Импульсный стабилизированный источникпОСТОяННОгО НАпРяжЕНия C зАщиТОй Советский патент 1981 года по МПК G05F1/58 

(54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ

1

Изобретение относится кЭлектротехнике, в частности к импульсным вторичным источникам питания, снабженным системой защиты. Область применения - блоки питания радиоэлектронной аппаратуры.

В импульсных источниках питания построение защиты от перегрузки возможно не только путем анализа падения напряжения на датчике тока, которым может быть как активное, так и индуктивное сопротивление, но и другими путями, исключающими необходимость в таких датчиках 1.

Наиболее близким к данному изобретению является импульсный стабилизированный источник постоянного напряжения с защитой, содержащий последовательно включенные в силовую линию ключевой элемент и LCD-фильтр, блок управления ключевым элементом и блок защиты от перегрузки, одним из выводов подключенный к общей точке ключевого элемента и ЬС1)к)}ильтра и состоящий из последовательно включенных формирователя импульсов, селектора импульсов и исполнительного элемента 2.

Недостатком известного источника является невысокая точность порога срабатывания защиты.

Цель изобретения - повыщение точности защиты.

Это достигается тем, что в импульсном стабилизированном источнике 2 формирователь импульсов выполнен в виде расщирителя импульсов, синхронизируемого по заданному фронту импульсов ключевого элемента, при этом селектор импульсоз выполнен на эмиттерном повторителе, а исполнительный элемент - на оптроне, светодиод

fQ которого включен последовательно с резистором и диодом между эмиттером транзистора эмиттерного повторителя и общей точкой ключевого элемента и LCD-фильтра.

Для исключения зависимости порога срабатывания защиты от величины напряжения на входе источника расщиритель импульсов выполнен управляемым по длительности, например на фантастроне с коллекторной связью-в режиме преобразователя напряжение-время, управляющий вход которого через введенный делитель подключен

20 к входному выводу, причем одним из резисторов указанного делителя является фототранзистор или фотодиод оптрона, светодиод которого одним выводом через ограничительный резистор подключен к входному выводу, а другим - к выходному выводу. На фиг. 1 показана схема стабилизированного источника с зависимым порогом срабатывания защиты от уровня входного напряжения; на фиг. 2 -.эпюры напряжений в характерных точках его схемы; на фиг. 3 - схема источника с независимым от входного напряжения порогом срабатывания защиты (вариант); на фиг. 4 - эпюры, поясняющие принцип действия схемы, изображенной на фиг. 3. Источник содержит между входом и выходом источника последовательно соединенные ключевой элемент 1 и GZ фильтp 2, к ключевому элементу подключен блок 3 управления, соединенный по цепи обратной связи с выходом источника, блок 4 защиты от перегрузки, содержащий формирователь 5 импульсов, селектор импульсов (эмиттерный повторитель на транзисторе 6) и исполнительный элемент (тиристорный оптрон 7), светодиод которого последовательно с резистором 8 и диодом 9 включен между эмиттером транзистора 6 и общей точкой ключевого элемента 1 и ,СХ -фильтра 2. С этой же точкой через входную дифференцирующую цепь, состоящую из конденсатора 10 и резистора 11, соединен и вход формирователя 5 импульсов, его выход соединен с базой транзистора 6, коллектор которого соединен с общим проводом схемы источника. Эпюры 12 и 13 (фиг. 2) изображают импульсы на выходе ключевого элемента соответственно при малой нагрузке и больщой, причем большей предельно допустимой, т. е. превышающей порог срабатывания защиты. Эпюра 14 показывает вид выходных импульсов формирователя 5, а эпюра 15 - импульсов на крайних точках цепи, составленной из последовательно соединенных светодиода оптрона 7, диода 9 и резистора 8 при токе нагрузки, превышающем порог срабатывания защиты (при нагрузке, меньшей пороговой, эти импульсы отсутствуют). Управляющий вход формирователя 5 импульсов источника, показанного на фиг. 3, через делитель 16 подключен к входу источника. Делитель состоит из резистора 17 и фотоприемника оптрона 18. Светодиод этого оптрона через резистор 19 подключен между входом и выходо источника. На фиг. 4 эпюра 12 относится к ключевому элементу 1 для тех же условий (в части величины тока нагрузки и входного напряжения), что и эпюра 12 на фиг. 2. Эпюра 20 отображает изменение импульсов ключевого элемента при повышении напряжения сети (при неизменной нагрузке), а эпюры 21 и 22 - импульсы формирователя для тех же входных напряжений, к которым относятся соответственно эпюры 12 и 20. Формирователи 5 импульсов на фиг. 1 и 3 представляют собой соответственно заторможенный мультивибратор с эмиттерной времязадающей цепью (неуправляемый) и фантастрон с коллекторной связью в режиме преобразователя напряжения время (управляемый). В исходном положении на выходе формирователя 5 обоих вариантов источников имеется напряжение, по величине близкое к напряжению на входе источника (при данном типе проводимости их транзисторов - положительное). Воздействие импульса запуска (продифференцированного поЗаднему фронту импульса ключевого элемента) вызывает формирование импульсов (в данном случае - отрицательного), длительность которого определяется параметрами времязадающей цепи заторможенного мультивибратора на фиг. 1 или фантастрона на фиг. 3. Выходное напряжение формирователя прикладывается к базе транзистора 6 (селектор импульсов), являющегося эмиттерным повторителем. При появлении импульсов формирователя эмиттерный повторитель будет подготавливаться по базе, но ток его эмиттера возможен при одновременной подаче напряжения в цепь эмиттера (относительно коллектора). Возможность тока через этот транзистор и длительность его прохождения определяются временным соотношением импульсов в базовой и эмиттерной цепях транзистора. В этом и состоит принцип селекции по длительности, используемый в устройстве защиты предложенного источника. Изменение тока нагрузки вызывает посредством обратной связи через блок 3 управления прямо пропорциональное изменение длительности открытого состояния ключевого элемента, чем и обеспечивается стабилизация выходного напряжения. При этом следует отметить, что блок 3 управления должен работать по принципу щиротноимпульсной модуляции с постоянной частотой коммутации. Длительность импульсов формирователя 5 не зависит от тока нагрузки (эпюра 14 на фиг. 2). Поэтому, если ток нагрузки увеличится до такой степени, что после окончания импульса ключевого элемента последующий его импульс начнется раньше, чем окончится импульс формирователя 5, произойдет перекрытие части импульса ключевого элемента 1 и формирователя 5 импульсов и на время этого перекрытия (см. эпюру 15) будет существовать ток через светодиод оптрона 7, что обусловит подсвет и срабатывание его фототиристора, который, будучи подключ€;нным к той или иной цепи выклюТения источника, выполнит свою функцию исполнительного элемента защиты. Подключить фототиристор можно, например, параллельно стабилитрону - источнику опорного напряжения, всегда имеющемуся в составе блока 3 управления. Так как уменьшение опорного напряжения во всех типах стабилизаторов напряжения всегда приводит к уменьшению и выходного напряжения, а его выключение к резкому спаду выходного напряжения, то произойдет выключение источника и при его перегрузке. Чтобы вновь включить источник, нужно снять, а затем снова подать на него питание. Пока ток нагрузки не будет превышать порог срабатывания, т. е. пауза между импульсами ключевого элемента 1 будет превышать длительность импульсов формирователя, ток через светодиод оптрона будет отсутствовать и устройство защиты не будет влиять на процесс стабилизации. В устройстве по фиг. 1 производится слежение за граничной длительностью имОчевидно, что пульсов ключевого элемента. при этом величина порога срабатывания зашиты линейно зависит от уровня входного напряжения источника. Это не всегда желательно, потому что при повышении входного напряжения самовыключение источника станет возможным при значительно большем токе нагрузки, чем при номинальном, и тем более при пониженном напряжении. Вместе с тем здесь есть и положительная сторона; это устройство способно одновременно выполнять функцию зашиты по понижению выходного напряжения, вызванного понижением входного, так как при понижении последнего блок 3 управления, стремясь удержать выходное напряжение в заданных пределах, увеличивает длительность импульсов ключевого элемента, а значит и паузы между этими импульсами. Снова становится возможным перекрытие импульсов ключевого элемента и формирователя. Таким образом осуществляется самозащита по понижению напряжения, при этом положительно то, что самовыключение произойдет несколько раньше, чем начнется фактическое понижение выходного напряжения (при отсутствии такой защиты спад выходного напряжения начнется тогда, когда пауза между импульсами ключевого элемента исчезнет и он будет Все время открыт). Однако в тех случаях, когда указанная зашита не нужна или достигается другими средствами, а важно сохранять порог срабатывания зашиты по перегрузке при любом входном напряжении, следует изменять длительность импульсов формирователя, причем таким образом, чтобы она увеличивалась при повышении входного напряжения и уменьшалась при его понижении (так как одному и тому же току нагрузки соответствует меньшая длительность импульсов ключевого элемента при повышенном напряжении на входе источника и наоборот большая по пониженном). Это очень просто осуществить, применив в качестве формирователя известный преобразователь напряжениевремя - управляемый фантастрон (см. фиг. 3 и 4), где эпюрами 21 и 22 отражено изменение длительности импульсов формирователя (увеличение) при изменении (увеличении) напряжения на входе источника: эпюры 12 и 21 для импульсов соответственно ключевого элемента и формирователя - для номинального уровня входного напряжения, а эпюры 20 и 22 - для повышенного. Изменение длительности импульсов фантастрона вызывается изменением управляющего напряжения, происходящим ,за счет изменения сопротивления фотоприемника оптрона 18 при изменении тока через светодиод этого оптрона. Увеличение, например, входного напряжения источника приводит к увеличению тока светодиода, так как напряжение на выходе источника не изменяется (оно стабилизировано), а это обуславливает уменьшение сопротивления фотоприемника. Управляющее напряжение, подаваемое на фантастрон, увеличивается (отностельно общего провода фантастрона, с которым связаны эмиттеры его транзистора) и, соответственно, увеличивается длительность формируемых фантастроном импульсов. В случае уменьшения напряжения на входе источника изменение длительности импульсов фантастрона будет осуществляться в обратную сторону. Итак, в узлах устройства защиты предложенного источника не производится сравнение аналогичных величин, а только сравнение импульсов по временным параметрам (по длительности), и возможные изменения ампплитуды этих импульсов в довольно широких пределах не сказываются на точности защиты. Это и позволяет достичь поставленной цели. Точность защиты определяется только стабильностью длительности импульсов формирователя, а в варианте, представленном на фиг. 3, еще и стабильностью параметров оптронного диода, также влияющей на длительность импульсов, что же касается температурной нестабильности, то ее. можно компенсировать, применяя в качестве резистора 19 терморезистор. Что же касается селектора, то он вообще не вносит погрешность в определение порога срабатывания. Следует отметить, что может произойти срабатывание зашиты за счет того, что блок управления ключевым элементом, с самого начала стремясь обеспечить заданную величину выходного напряжения, полностью открывает ключевой элемент, не создавая в его работе пауз, пока напряжение на выходе не придет к номинальному значению. Но большая длительность импульсов ключевого элемента воспринимается блоком защиты как перегрузка, а это приводит к саамовыключению. Для предотвращения этого целесообразно задержать включение блока защиты на время переходных процессов при пуске. Такую задержку можно осуществить, например, с помощью реле времени, отрабатывающего выдержку с момента включения, до окончания которой реле времени будет препятствовать срабатыванию защити Можно применить и устройство автотатического включения защиты, работающее по принципу анализа кривой нарастания выходного напряжения источника и включающее защиту по выходу источника на номинальный режим. При использовании этого устройства включения защиты наиболее удобно включить его выходной тиристор последовательно в одну из шин питания устройства защиты. Формула изобретения I. Импульсный стабилизированный источник постоянного напряжения с защитой, содержащий последовательно включенные в силовую щину ключевой элемент и LCjyфильтр, блок управления ключевым элементом и блок защиты от перегрузки, одним из выводов подключенный к общей точке ключевого элемента и -СО-фильтра и состоящий из последовательно включенных формирователя импульсов, селектора импульсов и исполнительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности защиты, формирователь импульсов выполнен в виде расширителя импульсов, синхронизируемого по заднему фронту импульсов ключевого элемента, при этом селектор импульсов выполнен на эмиттерном повторителе, а исполнительный элемент на оптроне, светодиод которого включен последовательно с резистором и диодом между эмиттером транзистора эмиттерного повторителя и общей точкой ключевого элемента и /,(2)фильтра. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения зависимости порога срабатывания защиты от величины напряжения на входе источника, расширитель импульсов выполнен управляемым по длительности, управляющий вход которого через введенный делитель подключен к входному выводу, причем один з резисторов указан„QPQ делителя выполнен в виде оптрона, светодиод которого одним выводом через ограничительный резистор подключен к входному выводу, а другим - к выходному выводу. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Китаев В. Е., Левинзон С. В. Электрическая защита полупроводниковых источников питания. М., «Связь, 1977 рис. 3-20.а 2. Авторское свидетельство СССР № 542187, кл. G 05 F 1/58, 1975.

13

Фиг.г

Фиг.З

Фаг Л