УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ПЕРЕПОЛЮСОВКИ

2002119341 Устройство защиты от перенапряжения и переполюсовки.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам защиты радиоэлектронных приборов и может быть использовано в автомобильной промышленности для защиты электронных датчиков в системе управления двигателем.
Известно, что на цепи питания автомобильных датчиков, даже если они питаются от отдельного стабилизатора напряжения, наводятся напряжения, величины которых могут достигать нескольких десятков вольт. Это приводит к сбоям в работе и даже к выходу их из строя. Поэтому к современным автомобильным датчикам предъявляются достаточно серьезные требования. В частности, они должны выдерживать воздействие постоянных и импульсных напряжений прямой и обратной полярностей, величины которых значительно превышают рабочее, например, удвоенное напряжение бортовой сети. При этом требуется, чтобы амплитуда выходного сигнала датчика была максимально близкой к рабочему напряжению питания. Это подразумевает наличие в электрической схеме датчика устройств защиты от перенапряжения и переполюсовки с малым (десятки милливольт) падением напряжения на нем в нормальном режиме.
№МПК 7 Н 02 Н 9/00
Н 02 Н 3/18 импульсов, пороговую стабилитронно-резистивную цепочку и
регулирующий и управляющий транзисторы (патент РФ № 2069436, МКИ Н02Н09/04, Н02Н09/00, 1996). Недостатками данного устройства являются отсутствие защиты от переполюсовки и повышенное падение напряжения на элементе задержки и регулирующем транзисторе в нормальном режиме.
Использование для защиты от напряжений обратной полярности диодов, последовательно включенных в цепь питания элементов нагрузки, (А. Г. Алексеенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М., Радио и связь, 1985 г., стр. 32) ограничивается повышенным (сотни милливольт) падением напряжения на диодах в рабочем режиме.
Для питания маломощной аппаратуры с небольшим пределом изменения тока потребления широко используется параметрический стабилизатор напряжения, представляющий собой последовательно включенный в цепь питания балластный резистор и подключенный параллельно нагрузке стабилитрон в обратном включении (справочник под ред. Г. С. Найвельта. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М., Радио и связь, 1986г., стр. 166).
Недостатком данного устройства является повышенная мощность, рассеиваемая на балластном резисторе при перенапряжении, возникающем по цепи питания, особенно в случае воздействия обратной полярности. Нри этом на нагрузку подается напряжение обратной полярности, равное
:;2 rX//9 //
2 падению напряжения на стабилитроне в прямом вю1ючении. Величина
этого напряжения достигает сотен милливольт, что не всегда допустимо.
Наиболее близким к предложенному является устройство защиты элементов нагрузки от перенапряжения, представляющее собой параметрический стабилизатор напряжения (А. Г. Алексеенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М., Радио и связь, 1985 г., стр. 32), отличающийся от выше описанного тем, что напряжение стабилизации стабилитрона выбирается больше напряжения питания, но меньше напряжения, предельно допустимого для нагрузки. Это позволяет несколько снизить падение напряжения на балластном резисторе в нормальном режиме, и рассеиваемую на нем мощность при перенапряжении по цепи питания. Ограничения же, связанные с воздействием напряжения обратной полярности, остаются без изменений.
Задачей изобретения является повышение эксплуатационных параметров устройства в нормальном режиме и повышение надежности защиты при перенапряжении и переполюсовке питания.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройстве защиты от перенапряжения и переполюсовки, содержащем последовательно включенный в цепь питания балластный резистор и стабилитрон в обратном включении, подключенный параллельно нагрузке, между источником питания и балластным резистором включен нормально открытый электронный ключ, выполненный в виде биполярного
ri//f3y/ 3 транзистора в инверсном включении и с предельно допустимым значением
напряжения коллектор - база, превышающим значение перенапряжения обратной полярности, коллектор которого соединен с первым выходом источника питания, эмиттер через балластный резистор соединен с первым входом нагрузки, а база через токоограничивающий резистор соединена со вторым выходом источника питания и со вторым входом нагрузки.
Решению поставленной задачи способствует также то, что значение сопротивления токоограничивающего резистора выбрано из выражения:
(-0,75g).yg,
-S
R - значение сопротивления токоограничиваюш;его резистора;
- напряжение питания;
коэффициент передачи тока базы транзистора в инверсном
включении;
Rff - минимальное значение сопротивления нагрузки.
При этом эмиттер транзистора электронного ключа может быть соединен с первым входом нагрузки, если транзистор выбран с предельно допустимым значением напряжения эмиттер - база, удовлетворяющим выражению:
- -l  (у МАКС  СТ )
4 С/зд- предельно допустимое зпачепие напряжения эмиттер - база
транзистора;
UMAKC значение перенапряжения в цепи питания;
UCT - напряжение стабилизации стабилитрона.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предложенного устройства защиты от перенапряжения и переполюсовки.
Устройство содержит последовательно включенный в цепь питания 1 балластный резистор 2, стабилитрон 3, подключенный параллельно нагрузке 4. Между источником питания 5 и балластным резистором 2 включен нормально открытый электронный ключ 6, выполненный в виде биполярного транзистора 7 в инверсном включении. Коллектор транзистора 7 соединен с первым выходом источника питания 5, эмиттер соединен с балластным резистором 2, а база через токоограничивающий резистор 8 соединена со вторым выходом источника питания 5 и со вторым входом нагрузки 4,
В процессе работы напряжение с источника питания 5 поступает через нормально открытый электронный ключ 6 и балластный резистор 2 на нагрузку 4. В нормальном режиме напряжение на нагрузке равняется напряжению питания за вычетом падений напряжений на нормально открытом транзисторе 7 и балластном резисторе 2. При наведении на цепь питания 1 повышенного напряжения открывается стабилитрон 3 и напряжение на нагрузке 4 ограничивается на уровне напряжения
5
стабилизации стабилитрона 3. При наведении напряжения обратной полярности или при переполюсовке питания электронный ключ 6 выполняет функцию вентиля и напряжение на нагрузку не поступает.
Используемое в предложенном техническом решении инверсное включение биполярного транзистора 7 позволило повысить эксплуатационные параметры устройства защиты. Это объясняется тем, что транзистор в инверсном включении по своим свойствам оказывается ближе к идеальному ключу, чем при обычном включении (Л. Н. Бочаров Инверсное включение транзистора, М., Энергия, 1975г.). При этом обеспечивается надежное закрывание ключа при воздействии напряжения обратной полярности, амплитуда которого не превышает предельно допустимого значения напряжения коллектор - база транзистора. Выбрав транзистор с малым значением напряжения насыщения коллектор эмиттер и подобрав ток базы, при инверсном включении можно существенно снизить падение напряжения на открытом транзисторе 7 в рабочем режиме, которое не будет превышать десятков милливольт.
У большинства кремниевых биполярных транзисторов коэффициент передачи тока базы транзистора в инверсном режиме близок к единице, т.е. транзисторы практически не обладают усилительными свойствами. Поэтому ток базы необходимо выбирать несколько большим, чем ток нагрузки. Это обеспечивается выбором значения сопротивления токоограничивающего резистора 8: 6
При ЭТОМ в случае воздействия на цепь питания 1 повышенного напряжения, превышающего напряжение стабилизации стабилитрона, ток, протекающий через транзистор 7 и балластный резистор 2, резко возрастает до величины тока стабилизации стабилитрона, значение которого определяется сопротивлением балластного резистора 2 и, как правило, выбирается более чем в десять раз больше тока нагрузки. Это приводит к тому, что ток базы транзисторного ключа 6, ограниченный резистором 8, становится недостаточным и падение напряжения на транзисторе 7 возрастает до величины напряжения пробоя коллекторэмиттер транзистора в инверсном режиме, значение которого определяется предельно допустимым значением база-эмиттер транзистора. Это позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на балластном резисторе 2, и, как следствие, уменьшить величину сопротивления балластного резистора, что в свою очередь позволит уменьшить падение напряжения на нем в нормальном режиме.
Выбирая транзистор 7 с предельно допустимым значением напряжения эмиттер - база, удовлетворяющим выражению:
и,,,5-(и,,-и,,
балластный резистор 2 из устройства защиты можно исключить. Это позволит свести к минимуму разницу между напряжением питания и
0,755). Д
инв
4jL RH напряжением на нагрузке в нормальном режиме, величина которой будет
определяться лишь падением напряжения на транзисторе 7.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить надежную защиту маломощной аппаратуры с небольшим пределом изменения тока потребления, например автомобильных датчиков, от воздействия повышенных напряжений прямой и обратной полярностей и уменьшить падение напряжения на защитных элементах в нормальном режиме.
8