Устройство для защиты стабилизатора напряжения от перегрузок по току Советский патент 1992 года по МПК G05F1/569 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания для защиты стабилизаторов постоянного напряжения.

Известны стабилизаторы постоянного напряжения с внутренней токовой защитой, в которых предельно допустимое напряжение между входом и выходом может быть меньше входного напряжения 1.

Однако не существует эффективных устройств защиты стабилизаторов от токовой перегрузки или к.з. на выходе, которые не снижают надежности и защитных свойств стабилизаторов, что не позволяет таким стабилизаторам найти широкое применение в различной технике.

Известны устройства защиты стабилизаторов с использованием плавкого предохранителя 2, 3. Однако такие устройства не защищают стабилизаторы с описанными свойствами, поскольку за время сгорания плавкого предохранители, равного несколько десятков или сотен миллисекунд, стабилизатор успевает выйти из строя.

Известно устройство защиты стабилизатора, содержащее датчик тока, управляющий ключевым элементом из тиристора и транзистора, который включен последовательно с защищаемым стабилизатором 4.

4 СЛ СО Jsw О

Однако такое устройство снижает надежность системы стабилизатор плюс защита в нормальных режимах эксплуатации стабилизатора. Это происходит потому, что в таком устройстве защиты используется последовательный со стабилизатором активный элемент защиты, который не только сложен по конструкции и изменяет характеристики стабилизатора, но и пропускает по- стоянно через себя весь ток нагрузки стабилизатора.

Известно также устройство защиты, в котором используют последовательный защитный стабилизатор напряжения, через который включает защищаемый стабилизатор 5.

Однако такое устройство, хотя и обладает необходимым быстродействием для защиты от кратковременных перегрузок, имеет малую надежность защиты при долговременных перегрузках по току. Это связа- жэ с тем, что в режиме перегрузки на последовательном защитном стабилизаторе падает полностью разность входного и порогового напряжений, что при большом значении аварийного тока приводит к очень значительному выделению тепла в регулирующем элементе последовательного стабилизатора, и он выходит из строя. Кроме того, при долговременной перегрузке в защищаемом стабилизаторе за время перегрузки выделяется значительная энергия, что также отражается на надежности стабилизатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для защиты стабилизатора напряжения от перегрузок по току, содержащее плавкий предохранитель и форсирующий узел в виде шунтирующего вход стабиямзатора ключевого тиристора 6.

Наличие в устройстве форсирующего узла, уменьшающего время сгорания плавкого предохранителя, увеличивает быстродействие срабатывания устройства защиты в несколько раз по сравнению с известными устройствами, однако и оно явно недостаточно для предотвращения пробоя регулирующего элемента стабилизатора, поскольку мощный ключевой тиристор имеет большую задержку включения, достигающую десятков и сотен микросекунд, и в течение %того промежутка времени, а также в течение времени сгорания плавкого предохранителя, через стабилизатор течет аварийный ток перегрузки при напряжении на нем больше максимального допустимого значения и это выводит регулирующий элемент стабилизатора из строя.

Цель изобретения - повышение надежности.

Поставленная цель Достигается тем, что в устройстве для защиты стабилизатора напряжения от перегрузок по току, содержащем плавкий предохранитель, одним выводом соединенный с выводом для подключения источника питания, выводы для подключения входа и выхода стабилизатора

0 напряжения и форсирующий узел, последний выполнен на параллельном стабилизаторе напряжения, состоящем из регулирующего элемента, ограничительного элемента и блока сравнения, входы срав5 нения которого подсоединены к выходам для подключения входа и выхода стабилизатора напряжения, вход опоры соединен с выводом для подключения источника порогового напряжения, а выход - с управляю0 щйм входом регулирующего элемента, причем ограничительный элемент включен между вторым выводом плавкого предохранителя и выводом для подключения входа стабилизатора напряжении.

5 На фот. 1 приведена структурная схема устройстве защиты стабилизатора напряжения; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие функционирование известного и предлагаемого устройств.

0 Устройство для защиты стабилизатора 1 содержит плавкий предохранитель 2 и форсирующий узел в виде параллельного стабилизатора 3, состоящего из регулирующего элемента 4, ограничительного элемента 5 и

5 блока 6 сравнения. Регулирующий элемент 4 может быть в виде мощного транзистора, а ограничительный элемент 5 - в виде низ- коомного резистора.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Напряженнее шины источника питания Un поступает через плавкий предохранитель 2 и ограничительный резистор 5 на вход защищаемого стабилизатора 1 напря5 жения. Блок б сравнения сравнивает разность входного напряжения UBx и выходного напряжения Овых стабилизатора 1 с пороговым напряжением Unop. При перегрузке выхода стабилизатора 1 по току, т.е.

0 когда ток нагрузки н превышает ток срабатывания (пор внутренней защиты стабилизатора 1, происходит возрастание между входом и выходом стабилизатора 1 Ли. При превышении этим напряжением порогового

5 значения Unop на выходе блока 6 сравнения вырабатывается сигнал, который переводит транзистор регулирующего элемента 4 из режима неглубокой отсечки в активный режим. При этом блок 6. регулирующий элемент 4 и ограничительный элемент 5

образуют параллельный входу стабилизатор, который ограничивает входное напряжение стабилизатора 1 иВхнауровне Unop + иных. Значение напряжения Unop выбирают исходя из того, чтобы оно не могло превысить максимально допустимое напряжение Умакс между входом и выходом стабилизатора 1. В результате ограничения входного напряжения UBX напряжение A U не может достигнуть значения 11макс и, следовательно, не может произойти пробоя стабилизатора 1 по напряжению. Одновременно с ограничением форсирующий узел в виде параллельного стабилизатора 3 резко увеличивает ток потребления от шины ис- точника питания Un, что обеспечивает форсирование сгорания плавкого предохранителя 2 и обесточивание стабилизатора 1. Значение сопротивления ограничительного элемента 5 RS выбирают таким чтобы амплитуда импульса тока через регулирующий элемент 4 не превысила максимально допустимое значение тока 1Макс для применяемого транзистора, но была бы гораздо больше тока срабатывания плавкого предохранителя 2 1Пр. Кроме того, к сопротивлению резистора 5 RS предъявляются также такие требования, чтобы падение напряжения на нем при номинальном токе нагрузки стабилизатора 1 Ном было заметно меньше минимального падения напряжения на стабилизаторе 1 Упад. Все эти условия реализации устройства можно выразить в виде следующих соотношений:

Unop UwaKC,

R5(Un-Unop)/lMaKC;

R5 « (Un-Unop)/(lnp- Inop);

RS : Unafl/lnoMСравним напряжения и токи в стабилизаторе при использовании двух устройств защиты: по прототипу и по предлагаемому устройству (фиг. 2 и 3). Предположим, что сопротивление нагрузки стгбтизатора RM меняется от номинального зьзчзния РномДО нуля. При этом ток нагрузки h /заличивает- ся от значения Ном до порогового значения Inop. В момент времени, когда Уном tnop. начинает уменьшаться напряжение на выходе стабилизатора 1 ивых вследствие действия внутренней защиты стабилизатора и при RH 0 оно также становится равным нулю. Поскольку в известном устройстве (фиг. 2) в течение времени, пока плавкий предохранитель не сгорел, входное напряжение стабилизатора U6x остается относи- тельно постоянным, то напряжение между входом и выходом Д U растет с момента падения выходного напряжения ивых до момента полного замыкания нагрузки и может

достигнуть значения ALMJkxMJh. В момент времени, когда напряжение Ли достигнет значения Unop, в известном устройстве открывается ключевой элемент и резко увеличивается ток через него и плавкий предохранитель, тем самым форсируя его сгорание. Однако, поскольку плавкий предохранитель обладает большой инерционностью, то отключение шины источника питания Un от стабилизатора задерживает ся на время ТПр и напряжение между входом и выходом стабилизатора Ли успевает повыситься много выше значения Unop вплоть до уровня Un. который значительно больше максимального допустимого напряжения имакс, и стабилизатор выходит из строя. В то же время, в предлагаемом устройстве (фиг. 3) при достижении напряжением Аи ния Unop начинает действовать на входное напряжение U8x параллельный стабилизатор напряжений, который за счет падения напряжения на ограничительном резисторе в соответствии с уменьшением выходного напряжения ивых удерживает напряжение A U на уровне Unop. Входное напряжение UBX при этом уменьшается.за счет увеличения тока через цепь от шины источника питания, состоящую из плавкого предохранителя и ограничительного резистора, что одновременно обеспечивает фор- сирование сгорания плавкого предохранителя. Форсирующий ток через плавкий предохранитель в предлагаемом устройстве значительно меньше, чем в известном, и предохранитель сгорает немного позже, однЈкс при наличии ограничения входного напряжения UBx это не выводит стабилизатор яа пределы области безопасных режимов работы (A U имакс), и он сохраняет овою работоспособность после простой замены сгоревшего плавкого предохранит . ч. Наличие ограничительного элемента рчде резистора, включенного последовательно с плавким предохранителем, позволяет уменьшить амплитуду импульса тока через регулирующий элемент защиты и /стсчник питания как минимум на порядок г,с .1..авнению с известным устройством защиты, что благоприятно отражается на надежности системы источник питания - стабилизатор напряжения с- защитой.

В ходе проверки предложенного устройства защиты на конкретном стабилизаторе с выходным напряжением 40 В, входным напряжением 60 В и максимально допустимым напряжением между входом и выходом 30 В установлено следующее. При выборе порогового напряжения равным 24

В. что меньше максимально допустимого, указанный стабилизатор, который построен на микросхеме типа КР142ЁН8В и дополнительном стабилитроне типа КС224Ж, выдержал не менее 200 коротких замыканий выхода, в то время как организаций защиты по известному устройству приводит стабилизатор к пробою через 1-5 коротких замыканий выхода.

Применение предложенного устройства защиты позволяет использовать в стабилизаторах более низковольтные активные элементы, например микросхемы, и позволяет уменьшить себестоимость стабилизаторов постоянного напряжения или расширить их диапазон входных и выходных напряжений. Это позволяет расширить возможности применения стабилизаторов, имеющих токовую защиту, но обладающих малыми предельно допустимыми напряжениями между входом и выходом стабилизатора.

Ui

Формула изобретения Устройство для защиты стабилизатора напряжения от перегруЗок по току, содержащее плавкий предохранитель, одним выводом соединенный с выводом для подключения источника питания, выводы для подключения входа и выхода стабилизатора напряжения и форсирующий узел, отличающееся тем, что, с целью

повышения надежности, форсирующий узел выполнен на параллельном стабилизаторе напряжения, состоящем из регулирующего элемента, ограничительного элемента и блока сравнения, входы сравнения которого подсоединены к выводам для подключения входа и выхода стабилизатора напряжения, вход опоры соединен с выводом для подключения источника порогового напряжения, а выход- с управляющим входом регулирующего элемента, причем ограничительный элемент включен между вторым выводом плавкого предохранителя и выводом для подключения входа стабилизатора напряжения.

Использование: во вторичных источниках электропитания для надежной защиты стабилизаторов постоянного напряжения. Сущность изобретения: устр-во содержит плавкий предохранитель, выводы для подключения стабилизатора постоянного напряжения и форсирующий узел, выполненный на параллельном стабилизаторе напряжения. Форсирующий ток через плавкий предохранитель значительно меньше, чем в прототипе, и предохранитель сгорает немного позже. Однако при наличии ограничения входного напряжения это не выводит стабилизатор за пределы области безопасных режимов работы. 1 ил.

Nr±L, .

««г

Редактор И.Шмакова

Составитель М.Головченко

Техред М.МоргенталКорректор М.Максимишинец

J.

4 3