позициями 7 и 8)j

/) - коэффициент усиления по току дополнительного транзистора.

Зависимость Цд от U на отрезке третьей анпрокс1тирующей прямой определяется соотношением

где и - напряжение на вьгходе датчика напряжения; К - коэффициент преобразования тока активного элемента в напряжение датчика тока (если датчиком тока является резистор, то К числен- но равен величине сопротивления этого резистора)i Р- максимально допустимая мощность активного элемента и - напряжение на токовых

электродах активного элемента (эмиттер - коллектор исток - сток, катод - анод Ur,op напряжение порогового зле- мента, соответствующее максимально допустимой мощности активного элемента при максимальном токе. На фиг. 1 показан график напряжения на вьгходе датчика напряжения в соответствии с условиями (1) и (2) (плавная кривая) и ее аппроксимация с помощью отрезков трех прямых. Первый отрезок прямой от точки U О до точки и и, аппроксимируются в известном устройстве напряжением стабилитрона плюс напряжение открывания перехода база-эмиттер дoпoлнитeJ ьнo- го транзистора. Отрезок второй аппроксимирующей прямой (участок от и и до и и,) определяется соотношением

ли

1

1 +

Ri

, (3)

R .( /3 + 1 )

де UZH ) и - изменение напряжения на выход датчика напряжения и соответст- вующее ему изменение напряжения на силовых электродах защищаемого активного элемента-, R , R - величина сопротивле- НИЛ первого и второго резистора (на чертеже прототипа они обознаto

JU

1-tR(4)

R,R,

RO + RC

-(л

где Rg - третий резистор (на чертеже прототипа он обозначен позицией 9) .

Как видно из соотношений (3) и (4), ход зависимости U от U на втором и третьем участке в значительной мере зависит от коэффициента ускпения по току дополнительного транзистора.

Существенным признаком предложенного устройства является выполнение датчика напряжения, вырабатывающего с большей точностью напряжение, удовлетворяющее условиям (1) и (2).

На фиг. 1 ариведен график зависимости напряжения на вьгходе датчика напряжения, удовлетворяющей условиям (1) и (2), т.е. условиям ограничения максимального тока максимальной мощности при изменении напряжения на токовьгх электродах активного элемента.

Известно, что мощность Р, рассеиваемая активным элементом, определяется уравнением

Р IU,

(5)

где I - ток активного элемента,

и - напряжение на токовьгх электродах активного элемента. В случае,когда ток активного элемента ограничен с помощью порогового элемента, то его величина определяется уравнением

I

и пор - Цд К

(6)

В простейшем случае датчиком тока является активное сопротивление (), тогда К Rдц.

Подставляя выражение (6) в (5), получим

5

UAH Unop - - (7)

что соответствует ycnoBino (2).

Зависимость (7) может быть получена с высокой точностью при большем числе аппроксимирующих отрезков пря- мьсх. Однако для большинства случаев достаточно иметь аппроксимацию той зависимости с помощью отрезков трех прямых (фиг, 1) .

Устройство для защиты (фиг„ 2) работает следующим образом.

При малом напряжении на активном элементе напряжение на резистивном делителе 12, определяемое делителем (резистор 17, резистор 15 плюс резистор 1б резистивного делителя 12), недостаточно для открывания базо- эмиттерпого перехода транзистора 9. При этом открывание порогового элемента 7 возможно лишь падением пап- ряжения на датчике 2 тока, в результате чего схема защиты выполняет роль ограничителя тока активного элемента 1. Таким образом, порог открывания транзистора 9, определяю- о;ий переход на отрезок второй аппроксимирующей прямой (фиг. 1), определяется напряжением открывания

3306966

соответствует наклону третьей аппро симирующей прямой. Таким образом, переход на третью аппроксимирующую прямую определяется напряжением отк5 рывания базо-эмиттерного перехода транзистора 10 и задается выбором величин сопрот ивлений резисторов 15 и 16 резистивного делителя 12, а нак лон третьей аппроксимирующей прямой

W задается выбором величины сопротивления резистора 18. Влияние коэффициента усиления по току транзистора 10 на коэффициент передачи датчика 3 напряжения исключено, так как вхож

15 дение в режим насыщения транзистора 10 происходит в узком диапазоне изменения напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения.

Устройство для защиты биполярного

20 транзистора от перегрузки по току и по мощности (фиг. 3) работает следую щим образом.

При малых значениях напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора

25 напряжение на выходе датчика напряжени равно нулю и проходящий через транзистор 1 ток ограничен по максимальному значению величиной падения напряжения на резисторе 2, достаточной

базо-эмиттсрного перехода транзисто- ™ открывания базо-эмиттерного перехода транзистора 7.

ра 9 и выбором вел1гчин сопротивлений резистора 17 м резистивного делителя 12. При увслргчении напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения его коэффициент передачи определяется произведением коэффициента передачи указанного делителя в цепи базы транзистора 9 и коэффициента передачи резистивного делителя 11 в цепи эмиттера транзистора 9, Выбором величин сопротивлен 1й резисторов 13 и 14 делителя 11 задается наклон второй аппроксимирующей прямой (фиг.1). При этом транзистор 9 работает эмит- тарным повторителем и его коэффициент усиления по току мало влияет на коэф(})ициент передач датчика напряжения. При дальнейшем увеличении напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения напряжение на средней точке резистивного делителя 12(на его резисторе 16) превышает напряжение открывания базо-эмиттерного перехода транзистора 10, который, входя в на- сьш1ение, подключает резистор 18 параллельно резистивному делителю 12 и, таким образом, уменьшает коэффициент передачи данных напряжения, что

306966

соответствует наклону третьей аппроксимирующей прямой. Таким образом, переход на третью аппроксимирующую прямую определяется напряжением отк5 рывания базо-эмиттерного перехода транзистора 10 и задается выбором величин сопрот ивлений резисторов 15 и 16 резистивного делителя 12, а наклон третьей аппроксимирующей прямой

W задается выбором величины сопротивления резистора 18. Влияние коэффициента усиления по току транзистора 10 на коэффициент передачи датчика 3 напряжения исключено, так как вхож15 дение в режим насыщения транзистора 10 происходит в узком диапазоне изменения напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения.

Устройство для защиты биполярного

20 транзистора от перегрузки по току и по мощности (фиг. 3) работает следующим образом.

При малых значениях напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора

25 напряжение на выходе датчика напряжения равно нулю и проходящий через транзистор 1 ток ограничен по максимальному значению величиной падения напряжения на резисторе 2, достаточной

0

рехода транзистора 7.

При дальнейшем увеличении напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора 1 на выходе 6 датчика 5 5 напряжения появляется напряжение, сформированное в соответствии с описанными условиями. Это напряжение, cyмм rpyяcь с напряжением на резисторе 2 датчика тока, приводит к снижению величины тока транзистора 1,, поддерживая неизменной мощность, выделяемую на транзисторе.

Устройство для защиты полевого транзистора с нормально открытым каналом (фиг. 4) работает следующим образом

При малых значениях напряжения на участке сток-исток транзистора 1 напряжение на выходе датчика напряжения равно нулю и проходящий через транзистор 1 ток создает на эмиттере транзистора 20 относительно плюсовой шины источника смещения положительное напряжение, которое открывает 5 транзистор 20. При равенстве сопротивлений резисторов 21 и 19 на них создается равное напряжение, однако напряжение на резисторе 21 смещено

5

0

71

по постоянному уровню на величину напряжения источника смещения. Резистор 23 и транзистор 22 обеспечивает начальное смещение базо-эмиттер ного перехода транзистора 20, При достаточной величине напряжения на резисторе 21 транзистор 7 открывается и подает на затвор транзистора 1 запирающее отрицательное напряжение. Резистор 24 является нагрузкой транзистора 7 и обеспечивает открьшание транзистора 1 и при запирании транзистора 7.

Принцип работы устройства для защиты электровакуумного прибора (фиг, 5) аналогичен работе устройства для защиты полевого транзистора.

Формула изобретения

Устройство для защиты активного элемента от перегрузки по току и по мощности, снабженного узлом управления, содержащее датчик тока, предназначенный для включения последовательно в цепь тока активного элемента, датчик напряжения, предназначенный для подключения первым входным выводом к точке соединения одного вывода датчика тока с одним токовым выводом активного элемента, вторым входным выводом - к другому токовому выводу активного элемента, а выходом

O

5

06968

подключенного к первому входу nopd- гового элемента, второй вхрд которого соединен с другим выводом датчика тока, а выход порогового элемента гфедназначен для соединения с входом узла управления, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности защиты активного элемента от перегрузки по току и по мощности, датчик напряжения выполнен на двух биполярных транзисторах, двух резистивных делителях и двух резисторах, при этом эмиттер первого транзистора соединен через первый резистивный делитель с первГ)1м входным выводом датчика напряжения, относительно которого средняя точка первого резистивного делителя является выходом датчика напряжения, ба- за первого транзистора соединена через второй резистивный делитель с первым входным вьгаодом датчика напряжения, через первый резистор - с коллектором первого транзистора, через второй резистор - с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым входным выводом датчика напряжения, а база - со средней точкой второго делителя, точка соединения первого резистора с коллектором первого транзистора соединена с вторым входным выводом датчика напряжения.

0

5

0

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты полупроводниковых приборов. Целью изобретения является повышение эффективности защиты активных элементов от перегрузки по току и по мощности. При увеличении напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения его коэффициент передачи определяется произведением коэффициента передачи делителя из резистора 17 и делителя 12 в цепи базы транзистора 9 и коэффициента передачи резистив- ного делителя 11 в цепи эмиттера транзистора 9. При этом транзистор 9 работает эмиттерным повторителем и его коэффициент усиления по току мало влияет на коэффициент передачи датчика 3. При дальнейшем увеличении напряжения на входе 5 датчика 3 напряжения на средней точке делителя 12 превысит напряжение открывания базо-эмиттерного перехода транзистора 10, который, войдя в насыщение, подключит резистор 18 параллельно делителю 12 и таким образом уменьшит коэффициент передачи датчика напряжения. Влияние коэффициента усиления по току транзистора 10 на коэффициент передачи датчика 3 исключено, так как вхождение в режим насьщения транзистора 10 происходит в узком диапазоне изменения напряжения на входе 5 датчика 3. 5 ил. (f С о: ;с о:

Ui

фи9.1

0 +ЕСМ

фигА0- г

i-fCAt

фиг. 5

0

Редактор М.Келемеш

Составитель О.Мещерякова

Техред И.Попович Корректор Г.Решетник

Заказ 3588/54Тираж 617Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производстяенно-полиграфическое пpeдпpияYиe, г. Ужгород, ул. Проектная, А