Устройство для защиты нагрузки от перенапряжений Советский патент 1992 года по МПК H02H3/24 H02H7/10 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение преимущест- венно для защ иты различного рода радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений в питающей сети переменного тока.

Известно устройство для стабилизации переменного напряжения, которое содержит первый и второй регулирующие элементы, нагрузку, блок управления в составе двух датчиков амплитуды напряжения и двух пороговых элементов.

Основной недостаток данного устройства состоит в пониженном КПД, поскольку силовые транзисторы в регулирующих элементах работают в активном режиме.

Известно устройство для стабилизации переменного напряжения, которое содержит два регулирующих элемента, нагрузку, блок управления в составе датчика амплитуды напряжения питания и порогового элемента, а также датчика действующего значения напряжения.

Основной недостаток указанного устройства состоит в пониженном КПД, поскольку транзистор во втором регулирующем элементе работает в активном режиме.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, которое содержит первый и второй ключевые элементы, нагрузку, а также блок управления, включающий в себя датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент, первый двух- полупериодный выпрямитель и первый управляющий транзистор. При этом первый ключевой элемент включает в себя первый и второй транзисторы, зашунтированные включенными встречно силовыми диодами и трансформатор, первичная обмотка которого использована в качестве упрзвляюще- го входа первого ключевого элемента. Вторичная обмотка трансформатора снабжена двумя симметричными отводами, к которым подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов, базы которых соединены с крайними выводами той же вторичной обмотки. Коллекторы первого и второго силовых транзисторов использо- ваны в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого ключевого элемента, Второй ключевой элемент включает в себя силовой транзистор и диодный мост, выводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых выводов. При этом в диагональ постоянного тока диодного моста включен силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого использован в качестве управляющего входа второго ключевого элемента. При этом

первый силовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения к первой шине питания переменного тока, вход датчика амплитуды напряжения питания предназначен для подключения к первой и второй шинам питания переменного тока, а его выход через пороговый элемент соединен с базой первого управляющего транзистора. Вход первого двухполупери- одного выпрямителя подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, Параллельно выходу первого двухполупери- одного выпрямителя включены последовательно управляющий вход второго ключевого элемента и цепь коллектора первого управляющего транзистора. Силовые выводы второго ключевого элемента присоединены параллельно нагрузке.

Основным недостатком известного устройства является пониженный КПД ввиду

наличия сквозного тока, который возникает во время переходного процесса запирания первого и отпирания второго ключевых элементов, и наоборот.

Целью изобретения является повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, содержащее первый и второй ключевые элементы и блок управления,

включающий в себя датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент, первый двухполупериодный выпрямитель и первый управляющий транзистор, при этом первый ключевой элемент включает в себя

первый и второй силовые транзисторы, зашунтированные включенными естречно силовыми диодами, а также трансформатор, первичная обмотка которого использована в качестве управляющего входа первого

ключевого элемента, вторичная обмотка снабжена двумя симметричными отводами,

к которым подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов, базы которых соединены с крайними выводами той же вторичной обмотки, коллекторы первого и второго силовых транзисторов использо- ваны в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого ключевого элемента, второй ключевой элемент включает в себя силовой транзистор и диодный мост, выводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых выводов, при этом в диагональ посто- янного тока диодного моста включен силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого использован в качестве уп- равляющего входа второго ключевого элемента, первый силовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения к первой шине питания переменного тока, вход датчика амплитуды напряжения питания предназначен для подключения к первой и второй шинам питания переменного тока, а его выход через пороговый элементсоединен с базой первого управляющего транзистора, вход первого двухполупериодного выпрямителя подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, параллельно выходу первого двухполупериодного выпрямителя включены последовательно управляющий вход второго ключевого элемента и цепь коллектора первого управляющего транзистора, введены первый и второй трансформаторы тока, второй и третий двухполупериодчые выпрямители, силовой трансформатор и второй управляющий транзистор, при этом второй управляющий транзистор включен параллельно управляющему входу второго ключевого элемента, первый и второй силовые выводы которого предназначены для подключения к первому выводу нагрузки и к второй шине питания соответственно через вторичную обмотку силового трансформатора и первичную обмотку первого трансформатора тока, вторичная обмотка последнего через второй двухполупериод- ный выпрямитель включена в цепь базы первого управляющего транзистора, второй силовой вывод первого ключевого элемента подключен к первому выводу нагрузки и к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора через первичную обмотку второго трансформатора тока, его вторичная обмотка через третий двухполу- периодный выпрямитель включена в цепь базы второго управляющего транзистора, при этом второй вывод первичной обмотки силового трансформатора подключен к первому силовому выводу первого ключевого элемента.

На фиг,1 показана принципиальная электрическая схема устройства для защиты нагрузки от перенапряжений; на фиг.2 - эквивалентная схема цепи нагрузки при запирании первого ключевого элемента и отпирании второго; на фиг.З - временные диаграммы напряжений.

Устройство для защиты нагрузки от перенапряжений содержит первый 1 и второй 2 ключевые элементы, нагрузку 3 (например, с индуктивной реакцией), блок 4 управления, включающий в себя датчик 5 амплитуды напряжения питания, пороговый элемент 6, первый двухполупериодный выпрямитель 7 и первый управляющий транзистор 8. Датчик 5 содержит трансформатор 9 и двухполупериодный выпрямитель 10, подключенный своим входом к вторичной обмотке трансформатора 9.

Первый ключевой элемент 1 включает в себя первый 11 и второй 12 силовые транзисторы, зашунтированные включенными встречно силовыми диодами 13 и 14, трансформатор 5 с первичной 16 и вторичной 17 обмотками, причем первичная обмотка 16 использована в качестве управляющего входа первого ключевого элемента 1 Вторичная обмотка 17 снабжена двумя симметричными отводами, к которым подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов 11 и 12, базы которых соединены с крайними выводами вторичной обмотки 17. Коллекторы первого 11 и второго 12 силовых транзисторов использованы в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого ключевого элемента.

Второй ключевой элемент 2 включает в себя силовой транзистор 18 и диодный мост 19, выводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых выводов. В диагональ постоянного тока диодного моста 19 включен силовой транзистор 18, база-эмиттерный переход которого использован в качестве управляющего входа второго ключевого элемента 2 При этом первый силовой вывод первого ключевого элемента 1 (коллектор транзистора 11) предназначен для подключения к первой шине 20 питания переменного тока. Вход датчика 5 амплитуды напряжения питания (первичная обмотка трансформатора 9) предназначен для подключения к первой 20 и второй 21 шинам питания переменного тока с напряжением En. Выход датчика 5 (выход выпрямителя 10) через пороговый элемент 6 (например, в виде стабилитрона) соединен с базой первого управляющего транзистора 8. Вход первого двухполупериодного выпрямителя 7 подключен к управляющему входу первого ключевого элемента 1 (т.е. к первичной обмотке 16 трансформатора 15). Параллельно выходу первого двух- полупериодного выпрямителя 7 включены последовательно управляющий вход второго ключевого элемента 2 (база-эмиттерный переход транзистора 18) и цепь коллектора первого управляющего транзистора 8 (промежуток коллектор-эмиттер). В устройство введены первый 22 и второй 23 трансформаторы тока, второй 24 и третий 25 двухполупеоиодные выпрямители, силовой трансформатор 26 с первичной 27 и вторичной 28 обмотками и второй управляющий транзистор 29. Трансформатор 15 может быть снабжен обмоткой 30 обратной связи, подключенной через резистор 31 к шинам 20 и 21 питания. Параллельно ба- за-эмиттерным переходам транзисторов 8, 18 и 29 включены резисторы 32-34. Параллельно обмотке 27 трансформатора 26 в ряде случаев может быть включен конденсатор 35,

При этом второй управляющий транзистор 29 включен параллельно управляющему входу второго ключевого элемента 2, первый и второй силовые выводы которого предназначены для подключения к первому выводу нагрузки 3 и к второй шине 21 питания соответственно через вторичную обмотку 28 силового трансформатора 26 и первичную (токовую) обмотку первого трансформатора 22 тока. Вторичная обмотка последнего через второй двухполупери- одный выпрямитель 24 включена в цепь базы первого управляющего транзистора 8. Второй силовой вывод первого ключевого элемента 1 (коллектор транзистора 12) подключен к первому выводу нагрузки 3 и к первому выводу первичной обмотки 27 силового трансформатора 26 через первичную (токовую) обмотку второго трансформатора 23 тока. Его вторичная обмотка через третий двухполупериодный выпрямитель 25 включена в цепь базы второго управляющего транзистора 29. При этом второй вывод первичной обмотки 27 силового трансформатора 26 подключен к первому силовому выводу первог ключевого элемента 1 (к коллектору транзистора 11).

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения Еп переменного тока на шины 20 и 21 через обмотку 30 обратной связи у трансформатора 15 и резистор 31 начинается протекание тока. Во время положительного полупериода напряжения Еп на крайней левой секции обмотки 17 возникает напряжение, насыщающее транзистор 11 (обмотки 17 и 30 включены согласно). Одновременно на правой секции обмотки 17 возникает напряжение, удерживающее транзистор 12 в запертом состоянии (фиг.З а, кривая I), Ток протекает

через транзистор 11, среднюю секцию обмотки 17, диод 14, первичную (токовую) обмотку трансформатора 23 и нагрузку 3. На выходе датчика 5 амплитуды образуется напряжение Eg в виде положительных пол0 уволн синусоиды; амплитуда напряжения Еб пропорциональна амплитуде напряжения питания Еп. Если напряжение Еп не превышает допустимую величину, то ES соответственно не превышает значения Ее отпирания

5 порогового элемента 6 (фиг.36, кривая I), Транзистор 8 в этих условиях остается запертым, и к нагрузке 3 прикладывается практически полное напряжение Ез Еп (фиг.З е, кривая I).

0 Протекание тока нагрузки 3 через среднюю секцию обмотки 17 поддерживает ток базы транзистора 11 (протекающий через левую крайнюю секцию той же обмотки) пропорциональным текущей величине тока

5 нагрузки. Во время отрицательного полупериода напряжения питания направление тока через обмотку 30 и резистор 31 изменяется на противоположное: как следствие, насыщается уже транзистор 12, а

0 транзистор 11 запирается. Ток протекает теперь от шины 21 через нагрузку 3, первичную (токовую) обмотку трансформатора 23, транзистор 12, среднюю секцию обмотки 17 трансформатора 15 и диод 13 к шине 20.

5 При протекании тока нагрузки через токовую обмотку трансформатора 23 на выходе выпрямителя 25 образуется напряжение, обеспечивающее открытое состояние транзистора 29, который шунтирует база-эмит0 терный переход транзистора 18. В результате ключевой элемент 2 остается запертым и не влияет на работу устройства, Ток через первичную (токовую) обмотку трансформатора 22 не протекает, а выпря5 митель 24 оказывается обесточенным по входу.

При возникновении перенапряжения в питающей сети, когда напряжение Еп возрастает до величины ЕПм (фиг.За; кривая II),

0 напряжение ES в течение интервала времени Ti, T2 превышает порог Ее срабатывания порогового элемента 6 (фиг,36, кривая II). Элемент 6 отпирается, и на базу транзистора 8 в течение интервала Ti, T2 подаются

5 отпирающие импульсы Ее (фиг.Зв) При этом обмотки 16 и 17 у трансформатора 15 закорачиваются через выпрямитель 7, последовательно с которым включены открытые база-эмиттерный переход транзистора 18, шунтирующий его транзистор 29 и насыщенный транзистор 8. В результате ключевой элемент 1 в течение интервалов времени Ti,T2 надежно запирается. Когда процесс выключения транзистора 11 (или 12) в начале интервала Ti,T2 заканчивается, протекание тока через токовую обмотку трансформатора 23 прекращается, чем достигается обесточивание выпрямителя 25 и запирание транзистора 29. Отпирание транзистора 18 оказывается, таким образом возможным только после полного запирания силового транзистора 11 (или 12), чем практически исключается возможность протекания сквозного тока. Напряжение EI на запертом ключевом элементе 1 в интервале времени Ti,Ta.возрастает(фиг.Зг, кривая II); оно оказывается приложенным через понижающий трансформатор 26 и ключевой элемент 2 к нагрузке 3, так что напряжение Ез на ней приобретает форму, показанную на фиг.З д (кривая II).

Эквивалентная схема цепи для интервала времени Тч.Та, когда ключевой элемент 1 заперт, а ключевой элемент 2 открыт, показана на фиг.2, где 2з - полное сопротивле- ние нагрузки 3; п - коэффициент трансформации трансформатора 16. Из эквивалентной схемы фиг.2 следует, что отношение А напряжений Ез и Еп равно

Z3 1(1)

Zs + ri Zs 1 + n

т

Для того, чтобы при перенапряжении в сети (когда напряжение в ней достигает величи- ны Епм) амплитуда напряжения на нагрузке 3 не превышала допустимой величины Езм, согласно соотношению (1) необходимое значение коэффициента трансформации равно:

0 5 0

5

0

0

щая величина напряжения Еп становится вновь равной максимально допустимой величине Езм (фиг.З б,д). Однако отпирание ключевого элемента 1 в этих условиях окажется возможным только после полного окончания процесса запирания ключевого элемента 2 и прекращения протекания тока через токсгвую обмотку трансформатора 22. В результате обеспечивается практически полное исключение возможности для протекания сквозного тока аналогично тому, как это имело место в начале интервала Ti,T2. Как следствие повышается КПД устройства,

Как видно из фиг.2 и 3 д, перепад напряжения AEi на ключевом элементе 1 оказывается сравнительно небольшим по сравнению с существующим в известном устройстве: величина Л EI определяется из соотношения:

ЛЕ1 ЕПм(1 -n) E3M(1 -п), (3)

где со- круговая частота напряжения питания;

cuTi arccos (Езм/Епм). Так, полагая согласно нормам для сети 115 В 400 Г Епм 254 В, Езм 177 В, откуда из соотношений (2) и (3) получаем п 0,66 и ЛЕ-| 58 В. Уменьшение величины перепада напряжения AEi способствует облегчению режима выключения силовых транзисторов 11,12 и 18 в ключевых элементах 1 и 2, что способствует повышению надежности. Одновременно уменьшаются коммутационные потери энергии.

Положительный техническим эффект от использования предлагаемого устройства состоит в практически полном устранении возможностей для протекания сквозного тока, что дает выигрыш в величине КПД.

Сущность изобретения1 устройство содержит два ключевых зШиеНт а 1, 2, нагрузку 3, блок управления 4, состоящий из датчика амплитуды напряжения питания 5, порогового элемента 6. двухполупериодно- го выпрямителя 7 и управляющего транзистора 8. В устройство введены два трансформатора тока 22, 23, а также два дополнительных двухполупериодных выпрямите- ля 24, 25, силовой трансформатор 26 и

п

yl -AM

Ам

где AM Езм/Епм 1 (фиг.З д).

Таким образом, ток через нагрузку 3 в начале интервала времени Ti,T2 не прерывается, поэтому заметных всплесков напряжения, вызванных ЭДС самоиндукции, в нагрузке 3 и в элементах устройства не возникнет. Подавлению остаточных всплесков способствует наличие конденсатора 35, включенного параллельно первичной оо- мотке 27 трансформатора 26.

В течение интервалов времени Ti,T2 протекание тока через токовую обмотку трансформатора 22 вызывает появление напряжения на выходе выпрямителя 24, которое поддерживает транзистор 8 в открытом состоянии вплоть до момента Т2, когда текуФормула изобретения Устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, содержащее первый и второй ключевые элементы, а также блок управления, включающий датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент, первый двухполупериодный выпрямитель и первый управляющий транзистор, причем первый ключевой элемент включает первый и второй силовые транзисторы, за- шунтированные включенными встречно силовыми диодами, трансформатор, первичная обмотка которого использована в

качестве управляющего входа первого ключевого элемента, а вторичная обмотка снабжена двумя симметричными отводами, к которым подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов, базы которых соединены с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, коллекторыпервбго и второго силовых транзисторов использованы в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого ключевого элемента, второй ключевой элемент включает силовой транзистор и диодный мост, выводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых выводов, причем в диагональ посто- я. ни pro тока диодного моста включен силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого использован в качестве управляющего входа второго ключевого элемента, при этом первый силовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения к первой шине питания переменного тока, вход датчика амплитуды напряжения питания предназначен для подключения к первой и второй шинам пи- тания переменного тока, а его выход через пороговый элемент соединен с базой первого управляющего транзистора, выход первого двухполупёриодного выпрямителя подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, параллельно выходу первого двухполупериодного выпрямителя включены последовательно управляющий вход второго ключевого элемента и цепь коллектора первого управляющего транзи-

Фиа.2

стора, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены первый и второй трансформаторы тока, второй и третий двухполупериодные выпрямители, силовой трансформатор и второй управляющий транзистор, причем второй управляющий транзистор включен параллельно управляющему входу второго ключевого элемента, первый и второй силовые выводы которого предназначены для подключения к первому выводу нагрузки и к второй шине питания соответственно через вторичную обмотку силового трансформатора и первичную обмотку первого трансформатора тока, вторичная обмотка которого через второй двухполупериодный выпрямитель включена в цепь базы первого управляющего транзистора, второй силовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения, к первому выводу нагрузки и подключен к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора через пер: вичную обмотку второго трансформатора тока, вторичная обмотка которого через третий двухполупериодный выпрямитель включена в цепь базы второго управляющего транзистора, При этом второй вывод первичной обмотки силового трансформатора подключен к первому силовому выводу первого ключевого элемента,

f)

о

Ti

«;

$1

фцЈ. 3