Устройство защиты источника питания Советский патент 1993 года по МПК H02H3/20 

crop, первый вывод которого подключен к эмиттеру третьего транзистора, второй базе второго транзистора и второму выводупер- вого конденсатора, третий конденсатор, диод, замыкающий контакт переключателя, замыкающий вывод которого соединен сбазой третьего транзистора, вторым выводом третьего конденсатора и катодом диода, нагрузку, первый вывод которой подключен к общему выводу замыкающего контакта переключателя, коллектору второго транзистора и вторым выводам второго конденсатора и второго резистора, второй вывод нагрузки соединен с анодом диода, вторым выводом третьего резистора и общей шиной источника питания.

Известен блок защиты, содержащий полюс и общую шину источника питания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, первый стабилитрон, замыкающий контакт кнопки, конденсатор, операционный усилитель, прямой вход которого подключен к второму выводу пятого резистора, первому выводу шестого резистора, замыкающемуся выводу замыкающего контакта кнопки и пер.вому выводу конденсатора,-второй вывод которого соединен с общим выводом замыкающего контакта кнопки, анодом первого стабилитрона, общей шиной HCTOviHHKa питания, вторым выводом третьего резистора, первым выводом четвертого резистора.и вторым выводом питания операционного усилителя, первый вывод питания которого соединен с первым выводами второго и пятого резисторов, вторым выводом первого резистора и катодом первого стабилитона, диод, анод которого подключен к второму выводу второго резистора, первому выводу третьего резистора и инверсному входу операционного усилителя, второй стабилитрон, катод которого соединен с выходом операционного усилителя, седьмой резистор, первый вывод которого подключен к аноду второго стабилитрона, восьмой резистор, первый транзистор, база которого соединена с вторым выводом седьмого резистора, второй транзистор, коллектор которого подключен к полюсу источника питания, первому выводу первого резистора первому выводу восьмого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором первого транзистора и базой второго транзистора, нагрузку, первый вывод которой подключен к эмиттеру второго транзистора и катоду диода, второй вывод нагрузки соединен с эмиттером первого транзистора, вторым выводом шестого резистора и первым выводом четвертого резистора.

Наиболее близко к предлагаемому устройство защиты нагрузки, содержащее первую и вторую шины питания, первый и

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

второй резисторы, датчик тока, первый вывод которого подключен к второй шине питания, третий и четвертый резисторы, конденсатор, первый компаратор, прямой вход которого соединен с первым выводом конденсатора, вторым выводом третьего резистора и первым выводом четвертого резистора, исполнительный блок, содержащий из пятого резистора, транзистора, к базе которого подключен второй вывод пятого резистора, реле, второй вывод обмотки которого соединен с коллектором транзистора, шестого резистора, первый вывод которого подключен к первому выводу обмотки реле, вход исполнительного блока - первый вывод пятого резистора соединен с выходом первого компаратора, второй компаратор, выход которого подключен к первому выво ду первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и инверсным входом первого компаратора, седьмой резистор, второй вывод которого соединен с вторыми выводами

. питания первого и второго копараторов, эмиттером транзистора исполнительного облока, вторым выводом второго резистора и вторым выводом конденсатора, восьмой резистор, второй вывод которого подключен к прямому входу второго компаратора, инверсный вход которого соединен с первым выводом седьмого резистора, вторым выводом девятого резистора, первый вывод которого подключен к первым выводам питания первого и второго компараторов, первому выводу третьего резистора, первой шине питания и первому выводу размыкающегося контакта реле исполнительного блока, второй вывод которого соединен с вторым выводом шестого резистора исполнительного блока, первым выводом восьмого резистора и первым выводом нагрузки, второй вывод которой подключен к вторым выводам четвертого резистора и датчика тока.

Недостатком данного устройства является невозможность защиты от кратковременных исчезновений переменного напряжения. Цель изобретения - получение возможности защиты от кратковременных исчезновений переменного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство защиты источника питания, содержащее первый резистор, второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, нулевую шину источника питания, которая подключена к второму выводу второго резистора, компаратор, исполнительный блок, вход которого соединен с выходом компаратора, введены первый и второй пороговые элементы, ключ, интегратор, сигнальная шина и

шины переменного напряжения, которые подключены к входам первого порогового элемента и входам второго порогового элемента, выход которого соединен с входом ключа, выход которого подключен к второму выводу первого резистора, первый вывод которого соединен с выходом первого порогового элемента, сигнальной шиной и входом интегратора, выход которого подключен к входу компаратора.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 приведены примеры выполнения интегратора и компаратора.

Устройство защиты источника питания содержит первый пороговый элемент 1, вто- 4 рой пороговый элемент 2, ключ 3, к входу которого подключен выход порогового элемента 2, первый резистор 4, второй резистор 5, первый вывод которого соединен с вторым выводом резистора 4 и выходом ключа 3, нулевую шину источника питания

6. которая подключена ко второму выводу резистора 5, интегратор 7, компаратор 8, вход которого соединен с выходом интегратора 7, исполнительный блок 9, к пходу которого подключен выход компаратора 8, сигнальную шину 10, которая соединена с выходом порогового элемента 1, первым выводом резистора 4 и входом интегратора

7. шины переменного напряжения 11, которые подключены к входам пороговых элементов 1 и 2.

Пороговые элементы 1 и 2 (фиг.1) предназначены для контроля величины переменного напряжения на шинах 11, пороговый элемент 1 открывается при величине напряжения на шинах 11, превосходящей первое установленное значение (допустим, 180 В), пороговый элемент 2 открывается при величине напряжения на шинах 11, превосходящей второе установленное значение (допустим, 200 В).

Пороговый элемент 1 (пример выполнения) - фиг.1 содержит выпрямитель 12, к входам которого подключены входы порогового элемента 1, конденсатор 13, стабилитрон 14, катод которого соединен с первым выводом конденсатора 13 и с первым (выходом положительного напряжения) выходом выпрямителя 12, резистор 15, первый вывод которого подключен к аноду стабилитрона 14, оптрон 16, первый вывод которого соединен со вторым выводом резистора 15, а второй-с вторым выводом конденсатора 13 и вторым (выходом отрицательного напряжения) выходом выпрямителя 12, резистор 17, первый вывод которого подключен к третьему выводу оптрона 16, четвертый вывод которого соединен с выходом порогового элемента 1, положительный полюс источника питания 18, который подключен к первому выводу резистора 17.

Пороговый элемент 2 (пример выполнес ния) - фиг.1 содержит выпрямитель 19, конденсатор 20, стабилитрон 21, катод которого соединен с первым выводом конденсатора 20 и первым (выходом положительного напряжения) выходом выпрямителя 19, резистор 22,

Q первый вывод которого подключен к аноду стабилитрона 21, оптрон 23, первый вывод которого соединен с вторым выводом резистора 22, а второй - с вторым выводом конденсатора 20 и вторым (выходом отрица15 тельного напряжения) выходом выпрямителя 19, резистор 24, стабилитрон 25, катод которого подключен к нулевой шине источника питания б, отрицательный полюс источника питания 26, который соединен с

Q первым выводом резистора 24, второй вывод которого подключен к аноду стабилитрона 25 и третьему выводу оптрона 23, четвертый вывод которого соединен с выходом порогового элемента 2, входы которого

5 подключены ко входам выпрямителя 19.

Ключ 3 (пример выполнения) - фиг.1 предназначен для закорачивания резистора 5. Ключ 3 содержит конденсатор 27, резистор 28, транзистор 29, затвор которого подл ключей к первым выводам конденсатора 27 и резистора 28 и входу ключа 3, выход которого соединен со стоком транзистора 29, исток которого подключен к вторым выводам конденсатора 27 и резистора 28 и нуле5 вой шине источника питания 6.

Исполнительный блок 9 (пример выпо- ленния) - фиг.1 предназначен для отключения основного источника питания, если переменное напряжение на шинах 11 исче0 зает на время, большее соответствующей задержки, отрабатываемой устройством. Исполнительный блок 9 содержит усилитель 30, вход которого соединен с входом исполнительного блока 9, реле 31, первый вывод

5 которого подключен к выходу усилителя 30, второй вывод реле 31 соединен с полюсом источника питания 18. Отключение основного источника питания производится контактом реле 31 (на чертеже не показан).

0

Интегратор 7 (фиг.2) содержит резистор

32, первый вывод которого подключен к входу интегратора 7, резистор 33, первый вывод которого соединен с нулевой шиной 5 источника питания б, операционный усилитель 34, к прямому входу которого подключен

.; второй вывод резистора 33, конденсатор 35, первый вывод которого соединен с вторым

-выводом резистора 32 и инверсным входом операционного усилителя 34, выход которого подключен к второму выводу конденсатора 35 и выходу интегратора 7, положительный полюс источника питания 18 соединен с выводом положительного напряжения питания операционного усилителя 34, вывод отрицательного напряжения питания которого подключен к нулевой шине источника питания 6.

Компаратор 8 (пример выполнения) - фиг.2 предназначен для определения больше или меньше его входное напряжение установленной величины - порога сравнения, Компаратор 8 (фиг.2) содержит резистор 36, транзистор 37, база которого подключена к второму выводу резистора 36, первый вывод которого соединен с входом компаратора 8, резистор 38, стабилитрон 39, катод которого подключен к эмиттеру транзистора 37 и вторым выводом резистора 38, первый вывод которого подключен к эмиттеру транзистора 40 и положительному полюсу источника питания 18, резистор 41, первый вывод которого соединен с коллектором транзистора 40 и выходом компаратора 8, второй вывод резистоар 41 подключен к аноду стабилитрона 39 и нулевой шине источника питания 6..

Конденсаторы 13 и 20 предназначены для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителей 12 и 19 соответственно, их емкость выбирается такой, чтобы сглаженные пульсации не влияли на работу цепей - первый выход выпрямителя 12-стабилитрон 14 - резистор 15 - светодиод оптро на 16 - второй выход выпрямителя 12 и первый вывод выпрямителя 19 - стабилитрон 21 - резистор 22 - светодиод оптрона 23 - второй выход выпрямителя 19 соответственно,

Стабилитрон 14, сопротивление резистора 15 и оптр.он 16 выбираются таким образом, чтобы пробой стабилитрона 14 происходил при переменном напряжении на шинах 11, равном первой установленной величине напряжения Ui, допустим 180 В.

Стабилитрон 21, сопротивление резистора 22 и оптрон 23 выбираются таким образом, чтобы пробой стабилитрона 21 происходил при переменном напряжении на шинах 11 равном второй установленной величине напряжения Ua, допустим 200 В.

Стабилитрон 25 выбирается таким, что- бы не превысить допустимого запирающего напряжения на затворе транзистора 29.

Емкость конденсатора 27 выбирается такой, чтобы время его разряда после закрытия транзистора оптрона 23 было больше, чем большее время задержки сигнала отключения исполнительного блока 9,

Резистор 17 предназначен для защиты от короткого замыкания транзистора оптрона 16 и его сопротивление выбирается t300- 500 Ом.

Величины сопротивлений резисторов 4 и 5, сопротивление резистора 32 и емкости

5 конденсатора 35 интегратора 7 и тип стабилитрона 39 компаратора 8 выбираются таким, чтобы при уменьшении переменного напряжения на шинах 11 ниже величины Ui или при его исчезновении схема из интегра0 тора 7 и компаратора 8 при закороченном резисторе 5 обеспечивала меньшую установленную задержку сигнала отключения исполнительного блока 9 (и, соответственно, основного источника питания), а при не5 закороченном резисторе; 5 обеспечивала большую установленную задержку сигнала отключения исполнительного блока 9. Например, при величинах задержки 20 мс и 40 мс их величины следующие:

0емкость конеднсатора 35 0,12 мкф, сопротивления резисторов RA 300 кОм, RS 330 кОм и R32 30 кОм,

Источник питания с положительным полюсом 18, нулевой шиной 6 и отрицатель5 ным полюсом 26 является источником питания только предлагаемого устройства и выполняется в виде либо гальванической батареи, либо аккумулятора, либо по схеме буферного источника питания. Основной ис0 точник питания, для защиты которого предназначено предлагаемое устройство на чертеже не показан, этот источник питания запитывается от переменного напряжения, которое подается на шины 11, а включается

5 и выключается исполнительным блоком 9.

Принцип действия устройства защиты источника питания.

Устройство контролирует переменное напряжение и в зависимости от его величи0 ны перед исчезновением или перед моментом уменьшения ниже величины Ui вырабатывает сигнал отключения основного источника питания с различной задержкой. Если величина переменного напряжения пе5 -ред моментом уменьшения ниже величины Ui или перед исчезновением больше Ui, но меньше U2, устройство задерживает сигнал отключения основного источника питания на меньшее время, если же переменное на0 п ряжение перед моментом уменьшения ниже величины Ui или перед исчезновением больше U2 устройство задерживает сигнал отклюяения основного источника питания на большее время. Кроме того, в момент

5 уменьшения ниже величины Ui или исчезновения переменного напряжения выдается сигнал, который запрещает пе- ректоч ения в питаемых от основного источника схемах,

Устройство защиты источника питания работает следующим образом.

При отсутствии переменного напряжения на шинах 11 и включении питания устройства пороговые элементы 1 и 2 закрыты. На выходе порогового элемента 2 напряжение 0 В (напряжению нулевой шины источника питания 6), ключ 3 открыт и резистор 5 закорочен. На выходе порогового элемента 1 и на входе интегратора 7 напряжение имеет отрицательную полярность по отношению к средней точке - половине напряжения питания с полюсом 18 и нулевой шиной 6, поэтому на выходе интегратора 7 появляется линейно-нарастающее напряжение положительной полярности по отношению к средней точке, достигающее величины, близкой к +Е - нарпяжению полюса 18 источника питания. Так как напряжение порога срабатывания компаратора 8 ниже напряжения на его входе, на выходе компаратора 8 имеется напряжение, близкое к +Е, и исполнительный блок 9 отключен (реле 31 обесточено).

При подаче на шины 11 переменного напряжения, величина которого больше первого установленного значения Ui открывается пороговый элемент 1, и на его выходе и на входе интегратора 7 появляется напряжение положительной по отношению к средней точке полярности, конденсатор 35 интегратора 7 начинает перезаряжаться - напряжение на его выходе начинает линейно уменьшаться и.через время, определяемое постоянной времени , достигает значения, близкого к О В (напряжению нулевой шины 6 источника питания). В момент, когда напряжение на выходе интегратора 7 и соответственно на входе компаратора 8 станет меньше его порога сравнения на выходе компаратора 8 скачком появляется напряжение, близкое к О В, исполнительный блок 9 включается (включается реле 31) и разрешается включение основного источника питания. Кроме того, положительное напряжение с выхода порогового элемента 1 поступает на шину 10 сигнализируя отом, что появилось переменное напряжение на шинах 11.

При превышении переменным напряжением на шинах 11 второго установленного значения (200 В) открывается пороговый элемент 2 м напряжение отрицательного полюса 26 источника питания поступает на затвор транзистора 29 ключа 3 и закрывает его, кроме того, заряжается конденсатор 27 ключа 3. Прекращается закорачивание резистора 5.

Если величина переменного напряжения на шинах 11 становится меньше второго

установленного значения Lh. но не меньше первого установленного значения Ui, пороговый элемнет 2 закрывается, в ключе 3 конденсатор 27 разряжается через резистор 28. 5После разряда конденсатора 27 на за- творетранзистора 29 устанавливается нулевое напряжение, транзистор 29 открывается, и резистор 5 закорачивается.

При уменьшении переменного напря0 жения на шинах 11 ниже Ui или при его исчезновении в том случае, если его величина до момента уменьшения или исчезновения была больше U2, при этом резистор 5 не закорочен, т.к. конденсатор 27 ключа 3 за5 ряжен и отрицательное напряжение на этом конденсаторе удерживает транзистор 29 закрытым, закрываются пороговые элементы 1 и 2. На выходе порогового элемента 1 и на входе интегратора 7 появляется отрица0 тельное по отношению к средней точке напряжение, конденсатор 36 интегратора 7 начинает перезаряжаться - напряжение на его выходе начинает линейно возрастать и через время, определяемое постоянной вре5 мени Та (Нз2 + Ri + RS) С, достигает величины, близкой к + Е. В момент, когда напряжение на выходе интегратора 7 и входе компаратора 8 становится больше порога сравнения, компаратор 8 открывается и на его выходе

0 появляется напряжение, близкое к +Е. Исполнительный блок 9 отключается (обесточивается реле 31) и отключает основной источник питания.

Кроме того, отрицательное напряжение

5 с выхода порогового элемента 1 поступает на шину 10, сигнализируя об исчезновении переменного напряжения на шинах 11.

При уменьшении переменного напряжения на шинах 11 ниже значения Ui или

0 при его исчезновении в том случае, если его величина до момента уменьшения или исчезновения была больше значения Ui, но меньше Us, при этом резистор 5 закорочен, т.к. конденсатор 27 ключа 3 разряжен и ну5 левое напряжение на затворе транзистора 29 удерживает его открытым, закрывается пороговый элемент 1. На выходе порогового элемента 1 и на входе интегратора 7 появляется отрицательное по отношению к

0 средней точке напряжение, конденсатор 35 интегратора 7 начинает перезаряжаться - напряжение на его выходе начинает линейно возрастать и через время, определяемое постоянной времени гз (R32 + Ri)C,

5 достигает величины, близкой к +Е. В момент, когда напряжение на выходе интегратора 7 и на входе компаратора 8 становится больше порога срабатывания, компаратор 8 открывается и на его выходе появляется напряжение, близкое к + Е, Исполнительный блок 9 отключается (обесточивается реле 31) и отключается основной источник питания. Кроме того, как в предыдущем случае, отрицательное напряжение с выхода порогового элемента 1 поступает на шину 10, сигнализируя об исчезновении переменного напряжения на шинах 11.

Если до окончания перезаряда конденсатора 35 интегратора 7 на шинах 11 появляется переменное напряжение, срабатывает пороговый элемент 1 и на его выходе, на сигнальной шине 10 и на входе интегратора 7 появляется положительное по отношению к средней точке напряжение и напряжение на выходе интегратора 7 начинает линейно уменьшаться и достигает величины, близкой к О В,

Таким образом, в зависимости от величины переменного напряжения на шинах 11 перед его уменьшением ниже значения Ui или исчезновением меняется сопротивление цепи перезаряда конденсатора 35 интегратора 7 и, соответственно, меняется постоянная времени перезаряда и скорость изменения напряжения на выходе интегратора 7, а, т.к. компаратор 8 имеет постоянный порог сравнения, то меняется и время задержки сигнала отключения. В том случае, если величина переменного напряжения на шинах 11 перед его уменьшением ниже значения Ui или исчезновения была больше значения Ui, но меньше Ite задержка, как указывалось выше, равна гз , а в случае, если величина переменного напряжения была больше U2 задержка равна TI . Например, при указанных выше значениях R4 - 300 кОм, RS 330 кОм, Кз2 30 кОм и С 0,12мкФ получаем, что Г2 0,12-(30+ 300 + 330) -10 3 с 0,12 -660 0,0792 с. а гз 0,12 -(30 + 300) с 012-330-

0,0396 с, т.е. Г2 2 Гз , соответственно и задержка сигнала отключения исполнительного блока 9 в том случае, если величина переменного напряжения на шинах 11/ieред уменьшением ниже значения Ui, или перед исчезновением была больше значения Ui, но меньше значения U2, в два раза меньше, чем в том случае, когда его величина была больше U2. Если же время исчезновения переменного напряжения на шинах 11 меньше соответствующего времени задержки, то исполнительный блок 9 не отключается, и не отключается также основной истчоник питания.

Кроме того, т.к. напряжение на выходе интегратора 7 изменяется по линейному закону, то и точность отработки установленных величин задержки будет выше, чем при использовании элементов задержки, у которых время задержки определяется зарядом и разрядом конденсатора (т.к. напряжение на конденсаторе меняется по экспоненциальному закону).

Таким образом, с одной стороны, устройство обеспечивает выдачу сигнала об исчезновении переменного напряжения, что позволяет запретить переключение элементов (например, элементов памяти и др.) и выдачу ложных команд устройствами, питаемыми от основного источника питания, а с другой стороны обеспечивает уменьшение числа отключений основного источника питания, не допуская снижения постоянного напряжения на выходе основного источника

питания ниже допустимого значения, т.к. задержка сигнала отключения основного источника питания соответствует тому диапазону значений переменного напряжения, в котором оно находилось перед исчезновением.

Формула изобретения Устройство защиты источника питания, содержащее первый резистор, второй резистор, первый вывод которого соединен с вторым выводом первого резистора, нулевую шину источника питания, которая под- ключена к второму выводу второго резистора, компаратор, исполнительный блок, вход которого соединен с выходом компаратора, отличающееся тем, что, с целью получения возможности защиты от кратковременных исчезновений переменного напряжения, в него введены первый и второй пороговые элементы, ключ, интегратор, сигнальная шина и шины переменного напряжения, которые подключены к входам первого порогового элемента и к входам второго порогового элемента, выход которого соединен с входом ключа, выход которого подключен к второму выводу первого резистора, первый вывод которого соединен с выходом первого порогового элемента, сигнальной шиной и входом интегратора, выход которого подключен к входу компаратора.

/

Г

« ь

I O-C

Hfi

НЬ4

l.

&3

$Ъг.2