КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ
VOLTAGE SWITCHING UNIT WITH PROTECTION AGAINST CURRENT OVERLOAD

Изобретение относится к техническим средствам электронной техники и может быть использовано для коммутации напряжения от источника питания в блок нагрузки с защитой его от превышения тока, а также для защиты от перегрузки как источника питания, так и самого коммутатора напряжения.
Известен компенсационный стабилизатор напряжения [1] с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, ограничительный резистор и второй транзистор, управляющий электронным коммутатором.
Недостатком указанного устройства является невозможность полного отключения нагрузки от источника напряжения, что может привести к недопустимым режимам работы блока нагрузки. Например, если блоком нагрузки является электронное устройство, то элементы этого устройства будут находиться под пониженным недопустимым напряжением.
Известен ряд устройств - коммутаторов напряжения [2-5], построенных на основе последовательно соединенных электронного ключа и шунта; по увеличению падения напряжения на последнем с помощью компараторов и элементов логики осуществляется управление (выключение) электронного ключа.
Недостатком таких устройства является отсутствие ограничения пусковых токов, что может привести к ложному срабатыванию схемы защиты. Кроме того, устройства имеют пониженную помехоустойчивость из-за возможности ложного срабатывания логических элементов.
В качестве прототипа заявляемого устройства по функциональному назначению можно указать на «Ключевой стабилизатор постоянного напряжения» [6], имеющий защиту по току.
Устройство-прототип содержит в цепи прохождения тока в нагрузку электронный ключ, выполненный на транзисторе, и блок защиты от перегрузок, выполненный на n-p-n транзисторе. Эмиттер-коллекторный переход n-p-n транзистора подключен между эмиттером и базой транзистора электронного ключа. База n-p-n транзистора связана через резистор с общей точкой конденсатора и двух диодов (минусовые выводы). Второй вывод конденсатора связан с положительной шиной входного напряжения, вторые выводы диодов соединены: первого диода - с отрицательной шиной входного напряжения, второго диода - с выходом нагрузки по коммутируемому напряжения.
Устройство-прототип функционирует следующим образом.
При отсутствии короткого замыкания в нагрузке конденсатор (3) заряжается через база-эмиттерный переход n-p-n транзистора (14) практически до уровня напряжения питания (отличие от напряжения питания определяется падением напряжения на база-эмиттерном переходе). После зарядки конденсатора транзистор 14 запирается и происходит открытие транзистора (7) в цепи нагрузки. При появлении короткого замыкания или снижении сопротивления нагрузки конденсатор (3) начинает разряжаться, протекает ток через транзистор (14) и транзистор полностью или частично закрывается.
Недостатком указанного устройства является то, что при коммутации напряжения в нелинейную нагрузку (в которой сопротивление зависит от напряжения, например при ряде отказов полупроводниковых элементов в устройствах, запитываемых через коммутатор напряжения) или при частичном уменьшении сопротивлении нагрузки (при котором коммутирующий транзистор может перейти в линейный режим) электронный ключ переходит в режим ограничения тока, с чем связана повышенная рассеиваемая мощность на коммутирующем транзисторе. Это может привести к его перегреву и отказу.
Задача изобретения - увеличение надежности устройства за счет исключения режима стабилизации по току при любых видах и режимах нагрузки, а также расширения функциональных возможностей за счет возможности настройки времени коммутации тока относительно подачи входного напряжения.
Эта задача достигается тем, что в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные шину отрицательного потенциала входного напряжения, электронный ключ, второй вход которого соединен с шиной положительного потенциала входного напряжения, и шину отрицательного потенциала выходного напряжения, к которой подключен первый вход блока фиксации перегрузки, содержащий резистор и конденсатор, а также n-p-n транзистор, эмиттер и коллектор которого соединены соответственно с первым входом и управляющим входом электронного ключа в качестве второго входа и выхода блока фиксации перегрузки, дополнительно введен формирователь задержанного импульса, первый вход которого соединен с шиной положительного потенциала входного напряжения, второй вход соединен с шиной отрицательного потенциала входного напряжения, а выход соединен с третьим входом блока фиксации перегрузки, образованным базой n-p-n транзистора и выводом ограничительного резистора, соединенным последовательно с параллельно включенными резистором и конденсатором, вторые выводы которых являются первым входом блока фиксации перегрузки.
Формирователь задержанного импульса выполнен в виде RC-звена, вход которого является первым входом формирователя задержки и связан через резистор с коллектором транзистора, база-эмиттерный переход которого соединен параллельно конденсатору RC-звена, эмиттер является вторым входом формирователя задержанного импульса, выход которого соединен через конденсатор с коллектором транзистора.
Функционирование заявляемого устройства поясняется фиг.1-4.
На фиг.1 приведена схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току. На фиг.2 и 3 приведены примеры различного выполнения коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току. На фиг.1-3 показано:
1 - шина отрицательного потенциала входного напряжения,
2 - шина положительного потенциала входного напряжения,
3 - электронный ключ - в составе:
4 - ключевой элемент (полевой транзистор - на фиг.1 и 3, составной биполярный транзистор - на фиг.2), 5, 6 - резисторы режимного делителя напряжения;
электронный ключ 3 имеет: входы 3-1 (первый вход), 3-2 (второй вход), 3-7 (управляющий вход) и выход 3-18,
7 - блок фиксации перегрузки - в составе:
8 - n-p-n транзистор, 9 - резистор, 10 - конденсатор, 11 - ограничительный резистор;
блок фиксации перегрузки 7 имеет: входы 7-1 (второй вход), 7-12 (третий вход), 7-18 (первый вход) и выход 7-3,
12 - формирователь задержанного импульса в составе:
13 - транзистор, 14 - конденсатор, 15 - резистор, 16 - апериодическое звено из конденсатора 17 и резистора 18;
формирователь задержанного импульса 12 имеет входы 12-1 (второй вход), 12-2 (первый вход) и выход 12-7,
19 - шина отрицательного потенциала выходного напряжения,
20 - шина положительного потенциала выходного напряжения,
21 - блок нагрузки с емкостной (22) и активной (23) составляющими. На фиг.3 дополнительно показано:
24 - шунт,
25 - защитный диод.
пер
ном
На фиг.4 показаны копии осциллограмм, зафиксированных при моделировании одной из реализаций заявленного устройства: а - пример формы напряжения, поступающего на вход устройства (между точками 2 и 1), б - возможный характер дополнительной нагрузки в виде отношения тока перегрузки I к номинальному току I, в - напряжение на нагрузке 21, г - ток нагрузки, д - ток нагрузки с увеличенным масштабом по времени.
Устройство выполнено следующим образом.
Шина отрицательного потенциала входного напряжения 1 (в дальнейшем по тексту - «шина 1») соединена с первым входом (3-1) электронного ключа 3, выход 3-18 которого соединен с шиной отрицательного выходного сигнала 18 (в дальнейшем по тексту - «шина 18») и первым входом (7-18) блока фиксации перегрузки 7. Второй вход (3-2) электронного ключа 3 соединен с шиной положительного выходного сигнала 20 (в дальнейшем по тексту - «шина 20») и первым входом (12-2) формирователя задержанного импульса 12. Второй вход (7-1) блока фиксации перегрузки соединен с шиной 1 и вторым входом (12-1) формирователя задержанного импульса 12, выход 12-7 которого соединен с третьим входом (7-12) блока фиксации перегрузки 7. Выход 7-3 блока фиксации перегрузки 7 соединен с управляющим входом (3-7) электронного ключа 3. Шина положительного входного сигнала 2 (в дальнейшем по тексту - «шина 2») объединена с шиной 20.
Электронный ключ 3 содержит ключевой элемент 4 (в качестве ключевого элемент может быть выбран полевой транзистор либо составной биполярный транзистор) и делитель напряжения, выполненный на резистора 5 и 6. Их общая точка соединена с затвором (при использовании полевого транзистора - см. фиг.1 и 3) или с базой (при использовании биполярного транзистора - см. фиг.2) - эта точка является управляющим входом (3-7) электронного ключа 3. Второй вывод резистора 5 внутри электронного ключа соединен с первым входом (3-1), а второй выход резистора 5 внутри электронного ключа соединен с вторым входом (3-2).
В блоке фиксации перегрузки 7 база n-p-n транзистора 8 соединена с первым выводом ограничительного резистора 11; их точка соединения является третьим входом (7-12) блока фиксации перегрузки. Резистор 9 и конденсатор 10 соединены параллельно; одна их общая точка является первым входом (7-18) блока фиксации перегрузки 7, другая их общая точка соединена с вторым выводом ограничительного резистора 11. Эмиттер транзистора 8 является вторым входом (7-1) блока фиксации перегрузки 7. Коллектор транзистора 8 является выходом (7-3) блока фиксации перегрузки 7.
В формирователе задержанного импульса 12 RC-звено 16 выполнено в виде последовательно соединенных конденсатора 17 и резистора 18. Общая точка их соединений (выход RC-звена) соединена с базой транзистора 13, эмиттер которого является вторым входом (12-1) и соединен с вторым выводом конденсатора 17. Коллектор транзистора 13 соединен через резистор 15 с первым входом (12-2) и с первым выводом конденсатора 14, второй вывод конденсатора 14 является выходом формирователя задержанного импульса 12. Вход апериодического звена 16 (второй вывод резистора 18) соединен с первым входом (12-2) формирователя задержанного импульса 12.
Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом.
1
10
2,1
Б
1
Пусть, например, в интервале от t до t между шинами положительного потенциала входного напряжения 2 и отрицательного потенциала входного напряжения 1 устройства подается напряжение U (осциллограмма а), фиг.4). Возникает ток I (базовый ток транзистора 8) в цепи: шина отрицательного потенциала входного напряжения 1 → эмиттер-база n-p-n транзистора 8 → резистор 11 → конденсатор 10 → нагрузка 21 → шины 2 и 20. Значение этого тока (осциллограммы г) и д), время t) (фиг.4) в момент подачи напряжения определяется значением резистора сопротивления 11 и емкостной составляющей нагрузки 22 блока нагрузки 21. Значение сопротивления резистора 11 выбирается исходя из условия открытия транзистора 8. При открытии транзистора 8 напряжение между затвором и истоком (или базой и эмиттером - для фиг.2) ключевого элемента 4 (в частности, транзистора) устанавливается на уровне, при котором он закрыт, и ток в нагрузку не течет.
1
1
2
Одновременно (начиная с момента времени t) происходит заряд конденсатора 17 через резистор 18 до напряжения, при котором открывается база-эмиттерный переход транзистора 13 (интервал времени от момента t до момента t). Постоянная времени заряда конденсатора 17 определяется постоянной времени RC-звена 16. Далее начинает открываться транзистор 13, вследствие чего начинает закрываться транзистор 8, на переходе затвор-сток транзистора 4 появляется напряжение, достаточное для открытия последнего. Для различных типов полевых транзисторов это напряжение может быть в пределах от (2-4) В до (10-15) В. Для биполярных транзисторов это напряжение может быть в пределах от (0.6 до 0.8) В. Время открытия транзистора 4 определяется постоянной времени RC-звена 16, которую выбирают исходя из следующих факторов:
- обеспечение малых пусковых токов - обычно не более (2.5-3.0) значений от значения рабочего тока,
2
3
Б
- малого времени переходного процесса - от времени переходного процесса зависит выделяемое тепло на ключевом элементе 4 (в течение времени переднего фронта он находится в линейном режиме). Переходный процесс заканчивается в течение времени от момента t до момента t (фиг.4). В процессе появления напряжения на нагрузке (осциллограмма д) (фиг.4) ток I прекращается, и транзистор 8 запирается.
4
Далее (до момента t) идет режим пропускания номинального тока, определяемого активной составляющей сопротивления нагрузки.
4
7
2
5
6
7
Если, например, в период времени от момента t до момента t возникает «провал» напряжения (по абсолютному значению), возникают переходные процессы в цепях протекания тока нагрузки по переднему фронту провала (t-t) и по заднему фронту провала (t-t).
8
9
19, 18
Б
Б
При появлении перегрузки по току - при уменьшении активного сопротивления 23 нагрузки 21 или при коротком замыкании (участок t-t на осциллограмме б) - напряжение на нагрузке (U) начинает падать, появляется ток I, начинает открываться транзистор 8, начинает выключаться ключевой элемент 4 и уменьшается ток через нагрузку, что также способствует уменьшению выходного напряжения и увеличению тока I, т.е. возникает положительная обратная связь, способствующая прекращению тока через нагрузку.
Б
Пропадание короткого замыкания или восстановление сопротивления нагрузки не приводит к появлению напряжения на нагрузке и тока через нее, т.к. при выключенном электронном ключе напряжение на нагрузке 21 отсутствует, и ток I не прекращается.
Далее, если входное напряжение снять, а затем опять подать, схема восстанавливается и функционирует, как описано выше.
2,1
4
7
20, 19
1,18
4
5
6
7
Если, например, на входе коммутатора напряжения появится помеха, приводящая к уменьшению напряжения U (участок времени от t до t), то происходит уменьшение напряжения U. Уменьшение тока I на участке от tдо t, а также его увеличение на участке от t до t связано с током с перезарядом емкости нагрузки 22. После пропадания сигнала помехи напряжение на нагрузке восстанавливается до напряжения, которое было до действия помехи.
В зависимости от типа выбранного электронного ключа 4 и n-p-n транзистора 8, а также от необходимого соотношения между номинальным и пусковым токами, а также пиковыми значениями коммутируемого тока в момент появления перегрузки, в устройство могут быть, при необходимости, добавлены шунт 23 и диод 24. Шунт 23 используется в том случае, если падения напряжения на электронном ключе недостаточно для фиксации перегрузки по току на заданном уровне. Диод 24 служит для защиты база-эмиттерного перехода n-p-n транзистора 8, если указанный переход имеет низкое допустимое обратное напряжение.
3
2
1,18
2,1
20,19
По сравнению с известным коммутатором напряжения [6] предлагаемое изобретение имеет повышенную надежность за счет осуществления защиты электронного ключа от перегрузки по рассеиваемой мощности (температуре), т.к. исключается режим стабилизации по току - в устройстве отсутствует импульсный режим при перегрузке по току. Рассеиваемая мощность выделяется однократно в течение времени t-t для приведенного примера (осциллограмма д) (фиг.4) близка к значению I·(U-U)/4=(7-10) Вт в течение времени (2-3) мс.
Регулировка задержки времени включения электронного ключа обеспечивается выбором постоянной времени RC-звена - выбором номиналов конденсатора 17 и резистора 18. Задержка также зависит от коммутируемого напряжения. Расчеты и моделирование показывают, что время задержки для данной схемы устройства находится в пределах от 0.07 до 0.13 от значения RC. В частности, при значениях конденсатора 17, равных 10 мкФ, и резистора 18, равных 20 кОм, задержка составляет от 2 до 3 мс.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Литература
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. М.: «Радио и связь», 1986, стр.189б, рис.5.19.
2. Описание изобретения к патенту РФ №2210183, H03K 17/08.
3. Описание изобретения к патенту РФ №2258302, H03K 17/08.
4. Описание изобретения к патенту РФ №2240647, H03K 17/08.
5. Описание изобретения к патенту РФ №2208292, H03K 17/08
6. Описание изобретения к патенту РФ №2286593, G05F 1/569.