БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
POWER SUPPLY UNIT WITH PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к блокам питания микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, и может найти применение при проектировании и реализации блоков питания для указанных устройств.
Внезапное увеличение амплитуды напряжения питающей сети может привести к выходу из строя сложной электронной техники, например микропроцессорного реле защиты и автоматики, что может повлечь за собой либо отключение систем защит электрических распределительных устройств, либо ложное отключение потребителей от электроснабжения. Для повышения устойчивости блоков питания микропроцессорных устройств в состав их блоков питания вводят цепи, которые обеспечивают сохранение работоспособности блока питания при перенапряжении.
Известно устройство (Устройство защиты от перенапряжения / URL: http://prostoshema.ucoz.com/k_shemam/Ustr_ot_Perenap/1-.png) [1], которое содержит входной резистивный делитель, аналоговый компаратор на транзисторе и стабилитроне, транзисторный ключ и электромагнитное реле, цепи обеспечения гистерезиса. При увеличении входного напряжения его часть поступает на аналоговый компаратор, и если входное напряжение превышает порог срабатывания аналогового компаратора, то последний срабатывает, воздействует на транзисторный ключ и тот включает электромагнитное реле. Контактная группа реле размыкается и отключает выход устройства от питающей электросети, защищая нагрузку данного устройства от перенапряжения. Одновременно задействуются цепи, обеспечивающие гистерезис. При понижении входного напряжения ниже порогового уровня срабатывания аналогового компаратора (с учетом гистерезиса) аналоговый компаратор перестает оказывать воздействие на транзисторный ключ, в результате чего электромагнитное реле обесточивается, контактная группа реле замыкается и на выход данного устройства поступает входное напряжение.
Известное устройство [1] отличается простотой конструкции, однако контакты электромагнитного реле при переключении вызывают дребезг, что в некоторых случаях недопустимо.
Известно устройство защиты от перенапряжения (Пат. RU 2457596). Это устройство также снабжено функцией ограничения напряжения и содержит цепь детектирования напряжения и блок выключающего реле, при этом могут иметь место несколько вариантов реализации блока выключающего реле. Однако данному устройству, как и известному устройству, присущ тот же недостаток - коммутация осуществляется посредством контактов электромагнитного реле.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является блок питания, описанный в High AC input voltage limiting circuit. Application note AN2625 // url: http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00171116.pdf, который принят в качестве прототипа. Блок питания содержит двухполупериодный выпрямитель, нагруженный на емкостный фильтр, ограничитель напряжения в виде аналогового компаратора и силового транзистора, включенного между минусовыми шинами выпрямителя и емкостного фильтра. Аналоговый компаратор состоит из входного резистивного делителя в виде последовательно соединенных первого и второго резисторов, включенного на выход двухполупериодного выпрямителя, первого стабилитрона (диода Зенера), катодом соединенного с выходом резистивного делителя, транзистора n-p-n типа проводимости, база которого соединена с анодом первого стабилитрона, эмиттер - с минусовой шиной двухполупериодного выпрямителя, а коллектор соединен с управляющим электродом силового транзистора и выходом параметрического стабилизатора на втором стабилитроне и токоограничивающем резисторе.
Работает известный блок питания следующим образом. При подаче на вход двухполупериодного выпрямителя напряжения сети с номинальной амплитудой на выходе выпрямителя появляется однополярное пульсирующее напряжение, амплитуда которого изменяется по синусоидальному закону. Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя поступает на вход емкостного фильтра и на вход аналогового компаратора. Напряжение пробоя первого стабилитрона выбрано таким, что оно выше амплитуды напряжения на выходе резистивного делителя аналогового компаратора, поэтому первый стабилитрон не пропускает ток в базу транзистора, транзистор закрыт и на управляющий электрод силового транзистора поступает отпирающее напряжение с выхода параметрического стабилизатора на втором стабилитроне. В результате минусовая шина двухполупериодного выпрямителя через открытый силовой транзистор оказывается соединенной с минусовой шиной емкостного фильтра. Через емкостный фильтр протекает ток заряда его конденсаторов и через некоторое время на емкостном фильтре устанавливается выходное напряжение, достаточно близкое к амплитудному значению выходного напряжения выпрямителя. При увеличении амплитуды напряжения на входе двухполупериодного выпрямителя также повышается напряжение на резистивном делителе аналогового компаратора. В некоторый момент времени выходное напряжение резистивного делителя начинает превышать напряжение пробоя первого стабилитрона, через него начинает протекать базовый ток транзистора, транзистор базовым током открывается и шунтирует своими электродами коллектор и эмиттер выхода параметрического стабилизатора напряжения на втором стабилитроне. В результате напряжение на управляющем электроде силового транзистора уменьшается до уровня остаточного напряжения на открытом транзисторе, что приводит к запиранию силового транзистора. Цепь протекания зарядного тока емкостного фильтра прерывается, заряд конденсаторов фильтра прекращается, и напряжение на емкостном фильтре не увеличивается. Таким образом, посредством запирания силового транзистора происходит ограничение напряжения на емкостном фильтре при увеличении амплитуды входного напряжения на блоке питания. При уменьшении амплитуды входного напряжения двухполупериодного выпрямителя уменьшается и напряжение на выходе резистивного делителя, и в некоторый момент времени оно становится ниже напряжения пробоя первого стабилитрона, который перестает пропускать ток в базу транзистора. Последний закрывается, параметрический стабилизатор напряжения вновь начинает работать, подавая на управляющий электрод силового транзистора отпирающее напряжение. Замыкается цепь заряда конденсаторов емкостного фильтра, напряжение на емкостном фильтре начинает увеличиваться. Описанный процесс повторяется как при увеличении амплитуды входного напряжения, так и при ее уменьшении соответственно.
Таким образом, в известном блоке питания осуществляется ограничение уровня напряжения на емкостном фильтре при увеличении амплитуды входного напряжения за счет управляемого процесса замыкания/размыкания цепи заряда конденсаторов емкостного фильтра.
Такой известный блок питания хорошо справляется с плавными возрастаниями амплитуды входного напряжения. Однако при кратковременном пропадании напряжения питания и последующем его восстановлении с значением амплитуды существенно больше номинального значения силовой транзистор оказывается открытым за счет подпитки его управляющего электрода от конденсаторов емкостного фильтра, вследствие чего к конденсаторам емкостного фильтра может быть приложено напряжение, амплитуда которого будет существенно превышать их рабочее напряжение. Это приведет к появлению неисправности блока питания из-за пробоя конденсаторов, повреждению силового транзистора и к повреждению аппаратуры, подключенной к данному блоку питания. Кроме того, первый стабилитрон по принципу своей работы не имеет гистерезиса, и, как результат, процесс управления силовым транзистором не имеет четкого изменения уровня управляющего напряжения, а сопровождается некоторым дребезгом, что также может влиять на работоспособность устройства, подключенного к блоку питания.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого блока питания с защитой от перенапряжения, в котором за счет введения разделительного диода и новых связей между элементами устройства удалось повысить его надежность.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство дополнительно содержит разделительный диод, при этом плюсовой вывод двухполупериодного выпрямителя соединен со входом емкостного фильтра через прямо включенный разделительный диод, и может дополнительно содержать цепь формирования гистерезиса, которая состоит из третьего резистора, включенного в резистивный делитель между нижним выводом второго резистора и отрицательным полюсом выпрямителя, и второго транзистора n-p-n типа, база которого через токоограничивающий резистор соединена с управляющим электродом силового транзистора, эмиттер соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, а коллектор - с общей точкой соединения второго и третьего резисторов входного резистивного делителя.
На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного блока питания.
Предлагаемое устройство содержит (см. фиг. 1) двухполупериодный выпрямитель 1; емкостный фильтр 2; разделительный диод 3, включенный в прямом направлении между плюсовым выводом выпрямителя и плюсовым выводом емкостного фильтра 2; ограничитель напряжения в виде аналогового компаратора, в который входят резистивный делитель на первом и втором резисторах 4 и 5 соответственно, стабилитрон 6, катодом соединенный с выходом резистивного делителя, базовые резисторы 7 и 8, при этом резистор 7 соединен одним выводом с анодом стабилитрона 6, а вторым - с базой n-p-n транзистора 9 и резистором 8, обеспечивающим ключевой режим работы транзистора 9; в ограничитель напряжения входит также силовой транзистор 10 с известным параметрическим источником напряжения смещения на втором стабилитроне 11 и резисторе 12. Кроме того, для обеспечение релейного характера переключения аналогового компаратора в устройство может входить цепь формирования гистерезиса, состоящая из третьего резистора 13 в резистивном делителе, включенного между нижним выводом второго резистора и минусовым выводом двухполупериодного выпрямителя 1, второго транзистора 14 n-p-n типа и токоограничивающего базового резистора 15, при этом базовый резистор 15 соединен с управляющим электродом силового транзистора 10, а коллектор второго транзистора 14 - с верхним по рисунку выводом третьего резистора 13, эмиттер - с минусовым выводом двухполупериодного выпрямителя 1.
Двухполупериодный выпрямитель 1 может быть выполнен в виде монолитной диодной сборки, выпускаемой серийно, например KBU10M фирмы Crownpo Technology; в качестве емкостного фильтра могут быть применены, например, серийно выпускаемые электролитические конденсаторы типа TKR101M2GL35M фирмы Jamicon; в качестве разделительного диода 3 может быть применен серийно выпускаемый силовой полупроводниковый диод типа BYV26E фирмы Vishay, анод которого соединен с плюсовым выходом двухполупериодного выпрямителя, а катод - с плюсовым выводом электролитического конденсатора емкостного фильтра 2; в качестве силового транзистора 10 может быть применен высоковольтный транзистор с низким значением проходного сопротивления, например STV11NM80 фирмы STMicroelectronics. В качестве остальных элементов предлагаемого устройства могут использоваться типовые, серийно выпускаемые элементы и используемые по прямому назначению.
Рассматривать работу устройства будем исходя из наличия цепи формирования гистерезиса. Допустим, что в исходном состоянии на вход предлагаемого устройства, т.е. на вход двухполупериодного выпрямителя 1 (см. фиг. 1), подано переменное напряжение с номинальным амплитудным значением 310 В (что соответствует действующему значению 220 В). Выпрямленное напряжение с амплитудой 310 В поступает на резистивный делитель из последовательно соединенных резисторов 4, 5 и 13. За счет выбора номиналов резисторов резистивного делителя напряжение на его выходе - общей точки резисторов 4 и 5, относительно минусового вывода двухполупериодного выпрямителя 1, ниже напряжения пробоя первого стабилитрона 6. Транзистор 9 благодаря резистору 8, соединяющему базу транзистора с минусовым выводом двухполупериодного выпрямителя 1, надежно заперт. При этом напряжение с двухполупериодного выпрямителя 1 поступает также и на параметрический стабилизатор напряжения на втором стабилитроне 11 и напряжение смещения поступает на управляющий электрод силового транзистора 10, обеспечивая его малое проходное сопротивление. В результате через разделительный диод 3 на емкостный фильтр 2 начинает течь зарядный ток, в результате чего конденсатор емкостного фильтра заряжается. В тоже время напряжение со стабилитрона 11 поступает также через токоограничивающий резистор 15 на базу транзистора 14, который открывается и шунтирует резистор 13.
При увеличении амплитуды входного напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя 1 также увеличивается выпрямленное напряжение и в некоторый момент времени выходное напряжение резистивного делителя на резисторах 4 и 5 превысит напряжение пробоя стабилитрона 6. Это приведет к открытию транзистора 9 и замыканию управляющего электрода силового транзистора 10 с минусовым выводом двухполупериодного выпрямителя 1 и, как следствие, к запиранию силового транзистора 10. Цепь заряда конденсатора емкостного фильтра 2 прервется, заряд фильтра прекратится. Также закроется транзистор 14, в результате третий резистор 13 резистивного делителя будет дешунтирован, сопротивление нижнего плеча резистивного делителя увеличится, что в свою очередь приведет к увеличению выходного напряжения делителя. Таким образом, вводится положительная обратная связь и формируется релейный характер переключения аналогового компаратора. Силовой транзистор 10 закрыт, напряжение на емкостном фильтре 2 не увеличивается, несмотря на увеличение входного напряжения.
При уменьшении входного напряжения в некоторый момент времени выходное напряжение резистивного делителя на резисторах 4, 5 и 13 станет ниже напряжения пробоя стабилитрона 6, транзистор 9 закроется, на управляющем электроде силового транзистора 10 появится напряжение смещения со стабилитрона 11 и силовой транзистор 10 перейдет в открытое состояние. Также откроется транзистор 14 и зашунтирует резистор 13, что приведет к скачкообразному уменьшению выходного напряжения резистивного делителя и обеспечит релейный характер отпирания силового транзистора 10.
При пропадании входного напряжения напряжение на емкостном фильтре останется, однако за счет обратного для напряжения на емкостном фильтре включения разделительного диода 3 это напряжение не поступит на резистивный делитель и параметрический стабилизатор напряжения смещения силового транзистора 10; силовой транзистор 10 перейдет в закрытое состояние. Мгновенное появление входного напряжения с большой амплитудой не приведет к приложению к емкостному фильтру 2 аварийного значения амплитуды напряжения из-за закрытого силового транзистора 10. Такой режим работы предлагаемого устройства принципиально отличается от работы в тех же условиях известного устройства [3] и обеспечивает сохранение работоспособности блока питания при перебоях в электроснабжении.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенное преимущество перед прототипом в части надежности при резком изменении амплитуды входного напряжения благодаря отсоединению разделительным диодом управляющей цепи силового транзистора от открывающего напряжения, имеющегося на емкостном фильтре во время пропадания входного напряжения.
Список источников
1. Устройство защиты от перенапряжения // URL: http://prostoshema.ucoz.com/k_shemam/Ustr_ot_Perenap/1-.png.
2. Пат. 2457596 Российская Федерация, H02H 3/20. Устройство защиты от перенапряжения / ЖУ Чунхуи, ХУАНГ Джингджинг, ЛЬЮ Шуду. - Опубл. 27.07.2012. Бюл. №21.
3. High AC input voltage limiting circuit. Application note AN2625// URL: http://www.st.com/st-web-Ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00171116.pdf.