Устройство для токовой защиты источника вторичного электропитания постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G05F1/573 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты стабилизаторов и преобразователей напряжения постоянного тока от перегрузки по току.

Известны линейные стабилизаторы напряжения постоянного тока с устройствами защиты от перегрузок по току.

Недостаток этих схем заключается в большом дрейфе порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды.

В схеме, приведенной в работе, например, рис. 10.5.е, сравниваются падение напряжения на резисторе дополнительного делителя напряжения, подключенного параллельно переходу база-эмиттер регулирующего транзистора и датчике тока, с

одной стороны, с падением напряжения на резисторе основного делителя напряжения, подключенного к промежуточному выводу дополнительного делителя напряжения, и переходе база-эмиттер защитного транзистора, с другой стороны.

Недостаток этой схемы заключается в следующем.

Напряжение на резисторах первого делителя напряжения, подключенного параллельно переходу база-эмиттер регулирующего транзистора, изменяется в соответствии с дрейфом напряжения этого перехода.

При стабильных резисторах датчика тока и делителей напряжения стабильность порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды завиV|00

со

СП

о

со

сит от температурного дрейфа переходов база-эмиттер регулирующего и защитного транзисторов. Так как в качестве регулирующего и защитного транзисторов используются, как правило, транзисторы, разные по типу и по мощности, то, из-за разного температурного дрейфа переходов база-эмиттер этих транзисторов, порог срабатывания защиты при перегрузке по току значительно меняется при изменении температуры окружающей среды. Наиболее близким прототипом в сравнении с предлагаемым устройством является устройство для токовой защиты, описанное в заявке № 4777748/07 (002081) от 04 января 1990 г. 2.

Недостаток в указанном в заявке устройстве для токовой защиты источника вторичного электропитания постоянного тока заключается в зависимости тока короткого замыкания источника от напряжения узла обратного смещения. Ток I кз короткого замыкания источника питания, в котором применено устройство для токовой защиты, описанное в заявке № 4777748/07 (002081), с достаточной точностью определяется формулой (а):

. Убэз + U° см - Un 1КЗ

КД

ибэз-ип +.и°см

Кд

Вд

(а)

где Убэз - напряжение перехода база-эмиттер защитного транзистора;

U°CM - напряжение узла обратного смещения

Un - напряжение полупроводникового перехода;

Рд - сопротивление датчика тока.

Из приведенной формулы (а) видно, что зависимость тока короткого замыкания источника питания от напряжения узла обратного смещения определяется

U° соотношением

Целью изобретения является повышение надежности источника вторичного элек- тропитания постоянного тока путем уменьшения тока короткого замыкания и повышение надежности предлагаемого источника путем повышения стабильности порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды/ Повышение надежности источника вторичного электропитания постоянного тока путем уменьшения тока короткого замыкания достигается тем, что в устройстве для

защиты источника вторичного электропитания постоянного тока, содержащем датчик тока; включенный в одну из выходных шин для подключения источника электропита-ния, защитный транзистор, Коллектор которого соединен с цепью блокировки управляющего органа источника электропитания, делитель напряжения, первый крайний вывод которого соединен с другой

0 выходной шиной для подключения источника электропитания, а промежуточный вывод - к базе защитного транзистора, полупроводниковый переход, одноименный по проводимости с переходом база-эмиттер

5 защитного транзистора, и узел прямого смещения, включенный последовательно с полупроводниковым переходом, причем точка соединения узла прямого смещения с полупроводниковым переходом подключена ко

0 второму крайнему выводу делителя напряжения., а свободный вывод полупроводнико- .вого перехода подключен к первому выводу датчика тока, эмиттер защитного транзистора соединен со вторым выводом датчика

5 тока, а напряжение Un полупроводникового перехода по отношению к напряжению Убэз перехода база-эмиттер защитного транзи- , стора связано соотношением Un 1)бээ.

Повышение надежности предлагаемого

0 устройства путем повышения стабильности порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды достигается тем, что в предлагаемое устройство введен дополнительный делитель напряже5 ния, включенный параллельно полупроводниковому переходу, причем-второй крайний вывод основного делителя напряжения подключен к точке соединения узла прямого смещения с полупроводниковым переходом

Q через одно из плеч дополнительного делителя напряжения, напряжение Кд на втором плече которого связано с напряжением Обэз перехода база-эмиттер защитного транзистора соотношением ид УбэзВ сравнении с известным устройством защиты, в предлагаемом устройстве нет зависимости порога срабатывания защиты и тока короткого замыкания от напряжения узла обратного смещения.

Предлагаемое устройство обеспечивает ток короткого замыкания меньше на величи, U°CM ну IKS -Б- в сравнении с известным

Кд

устройством защиты.

За счет уменьшения тока короткого замыкания надежность источника вторичного электропитания постоянного тока с предложенным устройством для токовой защиты повышается.

5

0

5

Повышение стабильности порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды позволяет установить ток перегрузки источника вторичного электропитания постоянного уровня на минимально необходимом уровне, что также повышает надежность источника.

Изобретение иллюстрируется схемами, приведенными на фиг. 1-6.

На фиг. 1-6 показано включение предлагаемого устройства в линейном стабилизаторе, в импульсном стабилизаторе и преобразователе напряжения.

Линейный стабилизатор на фиг. 1 содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, делитель напряжения на резисторах 3 и А, полупроводниковый переход 5, узел 6 прямого смещения и управляющий орган, включающий в себя схему 7 сравнения и регулирующий элемент на транзисторе 8.

Импульсный стабилизатор на фиг, 2 содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, делитель напряжения на резисторах 3 и 4, полупроводниковый переход 5, узел 6 прямого смещения и управляющий орган, включающий в себя широтно-импульсный модулятор 7, транзистор 8, дроссель 9, диод 10 и конденсатор 11.

Преобразователь напряжения на фиг. 3 содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, делитель напряжения на резисторах 3 и 4, полупроводниковый переход 5, узел 6 прямого смещения, и управляющий орган, включающий в себя широтно-импульсный модулятор 7, конденсаторы 8, 9, трансформатор 10, транзисторы 11,12 и выпрямитель 13.

Линейный стабилизатор на фиг. 4 содержит датчик 1 тока, защитны и транзистор 2, основной делитель напряжения на резисторах 3 и 4 дополнительный делитель напряжения на резисторах 5 и 6, полупроводниковый переход 7, узел 8 прямого смещения, и управляющий орган, включающий в себя схему 9 сравнения и регулирующий элемент на транзисторе 10. В качестве полупроводникового перехода 7 используется переход база-эмиттер транзистора, однотипного с защитным транзистором 2.

Импульсный стабилизатор напряжения постоянного на фиг. 5 содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, основной делитель напряжения на резисторах 3 и 4, дополнительный делитель напряжения на резисторах 5 и б, полупроводниковый переход 7, узел 8 прямого смещения и управляющий орган, включающий в себя широтно-импульсный модулятор 9, транзистор 10, дроссель 11, диод 12 и конденсатор 13.

Преобразователь напряжения постоянного тока на фиг. 6 содержит датчик 1 тока, 5 защитный транзистор 2, основной делитель напряжения на резисторах 3 и 4, дополнительный делитель напряжения на резисторах 5 и 6, полупроводниковый переход 7, узел 8 прямого смещениями управляющий

0 орган, включающий в себя шмротно-импуль сный модулятор 9, конденсаторы 10 и 11, трансформатор 12, транзисторы 13,14 и выпрямитель 15.

Схема на фиг. 1 работает следующим

5 образом.

В схеме на фиг. 1 сравниваются суммы напряжений на полупроводниковом переходе 5 и датчике 1 тока, с одной стороны, и на резисторе 3 и переходе база-эмиттер за0 щитного транзистора 2. с другой стороны. При отсутствии перегрузки по току и при выполнении соотношения Un Убэз защитный транз истор 2 закрыт и не влияет на работу стабилизатора.

5 При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, через резистор 3 на базу защитного транзистора 2 Подается открывающий потенциал, защит0 ный транзистор 2 открывается, шунтируется переход база-эмиттер транзистора 8, тран зистор 8 начинает закрываться, уменьшаются выходное напряжение UH и закрывающий потенциал, подаваемый через резистор 4 на

5 базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии при небольшом токе нагрузки на выходе стабилизатора.

Ток управления 1упр, подаваемый от схемы 7 сравнения на регулирующий транзил стор 8, обычно имеет незначительную величину, коллекторный ток защитного транзистора 2 также мал. Ток управления, подаваемый в базу защитного транзистора 2, еще на порядок меньше коллекторного

5 тока защитного транзистора 2. За счет малого тока, протекающего через резистор 3, падение напряжения на этом резисторе 3 примерно на порядок меньше напряжений база-эмиттер защитного транзистора 2. поэтому в расчете величины тока короткого

0

5

замыкания падение напряжения на резисторе 3 можно не учитывать.

С учетом этого, ток из короткого замыкания в схеме фиг. 1 определяется формулой 0):

i Убэз Un

1кз-К

Д

(б)

При выполнении соотношения Un Убэ и при отсутствии перегрузки на выходе стабилизатора защитный транзистор 2 закрыт, тем самым обеспечивается выход стабилизатора в режим стабилизации при включении стабилизатора. При выполнении этого же соотношения обеспечивается возврат стабилизатора в режим стабилизации напря- жения при снятии перегрузки по току.

Схема на фиг. 2 работает следующим образом.

В схеме на фиг. 2. так же, как и в схеме на фиг. 1 сравниваются падение напряжения на полупроводниковом переходе 5 и датчике 1 тока, с одной стороны, и резисторе 3 и переходе база-эмиттер защитного транзистора 2, с другой стороны. При выполнении соотношения Un ибэз и отсутствии перегрузки при включении стабилизатора защитный транзистор 2 закрыт и не влияет на работу стабилизатора, при этом стабилизатор входит в режим стабилизации напряжения.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, защитный транзистор 2 открывается, сигнал с транзистора 2 подается на широтно-импульсный модулятор 7, уменьшается ширина импульсов, подаваемых на транзистор 8, уменьшатся выходное напряжение UH и закрывающий потенциал, подаваемый через резистор 4 на базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии, широтно-импульсный модулятор 7 вырабатывает управляющие импульсы минимальной длительности, уменьшается ток нагрузки, уменьшается мощность рассеивания на транзисторе 8. При снятии перегрузки по току транзистора 2 закрывается, не влияет на работу широтно-импульсного модулятора 7, стабилизатор возвращается в режим стабилизации напряжения.

Ток короткого замыкания в схеме на фиг. 2 также определяется формулой (б)

Схема на фиг. 3 работает аналогично схеме на фиг. 2.

Сравниваются суммы напряжений на полупроводниковом переходе 5 и датчике 1 тока, с одной стороны, и резисторе 3 и переходе база-эмиттер защитного транзистора 2, с другой стороны. При выполнении соотношения Un Убэз и отсутствии перегрузки на выходе преобразователя защитный транзистор 2 закрыт и не влияет на работу преобразователя напряжения, при этом преобразователь входит в режим стабилизации напряжения.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значений увеличивается падение

напряжения на датчике 1 тока, защитный транзистор 2 открывается, сигнал с транзистора 2 подается на широтно-импульсный модулятор 7, уменьшается ширина импульсов, подаваемых с широтно-импульсного модулятора 7 на транзисторы 11 и .уменьшается выходное напряжение UH и закрывающий потенциал, подаваемый через резистор 4 на базу защитного транзистора

0 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии, широтно-импульсный модулятор 7 вырабатывает управляющие импульсы минимальной длительности, уменьшаются ток нагрузки и мощность рассеивания на преоб5 разователе напряжения. При снятии перегрузки по току транзистор 2 закрывается, не влияет на работу широтно-импульсного модулятора 7, преобразователь возвращается в режим стабилизации напряжения,

0 Ток1 короткого замыкания в схеме на фиг. 3 определяется формулой (б).

Схема на фиг. 4 работает следующим образом,

В схеме на фиг. 4 сравниваются суммы

5 падений напряжений Ue на резисторе 6 и Ui датчике 1 тока, с одной стороны, и Us на резисторе 3 и Кбэз переходе база-эмиттер защитного транзистора 2. с другой стороны. Для исключения большого влияния тока 0д

о основного делителя напряжения на падение напряжения на резисторах 5 и б дополнительного напряжения при изменении выходного напряжения UH стабилизатора тока дд дополнительного делителя напря5 жения необходимо выбрать примерно на порядок больше тока Ьд. Без учета падения напряжения Уз на резисторе 3, которое в момент включения стабилизатора мало, для обеспечения закрытого состояния транзиQ стора 3 падение напряжения Ue на резисторе б должно быть меньше напряжения Убэз база-эмиттер, при котором транзистор 2 открывается. Если в качестве полупроводникового перехода 7 используется открытый

5 переход база-эмиттер транзистора, однотипного с защитным транзистором 2, то, в соответствии с входными характеристиками транзистора, напряжение Un на таком открытом полупроводниковом переходе 7

Q всегда больше напряжения ибэз, при котором защитный транзистор 2 открывается. Достижение соотношения Ue ибэз, при котором транзистор 2 закрыт, обеспечивается делением напряжения Un с помощью рези5

сторов 5 и 6.

При выполнении соотношения Ue ибэз в момент включения стабилизатора защитный транзистор 2 закрыт, не влияет на работу стабилизатора, и стабилизатор входит в режим стабилизации напряжения.

При увеличении напряжения на выходе стабилизатора через резистор 4 на базу транзистора 2 подается дополнительный запирающий потенциал,транзистор 2 остается закрытым и не влияет на работу стабилизатора при работе последнего в режиме стабилизации напряжения.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, через рези- стор 3 на базу транзистора 2 подается открывающий потенциал, защитный транзистор 2 открывается, часть тока 1уПр от схемы управления 9 протекает через открытый транзистор 2, уменьшается ток упр уп- равления, поступающий в базу транзистора 10, транзистор 10 закрывается, уменьшается выходное напряжение стабилизатора, уменьшается закрывающий потенциал, подаваемый через резисторы 4 на базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии, в стабилизаторе устанавливается такой ток нагрузки, при котором выдерживается соотношение Ue + Ui Us + Убэз. В режиме короткого замыкания, когда напряжение на выходе стабилизатора равно нулю, падение напряжения Ш на резисторе 3 мало, и ток из короткого замыкания с достаточной точностью можно определить по формуле (в):

КЗ

Цбэз - U6 Ra

Выбирая падение напряжения Ue на рези- сторе 6 близким к напряжению 11бэз, можно получить ток короткого замыкания близким к нулевому значению.

При снятии перегрузки по току уменьшается падение напряжения на датчике 1 тока, транзистор 2 закрывается, и стабилизатор напряжения возвращается в режим стабилизации напряжения

Схема на фиг. 5 работает следующим образом.

Элементы делителей напряжения на резисторах 3...6 выбираются из тех же соотношений, которые описаны для схемы фиг. 4. В схеме на фиг. 5, так же. как и в схеме на фиг. 4, сравниваются падения напряжений на резисторе 6 и датчике 1 тока, с одной стороны, и резисторе 3 и переходе база- эмиттер защитного транзистора 2, с другой стороны. При выполнении соотношения Ue 1)бэз в момент подачи напряже- ния UBX на вход стабилизатора транзистор 2 закрыт и не влияет на режим работы стабилизатора, при этом стабилизатор входит в режим стабилизации напряжения.

510 1520 25до

35

40

45

,-Q ,-,.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, через резистор 3 на базу транзистора 2 подается открывающий потенциал, транзистор 2 открывается, сигнал с транзистора 2 подается на широтно-импульсный модулятор 9, уменьшается ширина импульсов, подаваемых на транзистор 10, уменьшаются выходное напряжение UH и закрывающий потенциал подаваемый через резистор 4 на базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии, широтно-импульсный модулятор 9 вырабатывает импульсы минимальной длительности, уменьшаются ток нагрузки и мощность рассеивания на транзисторе 10, Ток короткого замыкания в импульсном стабилизаторе на фиг. 5 определяется также формулой (в) После снятия перегрузки по току уменьшается пёдение напряжения на датчике 1 тока, транзистор 2 закрывается, увеличивается, ширина импульсов, подаваемых от широт- но-импульсного модулятора 9 на транзистор 10, стабилизатор возвращается в режим стабилизации напряжения.

Схема на фиг. 6 работает следующим образом. Элементы делителей напряжения на резисторах 3...6 выбираются из соотношений, описанных для схемы фиг. 4. В схеме на фиг. 6, так же, как в схемах на фиг. 4 и 5, сравниваются падения напряжений на резисторе б и датчике 1 тока, с одной стороны, и резисторе 3 и переходе база-эмиттер транзистора 2, с другой стороны. При выполнении соотношения Ue 1)бэз в момент подачи напряжения UBx на преобразователь транзистор 2 закрыт и не влияет на работу преобразователя напряжения, при этом преобразователь напряжения входит в режим стабилизации напряжения.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, на базу транзистора 2 подается открывающий потенциал, транзистор 2 открывается, сигнал с транзистора 2 подается на широтно-импульсный 9, уменьшается ширина импульсов, подаваемых с широтно-импульсного модулятора 9 на транзисторы 13 и 14, уменьшаются выходное напряжение UH и закрывающий потенциал, подаваемый через резистор 4 на базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии, широтно-мпульсный модулятор 9 вырабатывает импульсы минимальной длительности, уменьшаются ток нагрузки и мощность, рассеиваемая на транзисторах 13 и 14. Ток |Кз короткого замыкания в преобразователе на фиг. 6 определяется формулой (в) После

смятия перегрузки по току уменьшается падение напряжения на датчике 1 тока, транзистор 2 закрывается, увеличивается ширина импульсов, подаваемых от широт- но-импульсного модулятора 9 на транзисто- ры 13 и 14, преобразователь напряжения возвращается в режим стабилизации напряжения.

При выборе полупроводникового перехода 7 с температурным дрейфом, гналогич- ным дрейфу перехода база-эмиттер защитного транзистора 2, что легче достигается при использовании в качестве полупро- водникового перехода 7 перехода база-эмиттер транзистора, однотипного с защитным транзистором 2, обеспечивается порог срабатывания защиты, более стабильный при изменении температуры окружающей среды в сравнении со схемами, приведенными нз фиг 1,2,3

Формула изобретения 1 Устройство для токовой защиты источника вторичного электропитания постоянного тока, содержащее датчик тока, включенный в одну из выходных шин для подключения источника электропитания защитный транзистор, коллектор которого соединен с цепью блокировки управляюще- го органа источника электропитания, дели- тель напряжения, первый крайний ВЫРОД которого соединен с другой выходной шиной для подключения источника электропитания, а промежуточный вывод - к базе защитного транзистора полупроводнике-

5 5

вый переход, одноименный по проводимости с переходом база-эмиттер защитного транзистора, и узел прямого смещения, включенный последовательно с полупроводниковым переходом, причем точка соединения узла прямого смещения с полупроводниковым переходом подключены к второму крайнему выводу делителя напряжения, а свободный вывод полупроводникового перехода подключен к первому выводу датчика тока, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности путем уменьшения тока короткого замыкания, эмиттер защитного транзистора соединен с вторым выводом датчика тока, а напряжение Un полупроводникового перехода по отношению к напряжению Убэз перехода база-эмиттер защитного транзистора связано соотношением Un Убзз.

2. Устройство поп 1,отличающее с я тем, что, с целью повышения надежности путем повышения стабильности порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды, в него введен дополнительный делитель напряжения, включенный параллельно полупроводниковому переходу, причем второй крайний вывод основного делителя напряжения подключен к точке соединения узла прямого смещения с полупроводниковым переходом через одно из плеч дополнительного дели тола напряжения, напряжение и д на втором плече которого связано с напряжением Убзз перехода база-эмиттер защитного транзистора соотношением ид Убэз.

.Использование: для защиты стабилизаторов и преобразователей напряжения от перегрузки по току. Сущность изобретения: устр-во содержит датчик тока, включенный в одну из выходных шин, защитный транзистор, цепь блокировки управляющего органа источника электропитания, делитель напряжения, полупроводниковый переход одной проводимости с переходом база-эмиттер защитного транзистора, и узел прямого смещения. Эмиттер защитного тра Нзистора соединен с одним из выводов датчика тока. Напряжение Un - полупроводникового перехода и 11бэз база-эмиттер защитного транзистора относятся как Un ибэз. При этом значительно уменьшается ток к.з. Для повышения стабильности порога срабатывания защиты при изменении температуры в устр-во может быть введен дополнительный делитель напряжения, подключаемый параллельно полупроводниковому переходу. При этом напряжения ид на одном из плеч дополнительного делителя и Убэз относятся как 1)д 11бэз. 1 з п. ф-лы, 6 ил. Ё

гх

г 2

дазддззддлзсд бе

тта I

Фие.З

$U8.fy

Фиг. 5

$uiti