Стабилизатор постоянного напряжения с защитой от перенапряжений Советский патент 1989 года по МПК G05F1/569 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в тиристорных компенсаторах реактивной мощности, электроприводах постоянного и переменного тока в качестве источника электропитания устройств управления, регулирования и защиты.

Цель - повышение точности и помехоустойчивости при одновременном упрощении настройки защиты от перенапряжений .

На чертеже представлен стабилизатор с защитой от перенапряжений.

Стабилизатор содержит регулирующий элемент 1, выполненный на составном транзисторе, база которого является управляющим входом регулирующего элемента: узел обратной связи 2, состоящий из делителя выходного напряжения 3, выполненного на подключенном к выходным выводам стабилизатора потенциометре, средний вывод которого является выходом делителя выходного напряжения, из источника опорного напряжения 4, выполненного в виде цепи последовательно соединенных резистора 5 и стабилитрона 6, подключенной к выходным выводам стабилизатора, из операционного усилителя 7, выход которого является выходом узла обратной связи, из встречно-параллельно соединенных диодов 8 и 9, включенных между инвер- тирующим и неннвертнрующим входамн операционного усилителя 7, на первого входного резистора 10, подключенного

СО

31А9399

меткду инвертирующим входом операционного усилителя 7 и выходом делителя выходного напряжения 3, второго входного резистора 11, подключенного между нёинвертирующим входом операционного усилителя 7 и точкой соединения ,резистора 5 и стабилитрона 6 источника опорного напряжения 4, выполненного в виде цепи последовательно соеди- JQ нённых баластного резистора 12 и ста- билитрсУна 13, анодом подключенного к общей силовой шине, причем операционный усилитель 7 подключен выводами питания к общей еловой шине и к точ- 5 ке соединения стабилитрона 13 и баластного резистора 12, соединенного с выводом питания узла обратной связи 2; датчик тока нагрузки 14, состоящий из токового шунта 15, резистора 20 16, потенциометра 17, первого транзистора 18, эмиттер которого соединен с первым выводом токового шунта 15, база соединена со средним выво- дом потенциометра 17 и коллектор 25 через резистор 16 соединен с общей силовой щиной, и второго транзистора 18, у которого эмиттер соединен через потенциометр 17 со вторым выводом токового шунта 15, коллектор ЗО соединен с общей силовой шиной и база является входом по напряжению датчика тока нагрузки 14, выходом которого является точка соединения коллектора первого транзистора 18 и ре- зистора 16; триггерно-блокировочный узел 20, состоящий из шунтирующего транзистора 21, у которого эмиттер соединен с общей силовой шиной, а коллектор является выходом блокиров- Q ки триггерно-блокировочного узла 20, первого 22, второго 23, третьего 24 и четвертого 25 резисторов, из первого 26 и второго 27 диодов, светоизлу- чающего диода 28 и фототиристора 29, у которого анод является вводом питания триггерно-блокировочного узла

20,а катод является выходом состояния трхиггерно-блокировочного узла

20 и соединен через третий резистор 24 с базой шунтирующего транзистора

21,а через четвертьй резистор 25 с общей силовой щиной, причем первый вход триггерно-блокировочного узла 20 соединен через первый резистор

22,первый диод 26 и параллельно сое-55 диненные светоизлучающий диод 28 и второй резистор 23 с общей силовой шиной, а второй вход триггерно-бло50

99

Q 5 0 5 О Q

5

0

I4

кировочного узла соединен через второй диод 27 и второй резистор также с общей силовой шиной узел задержки 30, выполненный в виде инерционного КС-звена на резисторе 31 и конденсаторе 32; логический элемент И 33, состоящий из первого 34, второго 35 и третьего зб диодов, первого 37, второго 38 и третьего 39 резисторов и из транзистора 40, у котЪ- рого коллектор соединен с выводом питания элемента И и через первый резистор 37 с анодами первого 34, второго 35 и третьего 36 диодов, а эмиттер является выходом логического элемента И 33 и соединен через третий резистор с общей силовой шиной, причем катоды первого 34 и второго 35 диодов являются соответственно первым и вторым входами логического элемента И, катод третьего 36 диода соединен с базой транзистора 40 и через второй 38 резистор с общей силовой щиной, первый паралледьный шунтирующий элемент 41, включенный между выходными выводами стабилизатора и состоящий из последовательно соединенных токоограничивающего резистора 42 и тиристора 43, управляющий вывод которого соединен .через резистор 44 с управляющим входом первого.параллельного шунтирующего элемента 41; второй параллельный шунтирующий элемент 45, состоящий из токоограничивающего резистора 46 и транзистора 47, у которого база соединена через резистор 48 с управляющим входом второго параллельного щунтирующего элемента 45; эмиттер соединен с положительным выходным выводом стабилизатора, коллектор соединен через резистор 46 с общей силовой шиной, а°точка соединения коллектора транзистора 47 и резистора 46 является выходом состояния второго параллельного щунтирующего элемента; отключающий элемент 49, выполненный в виде плаЪкой вставки, причем общая силовая шина соединяет входной и выходной выводы отрицательной полярности стабилизатора, входной вывод положительной полярности стабилизатора соединен с помощью силовой щины через отключающий элемент 49,

токовый шунт 13 датчика тока нагt

рузки 14, коллектор-эмиттер транзистора регулирующего элемента 1 с выходным выводом положительной полярS14

ности стабилизатора, узел обратной связи 2 соединен выходом с управляющим входом второго параллельного шунтирующего органа 45 и через развязывающий резистор 50 с управляющим входом регулирующего элемента 1, а выводом питания с точкой соединения отключающего элемента 49 и токового шунта 15 датчика тока нагрузки 14, выход состояния второго параллельного шунтирующего элемента 45 соединен с первым входом логического элемента И 33 и через узел задержки 30 со вторым входом триггерно-блокировоч- ного узла 20, первый вход которого соединен с выходом датчика тока нагрузки 14, соединенного входом по напряжению с эмиттером транзистора регулирующего элемента 1, триггерно- блокировочный узел 20 соединен выводом питания с точкой соединения отключающего элемента 49 и токового шунта 15 датчика тока нагрузки 14, выходом блокировки с управляющим входом регулирующего элемента 1 и выходом состояния со вторым входом логического элемента И 33, который выходом содинен с управляющим входом первого параллельного шунтирующего элемента 41, а выводом питания с положительным выходным выводом стабилизатора.

Стабилизатор работает следующим образом.

В реясиме стабилизации выходного напряжения в отсутствие аварийных режимов в узле обратной связи 2 опе- рационньш усилитель 7 сравнивает напряжение, пропорциональное выходному напряжению стабилизатора с опорным напряжением, равным напряжению стабилизации стабилитрона в источнике опорного напряжения 4. Опорное напряжение поступает через второй вход ной резистор 11 на неинвертирующий вход операционного усилителя 7, на Неинвертируюгдий вход которого через первый входной резистор 10 поступает с выхода делителя выходного напряжения 3 (средний вывод потенциометра) напряжение пропорциональное выходному напряжению стабилизатора. В источнике опорного напряжения 4 необходимый ток стабилизации стабилитрона 6 задается резистором 5 от выходного напряжения стабилизатора. Встречно- параллельно включенные диоды 8 и 9, включенные между инвертирующим., и не инвертируюпщм входами операинояно-

991Ь

го усилителя 7, а также первый 10 и второй 11 входные резисторы образуют защиту по входу операционного усилителя от опасных дифференциального и синфазного входных напряжений. Для исключения нестабильной работы и сбоев в аварийных режимах питание операционного усилителя 7 осушествляетQ ся от входного напряжения стабилизатора через параметрический стабилизатор, образованный цепью из последовательно соединенных стабилитронов 13 и баластного резистора 12. Вели5 чина напряжения питания операционного усилителя определяется напряжением стабилизации стабилитрона 13 и - выбрана меньше номинального значения напряжения микросхемы в допустимых

Q пределах, что повышает надежность операционного усилителя и на порядок увеличивает время безотказной работы. Операционньп усилитель 7 формирует сигнал рассогласования, который с

5 выхода узла обратной связи 2 поступает через развязывающий резистор 50 на управляющий вход регулирующего элемента 1, осуществляя стабилизацию выходного напряжения. Одновременно

0 сигнал с выхода узла обратной связи 2 подается непосредственно на управляющий вход второго параллельного шунтирующего элемента 45, где через резистор 48 прикладывает к базе транзистора 47. В режиме стабилизации положительное напряжение база-эмиттер транзистора 47 удерживает его в запертом состоянии.

В режиме перегрузки стабилизатора

Q по току датчик тока нагрузки 14 через триггерно-блокировочный узел 20 запирает регулирующий элемент 1 с защелкой, ограничивая ток нагрузки до нуля. Осуществляется коррекция

с токовой установки датчика тока нагрУЗ ки 14 по падению напряжения на регулирующем элементе 1. Сигнал с выхода датчика тока нагрузки 14 подается иа первый вход триггерно-блокировочQ иого узла 20, где поступает через резистор 22 и анод-катод диода 26 на айод светодиода 28. В результате через светодиод 28 протекает ток, ограниченный величиной сопротивления ре-

е зистора 23. Поток излучения свето- даюда 28 воздействует на фототирис- тор 29 (светодиод 28 и фототиристор 29 могут быть выполнены в виде оп- тотиристоров), который включа1ется

5

7 149399

и через фототиристор 29 и резистор 25 начинает протекать ток. Падение напряжения с четвертого резистора 25 подается на выход состояния триггер- но-блокировочного узла 20 и. одновременно, через третий резистор 24 на переход база-эмиттер транзистора 21 протекает ток, которьй приводит к насьщению -транзистора 21. При этом, Q выход блокировки триггерно-блокиро- вочного узла 20 принимает потенциал близкий к потенциалу общей шины питания (отличается величиной напряжения насьпцения коллектор-эмиттер тран- |5 зистора 21). С выхода блокировки триггерно-блокировочного узла 20 низкий потенциал напряжения поступает на управляющий вход регулирующего элемента 1 и запирает его, ограничи- 20 вая тем самым ток перегрузки (ток короткого замыкания). Наличие на втором входе триггерно-блокировочного узла 20 сигнала (ниже приводится та- кой случай.), который через второй ди- 25 од 27 поступает на анод светодиода 28, также приводит к срабатыванию триггерно-блокировочного узла 20, Низкий уровень сигнала (равный потенциалу общей шины питания) на пер- 30 вом либо втором выходах элемента И (либо на обоих входах), соответственно через первый 34 либо второй 35 диоды блокирует подачу отпирающего потенциала на базу транзистора ,, 40 с вывода питания элемента И через первый резистор 37 и диод 36. При этом, транзистор 40 закрыт и на выходе элемента И,состояние которого определяется падением напряжения на Q третьем резисторе 39, отсутствует выходной сигнал. При этом, третий диод 36 и второй резистор 38 компенсирует падение напряжения на первом 34 либо втором 35 диодах, надежно предотвра- дс щая отпирание транзистора 40. При наличии высокого уровня сигналов одновременно на первом и втором входах элемента И входные первый 34 и

второй 35 диоды запираются и ток, протекающий через первый резистор 37, начинает протекать через третий диод 36 и базу транзистора 40. В результате транзистор 40 переходит в состояние насыщения и на выходе логического элемента И 33 появляется высокий уровень выходного сигнала. В случае повьшения выходного напряжения стабилизатора вьше номинального (например.

8

0 5 0 , Q с

0

5

перенапряжение на шинах питания при работе на импульсную нагрузку узел обратной связи 2, стремясь уменьшить выходное напряжение до номинального вырабатывает на выходе сигнал рассогласования, запирающий.регулирующий элемент 1. Одновременно с выхода узла обратной связи этот сигнал поступает на управляющий вход второго параллельного шунтирующего элемента 45, где через резистор 48 поступает . на базу транзистора 47. При этом, напряжение приложенное к базе и эмиттеру транзистора 47 является отпирающим, в результате чего транзистор 47 переходит в состояние насыщения, шунтируя выход стабилизатора и снижая в- выходное напряжение до номинального (при напряжении ниже номинального узел обратной связи 2 отпирает регулирующий элемент 1 и запирает второй параллельный шунтирующий элемент 45). Ток коллектора транзистора 47 ограничивается на допустимом уровне резистором 46, падение напряжения на котором поступает на выход состояния второго параллельного шунтирующего элемента 45. Высокий уровень сигнала с выхода состояния второго параллельного шунтирующего элемента 45 подается на вход узла задержки 30, выход которого соединен со вторым входом триггерно-блокировочного узла 20. При длительности импульса перенапряжения меньшей чем время задержки напряжение на выходе узла задержки будет недостаточным для срабатывания триггерно-блокировочного узла 20.При длительном перенапряжении, напряжение на выходе узла задержки приводит к срабатыванию триггерно-блокировочного узла 20, который запирает регулирующий элемент 1. Одновременно с выходов состояния триггерно-блокировочного узла и второго параллельного шунтирующего элемента 45 сигналы с высоким уровнем поступают на первый и второй выходы логического элемента И 33. В результате на выходе последнего формируется сигнал, которьй подается на управляющий вход первого параллельного шунтирующего элемента 41, где через резистор 44, ограничивающий ток в управляющей цепи, прикладывается к управляющему выводу тиристора 43. Тиристор 43 открывается и через токоограничивающий резистор 42 шунтирует выходные выводы стабилизатора, снижая напряжение на шинах питания нагрузки практически до нуля. Мощность первого параллельного шунтирующего элемента 41 значительно больше мощности второго параллельного шунтирую1цего элемента 45, который рассчитан только на импульсный ток. При этом режим перегрузки по току в силовых шинах стабилизатора отсутствует, так как регулирующий элемент 1 заперт триггерно-блокировочным узлом 20. В случае выхода из строя регулирующего элемента 1 начинает воз - растать напряжение на выходе стабилизатора, что приводит к отпиранию узлом обратной связи 2 второго параллельного шунтирующего элемента 45. При этом, величина тока, протекающего через токовый щунт 15, увеличивается, что приводит к срабатыванию датчика тока нагрузки 14 и, .следовательно, триггерно-блокировочного узла 20 без выдержки времени. При этом, сигнал с выходов состояния второго параллельного шунтирующего элемента 45 и триггерно-блокировочного узла 20 поступают на первый и второй входы логического элемента И 33, который включает первый параллельный шунтирующий элемент 41. В результате выход стабилизатора без выдержки времени закорачивается мощным первым параллельны шунтирующим элементом, создающим режим близкий к короткому замыканию, который приводит к снижению выходного напряжения ниже номинального и срабатыванию отключающего элемента 49 (в данном случае к перегоранию плавкой вставки) f Тем самым с высоким быстродействием устраняется перенапряжение на : выходе стабилизатора. Наличие логического элемента И 33 позволяет осуществить отпирание первого параллельного шунтирующего элемента 41 только при наличии сигналов с выходов состояния второго параллельного шунтирующего элемента 45 и триггерно-блокировочного узла 20. Это обеспечивает помехоустойчивость защиты при кратковременных перенапряжениях, так как триггерно-блокировочный узел срабатывает с выдержкой времени. Однако при пробое регулирующего элемента 1 триггерно-блокировочный узел 20 сра0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

батывает практически мгновенно. Таким образом, в данном случае обеспечивается включение первого параллельного шунтирующего элемента 41 с высоким быстродействием, что повышает точность защиты. Непосредственное управление вторым параллельным шунтирующим элементом 45 от узла обратной связи обеспечивает ограничение перенапряжения на выходе стабилизатора с высокой точностью на уровне номинального. При этом отсутствует настройка защиты от перенапряжения, что существенно упрощает эксплуатацию стабилизатора.

Формула изобретения

Стабилизатор постоянного напряжения с защитой от перенапряжений, содержащий регулирующий элемент, включенный в одну из силовых шин, узел обратной связи,входом подключенньш к выходным выводам, а выходом - к управляющему входу регулирующего элемента, первый параллельный шунтирующий элемент, подключенный силовыми выводами к выходным выводам,.отключающий элемент, включенный последовательно с регулирующим элементом, триггерно-блокировочный узел, выходом блокировки соединенный с управляющим входом регулирующего элемента, датчик тока нагрузки, выходом подключенный к первому входу триггерно-блокировочного узлад узел задержки, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности и помехоустойчивости при одновременном упрощении настройки защиты от перенапряжений, вве р.ены второй параллельный шунтирующий элемент, силовые выводы которого подключены к выходным выводам, управляющий вход соединен с выходом узла обратной связи и выход состояния соединен через узел задержки с вторым входом триггерно-блокировочного узла, логический элемент который первым входом соединен с выходом состояния второго параллельного шунтирующего элемента, вторым входом соединен с выходом состояния триггерно-блокировочного узла и выходом - с управляющим входом первого параллельного шунтирующего элемента.

ГЩг/п г-п

-fs4+ttH -H

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в тиристорных компенсаторах реактивной мощности, электроприводах постоянного и переменного тока в качестве источника электропитания устройств управления, регулирования и защиты. Цель - повышение точности и помехоустойчивости при одновременном упрощении настройки защиты от перенапряжений. Цель достигается тем, что в режиме перегрузки по току датчик тока 14 через триггерно-блокировочный узел 20 запирает регулирующий элемент 1 с "защелкой", ограничивая ток нагрузки до нуля. При повышении выходного напряжения выше номинального узел обратной связи 2 вырабатывает на выходе сигнал рассогласования, запирающий регулирующий элемент 1. 1 ил.