СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ С МАЛЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ПОТЕРЯМИ
METHOD FOR PROTECTING LINEAR DC VOLTAGE STABILIZER FROM SHORT CIRCUIT WITH LOW HEAT LOSSES

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам защиты линейных стабилизаторов напряжения постоянного тока от перегрузок и короткого замыкания. Данное изобретение может быть использовано для повышения энергоэффективности их работы.
Известен способ защиты стабилизатора напряжения от перегрузки и короткого замыкания (Карпов В.М. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. М., «Энергия», 1967, с. 81-84), согласно которому измеряют падение напряжения на резистивном датчике тока, затем измеренное значение сравнивают с установленным пороговым уровнем срабатывания защиты и, в случае его превышения, производят ограничение проводимости регулирующего элемента, в качестве которого выступает биполярный или полевой силовой транзистор.
Недостатком способа является то, что в режиме защиты от перегрузки схема потребляет значительную мощность, в результате чего на силовом транзисторе происходит интенсивное тепловыделение, что создает проблему обеспечения рассеяния мощности и ухудшает удельные показатели стабилизатора.
Известен способ защиты от перегрузок и коротких замыканий источника питания постоянного тока и устройство для его осуществления (авторское свидетельство СССР № 991393, опубл. 23.01.1983), согласно которому при превышении током нагрузки допустимого порогового уровня сперва производится ограничение тока путем контролируемого уменьшения напряжения на нагрузке, а затем регулирующий элемент полностью запирается, размыкая цепь питания нагрузки.
Недостатком способа является работа схемы по принципу «защелки», для перезапуска которой после устранения аварии требуется снять и подать заново напряжение питания, что ограничивает возможную область ее применения.
Известен способ защиты вторичного источника электропитания от короткого замыкания с регулирующим элементом в режиме автоматического повторного включения (авторское свидетельство СССР № 1836672, опубл. 23.08.1993), согласно которому при превышении током, измеряемым резистивным датчиком тока, порогового уровня происходит запирание регулирующего элемента, после чего через некоторое время следует попытка автоматического повторного включения путем плавного повышения напряжения на базе регулирующего элемента, причем если окажется, что крутизна роста выходного тока регулирующего элемента превышает крутизну роста выходного напряжения, что характерно для режима короткого замыкания, то в результате регулирующий элемент снова запрется, и цикл будет повторяться до тех пор, пока не будет устранена авария.
Недостатком данного способа является то, что схема защиты переходит в режим автоматического повторного включения независимо от продолжительности времени токовой перегрузки. Срабатывание схемы может произойти и при кратковременной перегрузке, например, во время запуска схемы при подключенной к ней большой емкостной нагрузке. Схема не сможет запуститься, поскольку будет находится в режиме автоматического повторного включения неопределенное количество времени, что ограничивает возможную область ее применения.
Известен способ защиты линейного стабилизатора напряжения от перегрузок и коротких замыканий, при котором в схему после регулирующего элемента добавлен резистивный делитель напряжения, в средней точке которого формируется вспомогательное напряжение смещения (Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока. М., «Советское радио», 1980, с. 265, рис. 10.5 а, б). После превышения напряжением на резистивном датчике тока порогового уровня базовый ток регулирующего элемента начинает уменьшаться пропорционально разности между падением напряжения на резистивном датчике тока и уровнем вспомогательного напряжения смещения, что обеспечивает плавную регулировку и снижает тепловыделение на регулирующем элементе.
Недостатком способа является ограниченная область его применения. Оно возможно только для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением, поскольку при регулировании этого напряжения также будет изменяться и вспомогательное напряжение смещения, что может приводить к ложным срабатываниям защиты и требует обеспечения большего запаса по току на этапе проектирования устройства.
Известен способ защиты регулируемого стабилизатора напряжения от перегрузок и короткого замыкания (авторское свидетельство СССР № 1151937, опубл. 23.04.1985), принятый за прототип, согласно которому к резистивному делителю, формирующему вспомогательное напряжение смещения, добавлен токостабилизирующий элемент, в результате чего порог срабатывания защиты фиксирован и не меняется при регулировании выходного напряжения. При этом с целью снижения потерь мощности работа токостабализирующего элемента организована так, что чем больше перегрузка по току, тем меньше становится ток токостабилизирующего элемента и, следовательно, меньше ток через регулирующий силовой транзистор.
Недостатком способа является низкая энергоэффективность при малых перегрузках по току. Проводимость регулирующего элемента ограничивается по мере роста тока нагрузки, поэтому, если при больших перегрузках схема энергоэффективна, то при малых перегрузках на регулирующем элементе выделяется достаточное для перегрева количество тепла, что снижает надежность и ухудшает удельные показатели стабилизатора.
Техническим результатом является снижение тепловых потерь и повышение надежности работы токовой защиты линейных стабилизаторов напряжения постоянного тока.
Технический результат достигается тем, что дополнительно измеряют выходное напряжение схемы резистивным датчиком напряжения и сравнивают измеренное значение с пороговым уровнем, который формируют вспомогательным источником напряжения смещения, при снижении выходного напряжения ниже этого уровня закрывают управляющий транзистор в цепи управления регулирующим элементом, и направляют весь ток базы регулирующего элемента через соединенный параллельно с управляющим транзистором токоограничивающий резистор, при этом ток базы уменьшают и переводят регулирующий элемент в экономичный режим работы, при этом снижают потери мощности при перегрузках, уменьшают тепловыделение в схеме.
Способ поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - структурная схема линейного стабилизатора напряжения с токовой защитой;
фиг. 2 - вольт-амперная характеристика токовой защиты;
фиг. 3 - математическая модель проверки способа;
фиг. 4 - осциллограмма тока нагрузки в момент запуска схемы;
фиг. 5 - осциллограмма тока нагрузки при возникновении короткого замыкания, где:
1 - датчик тока нагрузки;
2 - резистор источника смещения;
3 - нагрузка;
4 - регулирующий элемент;
5 - токоограничивающий транзистор;
6 - резистор нижнего плеча делителя напряжения;
7 - управляющий транзистор;
8 - резистор верхнего плеча делителя напряжения;
9 - резистивный датчик напряжения;
10 - вспомогательный источник напряжения смещения;
11 - токоограничивающий резистор;
12 - измерительно-усилительный блок.
U
огр
Способ осуществляется следующим образом. Измеряется падение напряжения на датчике тока нагрузки 1 (фиг. 1) и сравнивается с пороговым уровнем , формируемым резистором источника смещения 2. Ток нагрузки 3 при этом определяется выражением
I
вых
где  - выходной ток схемы
U
вых
- выходное напряжение схемы,
R
н
- сопротивление нагрузки 3.
U
I
огр
б
Если сигнал с датчика тока нагрузки 1 превышает уровень , выполняется уменьшение управляющего тока регулирующего элемента 4 токоограничивающим транзистором 5 пропорционально разности падений напряжений на датчике тока нагрузки 1 и резисторе источника смещения 2, начиная с момента изменения знака этой разности, определяемого заданным порогом. Управляющий ток регулирующего элемента 4 в этот момент равен
U
вх
где  - входное напряжение схемы,
U
бэ
- напряжение база-эмиттер регулирующего элемента 4,
U
кэ
5
- напряжение коллектор-эмиттер токоограничивающего транзистора 5,
R
6
- сопротивление резистора нижнего плеча делителя напряжения 6,
I
б
огр
- управляющий при осуществлении ограничения.
I
вых
Управляющий транзистор 7 при этом полностью открыт и через него протекает сумма управляющего тока регулирующего элемента 4 и тока резистора верхнего плеча делителя напряжения 8. Ток нагрузки  равен
β
где  - коэффициент усиления регулирующего элемента 4,
I
огр
- выходной ток схемы при осуществлении ограничения.
Выходное напряжение равно
U
U
U
U
вых
экон
вых
экон
Ограничение тока приводит к снижению выходного напряжения  схемы. Выходное напряжение измеряется резистивным датчиком напряжения 9 и сравнивается с пороговым уровнем, формируемым вспомогательным источником напряжения смещения 10. При снижении выходного напряжения  ниже порогового уровня
I
I
вых
б
экон
закрывается управляющий транзистор 7, для перехода в экономичный режим, направляя весь ток базы регулирующего элемента 4 через токоограничивающий резистор 11, вследствие чего этот ток уменьшается в несколько раз, переводя регулирующий элемент 4 в экономичный режим работы с малым выходным током . Управляющий ток регулирующего элемента 4 в экономичном режиме  определяется по формуле
I
б
огр
где  - управляющий ток при осуществлении ограничения,
R
6
- сопротивление резистора нижнего плеча делителя напряжения 6,
R
11
- сопротивление токоограничивающего резистора 11,
K
- коэффициент, величина которого зависит от номиналов используемых электронных компонентов.
I
вых
Следовательно, ток нагрузки  в этом случае равен
I
экон
где  - выходной ток схемы в экономичном режиме работы.
Выходное напряжение в экономичном режиме равно
U
вых
При исчезновении перегрузки по току схема самостоятельно возвращается к исходному состоянию линейной стабилизации выходного напряжения  под управлением измерительно-усилительного блока 12. Вольт-амперная характеристика, поясняющая переход к экономичному режиму, приведена на фиг. 2. На характеристике показано, что возможна регулировка пороговых уровней срабатывания защиты.
Способ поясняется следующими примерами.
Был проведен расчет по параметрам, которые представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры схемы
Исходные данные для расчета
Входное напряжение
<i>U</i><sub><i>вх</i></sub> =
12
В
Выходное напряжение линейного стабилизатора
<i>U</i><sub><i>вых</i></sub> =
10
В
Номинальное сопротивление нагрузки
<i>R</i><sub><i>Н</i></sub> =
10
Ом
Коэффициент усиления регулирующего элемента
<i>β =</i>
3000
–
Пороговый уровень тока перегрузки
<i>I</i><sub><i>огр</i></sub> =
6
А
Пороговый уровень выходного напряжения для перехода в экономичный режим
<i>U</i><sub><i>экон</i></sub> =
4
В
Резистор нижнего плеча делителя напряжения
<i>R</i><sub>6</sub> =
30
кОм
Резистор верхнего плеча делителя напряжения
<i>R</i><sub>8</sub> =
10
кОм
Токоограничивающий резистор
<i>R</i><sub>11</sub> =
90
кОм
Выходной ток схемы при безаварийной работе равен
Управляющий ток регулирующего элемента при этом равен
Потери мощности на регулирующем элементе составляют
R
Н
Пусть сопротивление нагрузки в результате аварии уменьшилось до величины  = 0,6 Ом. Выходной ток, который соответствует этой нагрузке, равен
Однако, схема защиты от перегрузки по току в соответствие с формулой (3) ограничит его на уровне
Управляющий ток регулирующего элемента в этом случае равен
Потери мощности на регулирующем элементе в этот момент составят
U
вых
Однако, из-за ограничения тока выходное напряжение  с течением времени будет снижаться и вместо 10 В упадет до значения
U
экон
Данное значение ниже порогового уровня , в результате чего произойдет перевод регулирующего элемента в экономичный режим работы в соответствие с формулой (6) с током базы
Выходной ток в экономичном режиме в соответствие с формулой (7) составит
Выходное напряжение по формуле (8) равно
К
Коэффициент  отношения тока нагрузки при ограничении и при экономичном режиме составит
Потери мощности на регулирующем элементе в экономичном режиме составят
Таким образом, в результате применения способа удается снизить потери мощности при перегрузках, уменьшить тепловыделение в схеме.
U
U
R
R2
I
U
U
Q2
U
U
D3
вх
вых
н
огр
экон
огр
вых
экон
Проверка предлагаемого способа линейного ограничения тока с малыми тепловыми потерями проведена посредством имитационного компьютерного моделирования в среде MATLAB/Simulink. Разработанная математическая модель (фиг.3) составлена для условий: входное напряжение  = 12 В, стабилизированное выходное напряжение  = 10 В, сопротивление нагрузки  = 10 Ом, сопротивление датчика тока нагрузки  = 0,1 Ом, пороговый уровень тока перегрузки  = 6 А, пороговый уровень напряжения нагрузки для перехода в экономичный режим  = 4 В. Визуализация измеренного значения тока нагрузки производится датчиком «Current», измерение выходного напряжения производится датчиком «Vsensor». Пороговым элементом, на котором проводится сравнение сигнала с датчика токасо значением , является транзистор . Пороговым элементом, на котором проводится сравнение выходного напряжения  с пороговым значением , является стабилитрон .
U
U
I
U
I
вых
экон
экон
экон
огр
На фиг. 4 показан процесс запуска схемы при подаче питания. Поскольку изначально выходное напряжение схемы  меньше уровня , ток нагрузки сначала равен . Этим током производится заряд выходного емкостного накопителя, включенного параллельно нагрузке. По мере заряда емкости при повышении выходного напряжения выше порогового уровня  выходной ток увеличивается до величины . После полного заряда емкости до номинального напряжения 10 В выходной ток снижается до номинального значения. Тем самым в момент запуска схемы удается избежать существенного броска пускового тока, вызванного зарядом емкостного накопителя.
t
к.з.
I
U
I
огр
экон
экон
На фиг. 5 показан процесс ограничения тока при возникновении короткого замыкания в момент времени  = «». Сначала производится ограничение выходного тока на уровне . Затем, по мере разряда выходного емкостного накопителя, включенного параллельно нагрузке, ниже порогового уровня  регулирующий элемент переводится в экономичный режим работы с током  и будет находиться в этом режиме до момента исчезновения короткого замыкания.
Разработанный способ линейного ограничения тока с малым тепловыделением позволяет повысить энергоэффективность работы схемы при перегрузках по току и коротких замыканиях, снижая тепловые потери и повышая надежность электропитания потребителей постоянного тока.