Импульсный преобразователь с защитой от перегрузки по току

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении импульсных источников вторичного электропитания (ИИВЭП).
Известны схемы построения ИИВЭП на основе управляющих контроллеров. Защита в режимах перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке осуществляется каждый период работы преобразователя посредством контроля тока силового ключа. Напряжение, пропорциональное току, поступает с датчика тока, включенного в цепь силового ключа, на вход компаратора защиты от перегрузки по току, являющегося составной частью управляющего контроллера. Уровень сигнала на входе компаратора защиты, равный или больше порогового напряжения вызывает его срабатывание. Сигнал выключения проходит через логические элементы, выходной драйвер управляющего контроллера и закрывает силовой ключ. Ток в цепи силового ключа прекращается по истечении времени задержки перечисленных выше узлов контроллера и силового ключа [1].
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является импульсный преобразователь, обобщенная функциональная схема которого представлена на фиг. 1 [2]. Импульсный преобразователь с защитой по току содержит трансформаторно-выпрямительный узел с двумя входными и двумя выходными выводами, являющимися выводами выходного напряжения, ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, датчик тока, управляющий контроллер с входным выводом компаратора защиты ключа от перегрузки по току и выходным выводом, токоограничивающий резистор, причем один входной вывод трансформаторно-выпрямительного узла является выводом входного напряжения, а другой вывод подключен к первому силовому выводу ключа, второй силовой вывод которого через датчик тока соединен с общим проводом входного напряжения, входной вывод компаратора защиты ключа от перегрузки по току управляющего контроллера подключен к точке соединения ключа и датчика тока, а выходной вывод управляющего контроллера через токоограничивающий резистор - к управляющему выводу ключа.
КЛ МАКС
Прототип работает следующим образом. Если во время открытого состояния ключа 4 амплитудное значение тока не превышает установленного при настройке максимального значения I, который обеспечивает максимальный выходной ток нагрузки, напряжение на датчике тока 5 меньше уровня срабатывания компаратора защиты ключа. Сигнал управления ключом поступает с выхода управляющего контроллера 1 через токоограничивающий резистор 2 на управляющий вывод ключа 4, который осуществляет коммутацию трансформаторно-выпрямительного узла 3. В этом узле входное напряжение трансформируется, выпрямляется, фильтруется, и постоянное выходное напряжение поступает на выходные выводы. При отсутствии перегрузки или короткого замыкания на выходных выводах устройство может работать непрерывно без опасности выхода из строя даже при максимальном значении выходного тока.
КЛ МАКС
В случае перегрузки или короткого замыкания на выходе значение амплитуды тока первого ключа 4 каждый период работы превышает значение I, с датчика тока 5 на входной вывод компаратора защиты ключа от перегрузки по току приходит напряжение, равное или больше уровня его срабатывания, на выходном выводе управляющего контроллера 1 устанавливается низкий уровень напряжения, и ключ 4 закрывается, принудительно прерывая ток через трансформаторно-выпрямительный узел 3 и ключ 4 в этом периоде работы преобразователя. Таким образом, обеспечивается токовая защита ключа 4 и ИИВЭП в целом. Эпюры тока и напряжения ключа 4 в режиме максимальной нагрузки ИИВЭП показаны на фиг. 2.
Короткое замыкание в нагрузке, при котором скорость нарастания тока в ключе 4 максимальна, приводит к значительным перегрузкам ключа и выходного выпрямителя по току и напряжению, недопустимому повышению напряжения на входе компаратора защиты от перегрузки по току управляющего контроллера. Эпюры тока и напряжения ключа 4 в режиме короткого замыкания на выходе ИИВЭП показаны на фиг. 3. Необходимо также заметить, что в режиме короткого замыкания ИИВЭП находится каждый раз при включении, хотя и кратковременно.
Недостатком данного технического решения является увеличенное время прохождения сигнала срабатывания защиты от перегрузки по току, начиная с момента достижения уровня срабатывания компаратора защиты ключа от перегрузки по току и заканчивая прекращением тока через ключ. Прежде чем закрыть ключ 4, сигнал перегрузки последовательно проходит компаратор защиты от перегрузки по току, логические элементы, выходной драйвер управляющего контроллера 1, имеющие каждый свою задержку. В течение этого времени ключ 4 открыт и находится в неуправляемом режиме, а ток через него нарастает. Режим короткого замыкания у прототипа сопровождается значительным повышением амплитуды тока и следующим за ним опасным перенапряжением ключа 4.
Указанный недостаток существенно снижает надежность и ограничивает область применения ИИВЭП. В связи с вышесказанным уменьшение времени срабатывания защиты ключа от перегрузки по току является наиболее актуальной технической задачей.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются трансформаторно-выпрямительный узел с двумя входными и двумя выходными выводами, являющимися выводами выходного напряжения, первый ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, датчик тока, управляющий контроллер с входным выводом компаратора защиты ключа от перегрузки по току и выходным выводом, токоограничивающий резистор, причем один входной вывод трансформаторно-выпрямительного узла является выводом входного напряжения, а другой вывод подключен к первому силовому выводу первого ключа, второй силовой вывод которого через датчик тока соединен с общим проводом входного напряжения, входной вывод компаратора защиты ключа от перегрузки по току управляющего контроллера подключен к точке соединения первого ключа и датчика тока, а выходной вывод управляющего контроллера через токоограничивающий резистор - к управляющему выводу первого ключа.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение времени задержки сигнала защиты ключа от перегрузки по току, что исключает аварийные режимы работы силового ключа, повышает надежность устройства в целом и расширяет область его применения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается импульсный преобразователь с защитой от перегрузки по току, содержащий трансформаторно-выпрямительный узел с двумя входными и двумя выходными выводами, являющимися выводами выходного напряжения, первый ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, датчик тока, управляющий контроллер с входным выводом компаратора защиты ключа от перегрузки по току и выходным выводом, токоограничивающий резистор, причем один входной вывод трансформаторно-выпрямительного узла является выводом входного напряжения, а другой вывод подключен к первому силовому выводу первого ключа, второй силовой вывод которого через датчик тока соединен с общим проводом входного напряжения, входной вывод компаратора защиты ключа от перегрузки по току управляющего контроллера подключен к точке соединения первого ключа и датчика тока, а выходной вывод управляющего контроллера через токоограничивающий резистор - к управляющему выводу первого ключа, отличающийся тем, что в него введен второй ключ с управляющим, первым и вторым выводами, причем его управляющий вывод подключен к входному выводу компаратора защиты ключа от перегрузки по току управляющего контроллера, первый вывод второго ключа соединен с управляющим выводом первого ключа, а второй вывод - с общим проводом входного напряжения.
Введение в импульсный преобразователь с защитой по току дополнительных элементов и новых связей позволило значительно сократить время прохождения сигнала срабатывания защиты, исключить перегрузки силового ключа по току и напряжению, повысить надежность ИИВЭП и расширить область его применения.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 4 приведена функциональная схема предлагаемого импульсного преобразователя с защитой от перегрузки по току.
Предлагаемый импульсный преобразователь с защитой от перегрузки по току содержит управляющий контроллер 1, токоограничивающий резистор 2, трансформаторно-выпрямительный узел 3, первый ключ 4, датчик тока 5, второй ключ 6.
В предлагаемом импульсном преобразователе с защитой от перегрузки по току, содержащем трансформаторно-выпрямительный узел 3 с двумя входными и двумя выходными выводами, являющимися выводами выходного напряжения, причем один входной вывод является выводом входного напряжения, а другой вывод подключен к первому силовому выводу первого ключа 4, второй силовой вывод которого через датчик тока 5 соединен с общим проводом входного напряжения, входной вывод управляющего контроллера 1, являющийся входом компаратора защиты первого ключа 4 от перегрузки по току подключен к точке соединения второго силового вывода первого ключа 4 и датчика тока 5, а выходной вывод управляющего контроллера 1 через токоограничивающий резистор 2 - к управляющему выводу первого ключа 4, второй ключ 6 с управляющим, первым и вторым выводами, причем его управляющий вывод подключен к входному выводу управляющего контроллера 1, первый вывод соединен с управляющим выводом первого ключа 4, а второй - с общим проводом входного напряжения.
Предлагаемый импульсный преобразователь с защитой от перегрузки по току работает следующим образом. В режиме нормальной работы с выхода управляющего контроллера поступает сигнал на управляющий вывод первого ключа 4, который коммутирует трансформаторно-выпрямительный узел 3, в результате чего формируется постоянное напряжение на выходных выводах преобразователя. Режим работы при максимальном выходном токе у прототипа и предлагаемого преобразователя не отличаются (фиг. 2).
При возникновении короткого замыкания в нагрузке ток через первый ключ 4 начинает нарастать, вызывая нарастание напряжения в датчике тока 5. Когда напряжение, поступающее на вход компаратора защиты от перегрузки по току управляющего контроллера, достигает уровня срабатывания, выход управляющего контроллера из-за задержки в его узлах продолжает еще некоторое время удерживать первый ключ 4 в открытом состоянии. Порог срабатывания второго ключа 6 выбирается несколько выше порога компаратора защиты для исключения влияния на работу управляющего контроллера 4 при максимальном выходном токе. Напряжение в датчике тока 5 продолжает нарастать и когда достигает порога срабатывания второго ключа 6, последний открывается и принудительно уменьшает напряжение на управляющем выводе первого ключа 4. Токоограничивающий резистор 2 ограничивает выходной ток управляющего контроллера 1 и второго ключа 6. Нарастание тока первого ключа 4 продолжается еще в течение времени задержки его закрывания. При этом напряжение на управляющем выводе второго ключа 6 продолжает нарастать. Это увеличивает степень его открывания. Напряжение на управляющем выводе первого ключа 4 уменьшается ниже порогового уровня, и он закрывается. Следом за этим на выходном выводе контроллера (по истечении времени задержки узлов компаратора, логических элементов и выходного драйвера) также появляется сигнал низкого уровня, который фиксирует закрытое состояние первого ключа 4 до конца текущего периода работы контроллера и прекращает протекание тока через второй ключ 6, который также закрывается. Описанный алгоритм работы реализуется каждый период работы предлагаемого преобразователя. Эпюры тока и напряжения первого ключа 4 предлагаемого преобразователя во время короткого замыкания показаны на фиг. 5.
Амплитуда тока первого ключа 4 в режиме короткого замыкания предлагаемого преобразователя значительно меньше, чем у прототипа, т.к. предлагаемое техническое решение исключает задержку сигнала перегрузки по току узлами управляющего контроллера, значительно уменьшая время неуправляемого состояния первого ключа 4. Второй ключ 6 является низковольтным, быстродействующим, и его время включения чрезвычайно мало, а время выключения на режим работы первого ключа 4 не влияет.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989 - с. 139.
2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001., с. 113, рис. 31.