Способ защиты от перегрузок и коротких замыканий источника питания постоянного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G05F1/58 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты источников питания посто-, янного тока от перегрузок и коротких замыканий. Известен способ защиту от перетрузок и коротких замыканий, например способ ограничения (стабилизации) тока перегрузки путем уменьшения напряжения питания на нагрузке til Однако он не обеспечивает полного отключения, напряжения питания, в результате чего в режиме перегрузки или короткого замыкания от источника питания потребляется значительная мощность, превышающая мощность, потребляемую в нормальном режиме работы tl1 Известен способ защиты от перегрузок и коротких замыканий источника питания постоянного тока, заключающийся в том, что при воздействии определенной перегрузки по току или короткого замыкания напряжение питания полностью отключают от нагрузки. В схеме происходит лавинообразной режим переключения из одного устойчивого состояния - вкгйоченного, в другое устойчивое состояние - выключенное. После исчезновения перегрузки или короткого замыкания повторное включение осуществляют следующим образом: сна- чала выключают, а затем рновь включают напряжение питания. Устройство для защиты от перегрузок и коротких замыканий источника питания постоянного тока, реализующее способ, содержит датчик-тока (используют для этой .цегм низкоомный резистор или регулирующий транаистор) и последовательно соединенный с ним регулирующий транзистор, пороговый усилитель постоянного тока, подключенный входом к датчику тока, а, вь1ходоЯ - к входу релейной схемы управления выключением регулирующего транзистора t2J Недостатком способа является наличие бросков тока, значительно превы399шающих заданный ток срабатывания защиты устройства на время отключения при воздействии короткого замыкания, так как переключение из одного устойчивого состояния - включенного, в дру гое устойчивое состояние - выключенное , длится определенный отрезок времени, в течение которого через регулирующий транзистор устройства проходит значительный неуправляемый ток короткого замыкания. Недостатком способа является также плохая помехозащищенность, так как кратковременные импульсные помехи по напряжению питания и по току могут со здать на датчике тока броски напряжения, приводящие к срабатыванию порогового усилителя и релейной схемы и выкт)чению напряжения питания. Поэтому для увеличения помехозащищенности в устройство вводят конденсаторы, уве личивающие его инерционность, что в конечном итоге приводит к увеличению времени отключения, а соответственно и длительности бросков тока при воздействии короткого замыкания. Недостатком способа является также большой ток включения, вызванный зарядом конденсаторов на выходе устройства (при активно-емкостной нагруз ке). Так как на датчике тока появля ется бросок напряжения, то может сработать защита устройства. Поэтому в устройство вводят специальные конденсаторы, которые отключают пороговый усилитель и релейную схему устройства на время воздействия тока включения. Это опять приводит к увеличению времени отключения и длительности бросков тока при воздействии короткого замыкания. Целью изобретения является исключение бросков тока за время отключения, увеличение помехозащищенности и ограничение тока включения. Эта цель достигается тем, что согласно способу защиты от перегрузок и коротких замыканий, основанному на отключении напряжения питания от нагрузки при достижении определенного тока перегрузки, в начальный момент воздействия перегрузки или короткого замыкания перед отключением предвари тельно стабилизируют ток перегрузки путем уменьшения напряжения питания на нагрузке до задаваемого порогового уровня отключения. 3 В устройстве для осуществления способа защиты от перегрузок и коротких замыканий, содержащем датчик тока и последовательно соединенный с ним регулирующий транзистор, пороговый усилитель постоянного тока на транзисторе, подключенном переходом эмиттер-база через диод источника опорного напряжения к датчику тока, и релейную цепь управления регулирующим транзистором, транзистор порогового усилителя постоянного тока подкгночен эмиттером к выходному выводу и датчику тока, коллектором - к эмиттеру и резистору в цепи эмиттера транзистора управляемого стабилизатора тока в цепи базового смещения регулирующего транзистора, базой - через диод, включенный в прямом направлении, и последовательно соединенный с ним резистор релейной цепи с выходные выводом и коллектором регулирующего транзистора, при этом средняя точка диода и резистора релейной цепи соединена через конденсатор с входным выводом и эмиттером транзистора порогового усилителя постоянного тока. На чертеже представлена электрическая схема устройства для осуществления способа защиты от перегрузок и коротких замыкании источника питания постоянного тока. В .минусовую шину источника питания включен резистор 1 датчика тока и соединенный последовательно с ним регулирующий составной транзистор 2 типа п-р-п. Пороговый усилитель постоянного тока на транзисторе 3 типа п-р-п подсоединен эмиттером к минусовой шине питания и резистору 1 датчика тока, базовый - через последовательно соединенные резисторы t и 5 к средней точке подстроечного резистора 6, подключенного параллельно диоду 7 источника опорного Напряжения, и коллектором - к эмиттеру транзистора 8 типа р-п-р управляемого стабилизатора тока и резистору 9 в цепи его эмиттера. Катод диода 7 соединен с общей точкой соединения резистора 1, эмитг тера регулирующего составного транзистора 2 и анода стабилитрона 10, а его анод через балластный 11 соединен с катодом стабилитрона 10, резистором 12, подключенным другим выводом к базе транзистора 8, и балластным резистором 13 подключенным другим выводом к плюсовой шине питания. Коллектор транзистора 8 управляемого стабилизатора тока соединен с базой регулирующего составного транзистора 2, а его .база через резистор 1Л подсоединена к эмиттеру регулирующего составного транзистора 2. Коллектор регулирующего составного транзистора 2 соединен через резистор 15с анодом диода 16 релейной цепи, подсоединенным катодом через резистор kк базе транзистора 3 порогового усилителя постоянного тока, и с конденсатором 17 подключенным другим выводом к общей точке соединения минусовой шины питания, эмиттеру транзистоpa 3и, резистору 1 датчика тока. Устройство работает следующим образом. При включении напряжения питания через резистор I на базу транзистора 8 управляемого стабилизатора тока поступает отрицательное напряжение, которое открывает транзистор 8 и регулирующий составной транзистор 2. В этот момент релейная цепь (резистор . 15 и диод 16) отключена, так как напряжение на конденсаторе 17 равно нулю и Диод 16 закрыт обратным напряжением, что искЛочает ложное срабатывание защиты устройства от тока включения. Тэк как напряжение на резисторе 12 в базовой цепи транзистора 8 при Любых изменениях напряжения питания поддерживается стабильным с помощью стабилитрона 10,, к которому подключен делитель на резисторах 12 и 1, то ток коллектора транзистора 8 и ток базы регулирующего составного транзистора 2 также стабилен, а его величина определяется сопротивлением резистора 9 в цепи эмиттера транзистора 8. Ток базы регулирующего составного транзистора 2 устанавливается Гакой величины, чтобы этот транзистор находился в режиме насыщения. В начальный момент после включения через резистор 1 датчика тока и регулирующего составного транзистора 2 протекает ток включения (ток заряда конденсаторов фильтра). Когда напряжение на резисторе 1 достигнет в сумме с напряжением на верхнем плече делителя на резисторе 6 величины, достаточной для отпирания транзистора 3 порогового усилителя постоянного тока, то последний открывается. Ток коллектора транзистора 3 увеличивает напряжение на резисторе 9 и ток коллектора транзистора 8 управляемого стабилизатора тока уменьшается. В результате, регулирующий составной транзистор 2 вцходит из насыщения, напряжение на выходе уменьшается и происходит ограничение тока включения на уровне, равном заданному току перегрузки срабатывания защиты. Затем устанавливается нормальный режим работы устройства, при котором . регулирующий составной транзистор 2 находится в режиме насыщения, транзистор 3 порогового усилителя постоянного тока закрыт, так как сумма наг пряжений на резисторе 1 датчика тока и верхнем плече делителя на резисторе 6 меньше напряжения, необходимого для отпирания транзистора 3, релей ная цепь отключена, так как диод 16 релейной цепи закрыт обратным напряжением, равным разности напряжения на верхнем плече делителя ид резисторе 6 и напряжения насыщения регулиругацего составного транзистора 2. Опорное напряжение на диоде 7 стабильно и не зависит от изменения напряжения питания, так как балластный резистор 11 подключен к параметрическому стабилизатору на стабилитроне 10. Ток срабатывания защиты устанавливается с помощью подстроечиого резистора 6, изменяя сумму напряжений на резисторе 1 датчика тока и верхнем плече де,лителя на резисторе 6. Улучшение помехозащищенности объясняется тем, что помехи по входу и выходу устройства приводят только к кратковременному выходу регулирующего составного транзистора 2 из режима. насыщения, исключая ложное срабатывание защиты устройства. I При воздействии на выходе устройства перегрузки по току, равной установленному с помощью резистора 6 току срабатывания защиты, сумма напряжений на резисторе 1 датчика тока и верхнем плече делителя на резисторе 6 открывает транзистор 3. В результате уменьшается ток коллектора транзистора 8 и регулирующий составной транзистор 2 выходит из насыщения. При дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток перегрузки поддерживается стабильным за счет того, что увеличивается напряжение на регулирующем составном транзисторе. Когда напряжение на диоде 16 (равное разнос-, ти напряжений на регулирующем составном транзисторе 2 и.на верхнем плече

делителя на резисторе 5) достигнет уровня, равного прямому напряжению через диод, то последний открывается. Cлeдoвateлbнo, транзистор 2 является для релейной цепи датчиком напряжения Напряжение на регулирующем составном транзисторе 2, при котором срабатывает релейная цепь, можно регулировать путем замены диода 16 стабистором или стабилитроном с более высоким напряжением стабилизации. Через резистор 15 открытый диод 16 и резистор 4 на базу транзистора 3 подается положительное напряжение, увеличивающее его ток коллектора. Соответственно, увеличивается напряжение на резисторе 9 и ток коллектора транзистора 8 уменьшается, увеличивая напряжение на транзисторе 2. Через релейную цепь (элементы Т5 и 16} на базу транзистора 3 подается еще большее положительное напряжение, увеличивающее его ток коллектора. Происходит лавинообразный процесс переключения устройства из одного устойчивого состояния, когда регулирующий составной транзистор 2 открыт, в другое устойчивое состояние, когда этот, транзистор закрыт, и на выходе устройства напряжение становится равным нулю.- В выключенном состоянии конденсатор 17 быстоо разряжается через-диод 16, резистор k и переход база-эмиттер транзистора 3. После чего устройство готово для повторного включения. Вк/яочение устройства возможно после снятия напряжения питания и повторной его подачи.

При воздействии на выходе устройства короткого замыкания на время отключения, определяемого временем переключения устройства, оно работает в режиме стабилизации (ограничения) тока перегрузки и броски тока не будут отсутствовать..

Формула изобретения

1. Способ защиты от перегрузок и коротких замыканий источника питания

постоянного тока путем отключения напряжения питания при достижении тока нагрузки порогового значения, отличающийся тем, что, с.целью исключения бросков тока за время отключения, увеличения помехозащищенности и ограничения тока включения, предварительно уменьшаю напряжение питания до заданного порогового уровня, а затем его отключают при указанном достижении тока нагрузки порогового значение.

2. Устройство защиты от перегрузок и коротких замыканий , содержащее датчик тока и последовательно соединенный с ним регулирующий транзистор, пороговый усилитель постоянного тока на транзисторе, подключенном переходом эмиттер база через диод источника опорного напряжения к резистору датчика тока, и релейную цепь управления регулирующим транзистором, о тличающееся тем, что транзистор порогового усилителя постоянного тока подключен эмиттером к входному 1выводу и датчику тока, коллектором к эмиттеру и резистору в цепи эмиттера транзистора управляемого стабилизатора тока в цепи базового смещения регулирующего транзистора, базой через диод, вк/иоченный в прямом направлении цепи с выходным выводом и коллектором регулирующего транзистора, при этом средняя точка диода и резистора релейной цепи соединена .через конденсатор с выходным выводом и эмиттером транзистора порогового усилителя постоянного тока.

Источники информации; принятые во внимание при экспертизе1.Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. М., Энергия, 19б7, с. 81-8.

2.Авторское свидетельство СССР N , кл. G 05 F 1/58, 1971.