Ионисторное устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений и провалов напряжения питания

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам защиты радиоэлектронной аппаратуры от отклонений питающего напряжения, и предназначена для повышения надежности работы радиоэлектронной аппаратуры путем защиты ее от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) и провалов напряжения, возникающих в сетях электропитания постоянного тока при нормальных и аварийных коммутациях мощного оборудования.
Известен способ защиты от импульсных перенапряжений [Патент №2264015 С1, Опуб. - 10.11.2005. - Бюл. №31], в котором защита от импульсов коммутационных и наведенных перенапряжений, а также ограничение пусковых токов при включении напряжения питания и его скачкообразного увеличения производится во время действия импульса за счет периодической коммутации цепи питания нагрузки бесконтактным ключом и сглаживании напряжения с помощью LC-фильтра. Управление бесконтактным ключом осуществляется в зависимости от напряжения на дросселе и скорости изменения напряжения на конденсаторе.
Недостатки способа:
- необходимость в устройствах отслеживания помехи и управления высокочастотной коммутацией ключа, а также в обеспечении защищенного электропитания таких устройств;
- высокочастотная коммутация создает помехи во входную сеть;
- не обеспечивает компенсацию провалов напряжения.
Известен фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений в сети постоянного тока [Патент №61480 U1; опуб - 27.02.2007], на входе которого фильтр радиопомех снижает уровень помех во входную сеть при высокочастотной коммутации силовых элементов в устройстве и нагрузке. Блок управления с двухуровневым компаратором и схемой задержки контролирует входное напряжение и ток с датчика тока и, после окончания переходных процессов по напряжению на входе, запускает работу драйвера ключа. Драйвер ключа высокочастотными импульсами с изменяемой скважностью коммутирует транзисторный ключ для поддержания постоянного тока. Параметры дросселя, защитного диода и конденсатора выбраны так, чтобы удовлетворительно подавлялись короткие помехи микросекундного диапазона.
При воздействии длительных импульсов миллисекундного диапазона драйвер закрывает транзисторный ключ, и все напряжение помехи прикладывается к высоковольтному транзисторному ключу. Параллельно транзисторному ключу включен варистор, защищающий ключ от пробоя.
Недостатками известного устройства являются:
- питание блока управления и драйвера происходит от незащищенной сети и подвержено воздействию ИКП;
- не обеспечивает бесперебойное электропитание при длительных импульсах;
- не обеспечивает питание при провалах напряжения в сети.
Наиболее близким к заявленному решению может быть отнесено устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений [Патент №2309534 С1, опуб. - 27.10.2007.- Бюл. №30], содержащее мощный высоковольтный электронный ключ в виде IGBT-модуля с разрядным диодом, датчик тока, выходной LC-фильтр, устройство управления модулем (УУМ) и устройство контроля напряжения (УКН), один вход которого подключен к входному плюсовому выводу и первому входу электронного ключа, а второй к выходному плюсовому выводу и выходу LC-фильтра, выход УКН подключен к первому входу УУМ, на второй вход УУМ подается сигнал с выхода датчика тока, выход УУМ связан с управляющим входом электронного ключа, выход электронного ключа подключен к входу датчика тока, выход датчика тока соединен с первым входом LC-фильтра, а второй вход LC-фильтра подключен к входному и выходному минусовым выводам, а также ко второму входу электронного ключа.
К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость мощного высоковольтного ключа с теплоотводом для обеспечения линейного режима работы схемы. Кроме того, схема не обеспечивает компенсацию провалов напряжения питания.
Таким образом, цель полезной модели - обеспечение постоянства и непрерывности электропитания защищаемой аппаратуры при возникновении ИКП и провалов напряжения питания.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство защиты от ИКП и провалов напряжения питания, содержащее выходной LC-фильтр, введены входной диод, первый и второй резисторы делителя напряжения, шунтирующий конденсатор, резистор смещения, супрессор защитный ключевого транзистора, ключевой высоковольтный р-канальный полевой транзистор с индуцируемым каналом, вспомогательный высоковольтный n-канальный полевой транзистор с встроенным каналом, супрессор защитный вспомогательного транзистора, диод демпферный, супрессор выходной, резистор зарядный, диод, ионисторный модуль, плюсовой вывод которого подключен к аноду диода, а через резистор зарядный соединяется с выходным плюсовым выводом, катодом диода, первым выводом конденсатора фильтра и вторым выводом дросселя фильтра, первый вывод дросселя фильтра соединен со стоком ключевого высоковольтного р-канального полевого транзистора, катодом демпферного диода и катодом выходного супрессора, анод которого соединен с выходным минусовым выводом, минусовым выводом ионисторного модуля, вторым выводом конденсатора фильтра, анодом демпферного диода, затвором вспомогательного высоковольтного n-канального полевого транзистора, анодом супрессора защитного вспомогательного транзистора, минусовым входным выводом, первым выводом второго резистора делителя напряжения, второй вывод второго резистора делителя соединен с катодом супрессора защитного вспомогательного транзистора, истоком вспомогательного полевого транзистора, с первым выводом шунтирующего конденсатора, первым выводом первого резистора делителя напряжения, второй вывод которого соединен с истоком ключевого полевого транзистора, катодом супрессора защитного ключевого транзистора, вторым выводом шунтирующего конденсатора, катодом входного диода, первым выводом резистора смещения, второй вывод которого соединен с анодом супрессора защитного ключевого транзистора, с затвором ключевого полевого транзистора и со стоком вспомогательного полевого транзистора, анод входного диода соединен с плюсовым входным выводом.
На фиг. 1 приведена схема электрическая принципиальная ионисторного устройства защиты от ИКП и провалов напряжения питания.
Ионисторное устройство защиты от ИКП и провалов напряжения питания содержит входной диод 3, делитель входного напряжения на резисторах 4 и 5, шунтирующий конденсатор 6, резистор смещения 7, супрессор защитный ключевого транзистора 8, высоковольтный вспомогательный n-канальный полевой транзистор с встроенным каналом 9, супрессор защитный вспомогательного транзистора 10, ключевой высоковольтный р-канальный полевой транзистор 11, диод демпферный 12, супрессор выходной 13, дроссель 14, конденсатор 15, резистор зарядный 16, диод 17, ионисторный модуль 18.
Устройство работает следующим образом.
Номинальное сетевое или бортовое входное напряжение питания постоянного тока (Ивх) подается на входные контакты 1 и 2. Через последовательно включенный входной диод 3 оно попадает на исток ключевого высоковольтного р-канального полевого транзистора с индуцированным каналом 11, а через резистор 7 на его затвор. Вспомогательный высоковольтный n-канальный полевой транзистор с встроенным каналом 9 открыт, поскольку коэффициент деления резистивного делителя на резисторах 4 и 5 подобран таким образом, чтобы при отсутствии импульсов ИКП напряжение между затвором и истоком вспомогательного транзистора 9 было меньше напряжения отсечки. Поэтому через резистор 7, вспомогательный транзистор 9 и резистор 5 течет ток, создающий падение напряжения на резисторе 7. В результате на затворе ключевого транзистора 11 формируется отрицательный потенциал относительно его истока и ключевой транзистор 11 открыт. Далее входное напряжение через низкочастотный фильтр из дросселя 14 и конденсатора 15 прикладывается к выходным контактам 19 и 20 для питания нагрузки, одновременно происходит зарядка ионисторного модуля 18 через резистор зарядный 16.
При появлении ИКП на входных клеммах 1 и 2 напряжение на выходе резистивного делителя на резисторах 4 и 5 возрастает, напряжение между истоком и затвором вспомогательного транзистора 9 превышает напряжение отсечки, и вспомогательный транзистор 9 запирается. В результате напряжение между затвором и истоком ключевого транзистора 11 приблизится к нулю, и ключевой транзистор 11 закроется, отсекая нагрузку от импульса перенапряжения. Одновременно питание нагрузки будет происходить от ионисторного модуля 18 через диод 17 в обход резистора зарядного 16. Емкость ионисторного модуля 18 определяется максимальным временем питания нагрузки, максимальным током нагрузки и допустимым падением напряжения на модуле ионисторном 18 при разрядке. Высоковольтный шунтирующий конденсатор малой емкости 6 предназначен для ускорения запирания вспомогательного транзистора 9, при этом супрессор 10 ограничивает напряжение между затвором и истоком вспомогательного транзистора 9. Супрессор 8 защищает ключевой транзистор 11 от перенапряжения между затвором и истоком при задержке срабатывания вспомогательного транзистора 9. Низкочастотный LC-фильтр, состоящий из дросселя 14 и конденсатора 15, служит для сглаживания импульсов микросекундного диапазона, появляющихся на выходе в результате задержки срабатывания вспомогательного транзистора 9 и ключевого транзистора 11. Демпферный диод 12 устраняет отрицательные выбросы напряжения. Супрессор 13 дополнительно служит для защиты нагрузки и ионисторного модуля 18 от импульсов микросекундного диапазона, которые попадают на выход при задержке запирания ключевого транзистора 11.
При появлении провалов напряжения питания на клеммах 1 и 2 напряжение на клеммах 19 и 20 становится ниже значения на ионисторном модуле 18, и питание нагрузки происходит от ионисторного модуля 18 через диод 17. Входной диод 3 не дает ионисторному модулю разряжаться через сетевой источник, а также защищает схему устройства от изменения полярности входного сигнала.
Таким образом, в отличие от известных, предложенное ионисторное устройство защиты от ИКП и провалов напряжения питания за счет применения ионисторного модуля позволяет избежать применения мощных транзисторных ключей для реализации релейных или линейных режимов стабилизации ИКП. При этом устройство обеспечивает защиту не только от кратковременных (порядка долей микросекунд) и длительных (вплоть до единиц секунд) ИКП, но и провалов напряжения аналогичных длительностей. Длительность работы в режиме защиты от ИКП и провалов напряжения питания определяется емкостью и рабочими токами зарядки и разрядки ионисторного модуля и потребляемой мощностью нагрузки.