ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Известен ограничитель напряжения, построенный на ограничительных диодах [1]. Недостатками данного технического решения являются низкая перегрузочная способность и малые времена действия перенапряжений (десятки микросекунд).
Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применения рассмотренного технического решения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ограничитель напряжения на основе импульсного регулятора, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом ключа и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, а второй вход через первый источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - с общим проводом, выходы первого и второго усилителей соединены с входами логического элемента ИЛИ, выход которого через одновибратор соединен с управляющим электродом ключа, второй силовой электрод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом [2]. На фиг.1 приведена функциональная схема прототипа.
Ограничитель напряжения работает следующим образом. Сначала для нормальной работы ограничителя напряжения его настраивают на максимальное значение тока через ключ Кл подбором резистора датчика тока Rдт:
Iкл.макс=Uоп1/Rдт.
Затем устанавливают значение напряжения ограничения Uогр>Uвх.макс установкой номинала резисторов делителя напряжения ДН:
Uогp=Uoп2×(1+R1/R2).
При входном напряжении Uвх<Uогр в установившемся режиме и токе ключа Кл Iкл<Iкл.макс сигналы на выходах усилителей У1 и У2 отсутствуют, а ключ Кл работает в режиме насыщения.
При увеличении мгновенного значения тока через ключ Кл сверх значения Iкл.макс на выходе усилителя У1 появляется сигнал, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, снимающий на время задержки tзад сигнал управления с ключа Кл и закрывая его на указанное время. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через диод D. По истечении времени tзад ключ Кл автоматически включается и процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном открывании ключа Кл текущее значение тока через него не достигнет значения Iкл.макс. Таким способом ключ Кл защищается от перегрузок по току, по какой бы причине они не произошли. При открывании ключа Кл ток практически мгновенно нарастает до значения, равного значению тока через дроссель в момент открывания ключа. В дальнейшем скорость нарастания тока вплоть до момента закрывания ключа обратно пропорциональна индуктивности дросселя L.
При увеличении выходного напряжения ограничителя сверх значения Uогр теперь уже на выходе усилителя У2 появляется сигнал, который через логический элемент ЛИ запускает одновибратор Од, также снимающий, как минимум, на время задержки tзад сигнал управления с ключа Кл и запирая его на указанное время. Откроется последний, когда напряжение на выходе
ограничителя напряжения уменьшится менее значения Uогр. В итоге при увеличении напряжения на входе ограничителя последний также переходит в импульсный режим работы, ограничивая среднее значение напряжения на выходе на уровне Uогр. При этом регулирующий элемент РЭ работает в ключевом режиме с минимальной рассеиваемой на нем мощностью.
Недостатком известного технического решения являются увеличенный уровень помех, генерируемых устройством во время действия перенапряжения на входе и перегрузки по току на выходе, а также повышенная сложность устройства.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом ключа и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, а второй вход через первый источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - к общему проводу, логический элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам первого и второго усилителей, первый диод, первый электрод которого соединен с общим проводом, а второй - со вторым силовым электродом ключа, дроссель, подключенный между выводом выходного напряжения и вторым силовым электродом ключа, выход логического элемента ИЛИ.
Технической задачей предлагаемой полезной модели являются уменьшение уровня помех, генерируемых устройством во время действия перенапряжения на входе и перегрузки по току на выходе, а также упрощение устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается ограничитель напряжения, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом ключа и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, а второй вход через первый источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - к общему проводу, логический элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам первого и второго усилителей, первый диод, первый электрод которого соединен с общим проводом, а второй - со вторым силовым электродом ключа, дроссель, подключенный между выводом выходного напряжения и вторым силовым электродом ключа, выход логического элемента ИЛИ, причем в него введен второй диод, первый силовой электрод которого подключен к точке соединения выхода логического элемента ИЛИ и управляющего электрода ключа, а второй - к второму электроду первого диода.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволило значительно уменьшить уровень помех, генерируемых устройством во время действия перенапряжения на входе и перегрузки по току на выходе, и при этом упростить устройство.
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.2 приведена функциональная схема предлагаемого ограничителя напряжения.
Предлагаемый ограничитель напряжения содержит резисторный датчик тока 1, первый 2 и второй 3 источники опорного напряжения, первый 4 и второй 5 усилители, резисторный делитель напряжения 6, логический элемент ИЛИ 7, ключ 8, второй диод 9, первый диод 10, дроссель 11 и конденсатор 12.
В предлагаемом ограничителе напряжения первый силовой электрод ключа 8 соединен через резисторный датчик тока 1 к выводу входного напряжения, а второй силовой электрод через дроссель 11 - к выводу выходного напряжения. Один вход усилителя 4 подключен к первому силовому электроду регулирующего элемента, а другой вход через первый источник опорного напряжения 2 - к выводу входного напряжения. Конденсатор 12 и крайние выводы резисторного делителя напряжения 6 подключены между выводом выходного напряжения и общим проводом. Средний вывод резисторного делителя напряжения 6 соединен с одним из входов второго усилителя 5, второй вход которого через второй источник опорного напряжения 3 подключен к общему проводу. Выходы первого 4 и второго 5 усилителей подключены на входы логического элемента ИЛИ 7, выход которого соединен с управляющим электродом ключа 8 и первым электродом второго диода 9, второй силовой электрод которого через диод 10 подключен к общему проводу.
Предлагаемый ограничитель напряжения работает следующим образом. Сначала для нормальной работы ограничителя напряжения его настраивают на максимальное значение тока через ключ Кл подбором резистора датчика тока Rдт и устанавливают значение напряжения ограничения Uогр≥Uвх.макс выбором сопротивлений делителя напряжения ДН так же, как это делается в прототипе. При входном напряжении Uвх≤Uогр в установившемся режиме и
токе ключа Кл Iкл≤Iкл.макс сигналы на выходах усилителей У1 и У2 отсутствуют, а ключ Кл работает в режиме насыщения.
При увеличении мгновенного значения тока через ключ Кл сверх значения Iкл.макс на выходе усилителя У1 появляется сигнал, который через логический элемент ИЛИ закрывает ключ Кл. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через второй диод D. При этом потенциал его катода, а значит и потенциал катода второго диода D и управляющего электрода ключа Кл, близки к нулю, т.е. ключ Кл автоматически удерживается в закрытом состоянии. После уменьшения тока через первый диод D до нуля на его катоде начинается колебательный процесс с частотой свободных колебаний. При увеличении этого напряжения второй диод D запирается и снимает блокировку с управляющего электрода ключа Кл. Ключ открывается и ток через него начинает возрастать от нуля. Каждый период работы «порция» заряда проходит через конденсатор С, и напряжение на нем увеличивается. По достижении током значения Iкл.макс ключ Кл вновь выключается и процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном открывании ключа Кл текущее значение тока через него перестанет достигать значения Iкл.макс, а потом и уменьшится до значения выходного тока ограничителя напряжения (тока нагрузки). Таким способом ключ Кл и нагрузка защищаются от перегрузок по току, по какой бы причине они не произошли.
При увеличении выходного напряжения ограничителя сверх значения Uогр теперь уже на выходе усилителя У2 появляется сигнал, который через логический элемент ИЛИ выключает ключ Кл. Откроется последний, когда напряжение на выходе ограничителя напряжения уменьшится менее значения Uогр. В итоге при перенапряжении на входе ограничителя последний также переходит в импульсный режим работы, ограничивая среднее значение напряжения на выходе на уровне Uогр.
Дроссель L в предлагаемом ограничителе напряжения работает в граничном режиме с нулевым током при открывании ключа Кл. Скорость
нарастания тока через ключ Кл в этом режиме работы обратно пропорциональна индуктивности дросселя L и в сотни раз меньше, чем в прототипе. Эта особенность работы предлагаемого устройства многократно уменьшает уровень помех, генерируемых на входе ограничителя напряжения. Причем уменьшение уровня помех достигнуто упрощением электрической схемы устройства (введен дополнительный диод, однако исключен целый узел одновибратора). Остальные характеристики устройства остались без изменений.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Колосов В.А. и др. Устройство подавления сетевых помех. Описание полезной модели №13729. - БИ №13, 2000.
2. Миронов А.А. Ограничитель напряжения. Описание полезной модели №46594.