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 номинала резистора - датчика тока Rдт:
Iкл.макс=Uоп1/Rдт.
Затем устанавливают значение напряжения ограничения Uогр установкой номинала резисторов делителя напряжения ДН:
Uогр=Uоп2×(1+R2/R3).
При входном напряжении Uвx≤Uогр в установившемся режиме и токе ключа Кл Iкл<Iкл.макс сигналы на выходах усилителей У1 и У2 отсутствуют, а ключ Кл открыт.
При увеличении 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 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 ключ Кл работает в ключевом режиме с минимальной рассеиваемой на нем мощностью.
Порог срабатывания защиты по току, а, следовательно, и максимальный выходной ток ограничителя напряжения практически не зависят от входного (выходного) напряжения. Данный факт означает, что максимальная мощность, передаваемая в нагрузку, изменяется пропорционально изменению входного напряжения в диапазоне напряжений Uвх.мин≤Uвх≤Uогр. Иными словами, на выход ограничителя напряжения необходимо подключать нагрузку меньшей мощности, чем он может обслуживать. И их соотношение тем больше, чем больше соотношение Uогр/Uвх.мин.
Недостатком известного технического решения является зависимость максимальной выходной мощности от входного напряжения, что сужает функциональные возможности и область применения ограничителя напряжения.
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 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, а выход соединен с входом одновибратора, подключенного выходом к управляющему электроду ключа, второй силовой электрод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является устранение зависимости максимальной выходной мощности от изменения входного напряжения.
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 через первый источник опорного напряжения с выводом входного напряжения, а второй вход - через первый резистор с первым силовым выводом ключа и через программируемый источник тока с общим проводом, 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, а выход соединен с входом одновибратора, подключенного выходом к управляющему электроду ключа, второй силовой электрод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволило стабилизировать максимальную выходную мощность при изменении входного напряжения, уменьшить потери в ключе при изменении входного напряжения.
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, одновибратор 8, ключ 9, дроссель 10, диод 11, конденсатор 12, первый резистор 13 и программируемый источник тока 14.
В предлагаемом ограничителе напряжения первый силовой электрод ключа 9 соединен через резисторный датчик тока 1 к выводу входного напряжения, а второй силовой электрод через дроссель 10 - к выводу выходного напряжения. Один вход первого усилителя 4 подключен через первый источник опорного напряжения 2 к выводу входного напряжения. Другой вход первого усилителя 4 подключен через первый резистор 13 к первому силовому электроду ключа, а через программируемый источник тока 14 - к общему проводу. 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 входом одновибратора 8. Выход одновибратора 8 соединен с управляющим электродом ключа 9, второй силовой электрод которого через диод 11 подключен к общему проводу.
Предлагаемый ограничитель напряжения работает следующим образом. Сначала для нормальной работы ограничителя напряжения его настраивают на максимальную выходную мощность Pмакс, задавая максимальное значение тока через ключ Кл при минимальном значении входного напряжения установкой номинала резистора - датчика тока Rдт:
Iкл.макс=Uоп1/Rдт.
Затем устанавливают параметры программируемого источника тока ПИТ таким образом, чтобы при изменении входного напряжения в диапазоне Uвх.мин≤Uвх≤Uогр он создавал на первом резисторе напряжение, определяемое из выражения:
R1
U=Uоп1×(1-Uвх.мин/Uвх);
при изменении в диапазоне Uогр≤Uвх≤Uвх.макс - из выражения:
R1
U=Uоп1×(1-UBвх.мин/Uогр).
После этого устанавливают значение напряжения ограничения Uогр выбором сопротивлений делителя напряжения ДН: Uогр=Uоп2×(1+R2/R3) - также, как это делается в прототипе. При входном напряжении Uвх≤Uогр в установившемся режиме и токе ключа Кл Iкл<Pмакс/Uвых сигналы на выходах усилителей У1 и У2 отсутствуют, а ключ открыт.
При увеличении мгновенного значения тока через ключ Кл сверх значения, определяемого выражением Iкл>Pмакс/Uвых, на первом входе усилителя У1 появляется напряжение, равное Uоп1. На выходе усилителя У1 появляется сигнал, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, запирающий на время задержки tзад ключ Кл. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через диод D. По истечении времени tзад ключ автоматически открывается и процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном открывании ключа текущее значение тока через него не достигнет значения Iкл=Pмакс/Uвых.
При увеличении входного напряжения ограничителя сверх значения Uогр на выходе усилителя У2 появляется сигнал, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, запирающий как минимум на время задержки tзад 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.
Таким образом, с ростом входного напряжения статические потери на ключе Кл пропорционально уменьшаются, а динамические остаются постоянными. Так, например, в прототипе при увеличении входного напряжения с 9 до 36 В и коротком замыкании на выходе потери возрастают от 2 до 8 Вт, а в предлагаемом устройстве остаются постоянными на уровне 2 Вт.
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.