Ограничитель напряжения с ограничением мощности

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников и систем электропитания для защиты от импульсных помех и входных перенапряжений.
Известен ограничитель напряжения, построенный на ограничительных диодах [1]. Недостатками данного технического решения являются низкая перегрузочная способность и малые времена действия перенапряжений (десятки микросекунд).
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ограничитель напряжения с ограничением мощности на выходе, 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 через первый резистор, 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, второй вход первого усилителя соединен с первым выводом программируемого источника тока, второй вывод которого соединен с общим проводом [2]. На фиг. 1 приведена функциональная схема прототипа.
Ограничитель напряжения настраивают на максимальное значение тока через ключ Кл установкой номинала резистора - датчика тока Rдт при минимальном значении входного напряжения:
КЛ.МАКС
ОП1
ДТ
I= U/R.
ОГР
Затем устанавливают значение напряжения ограничения U установкой номинала резисторов делителя напряжения ДН:
ОГР
ОП2
U = U×(1+R2/R3).
ВХ
ОГР
КЛ
КЛ.МАКС
Ограничитель напряжения работает следующим образом. При входном напряжении U ≤ U в установившемся режиме и токе ключа Кл I < I сигналы на выходах усилителей У1 и У2 соответствуют уровню логического нуля для элемента ИЛИ, на выходе которого устанавливается также нулевое состояние, и ключ Кл открыт.
КЛ.МАКС
ЗАД
ЗАД
КЛ.МАКС
При увеличении тока через ключ Кл сверх значения I на выходе усилителя У1 появляется сигнал логической единицы, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, закрывающий на время задержки t ключ Кл. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале времени через диод D. По истечении времени t одновибратор Од возвращается в исходное состояние и ключ Кл снова открывается. Процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном периоде работы ключа Кл текущее значение тока через него не достигнет значения I. Таким способом ключ Кл защищается от перегрузок по току, по какой бы причине они не произошли.
ОГР
ЗАД
ОГР
ОГР
При увеличении выходного напряжения ограничителя сверх значения U теперь уже на выходе усилителя У2 появляется сигнал, который через логический элемент ЛИ запускает одновибратор Од, также снимающий как минимум на время задержки t сигнал управления с ключа Кл и запирая его на указанное время. Откроется последний, когда напряжение на выходе ограничителя напряжения уменьшится менее значения U. В итоге при увеличении напряжения на входе ограничителя последний также переходит в импульсный режим работы, ограничивая напряжения на выходе на уровне U. При этом ключ Кл работает в импульсном режиме с минимальной рассеиваемой на нем мощностью.
Для того, чтобы выходная мощность ограничителя напряжения была постоянна во всем диапазоне входных напряжений, на второй вход первого усилителя У1 с первого резистора R1 подается напряжение, формируемое программируемым источником тока ПИТ:
R1
ПИТ
U=I×R1
R1
BX
Программируемый источник тока ПИТ подключен к выводам входного напряжения и формирует напряжение U=f(U) так, чтобы максимальный выходной ток ограничителя напряжения уменьшался пропорционально росту его выходного напряжения, поддерживая значение максимальной выходной мощности примерно постоянной. Это требование обуславливается свойствами нагрузки - импульсными преобразователей напряжения с высоким коэффициентом полезного действия, у которых потребляемая на входе мощность практически не зависит от величины входного напряжения.
ВХ
ОГР
Выходной ток программируемого источника тока ПИТ прототипа имеет два ярко выраженных участка. Сначала с ростом входного напряжения до значения U=U он нелинейно, после чего его увеличение должно прекратиться, т.к. выходное напряжение ограничителя напряжения стабилизируется на указанном уровне. Другими словами, стабилизация максимальной выходной мощности ограничителя напряжения достигается сложным устройством программируемого источника тока ПИТ и алгоритмом его работы, реализующими нелинейный характер изменения его выходного тока в зависимости от входного напряжения.
Недостатком известного технического решения является повышенная сложность устройства и алгоритма работы программируемого источника тока, что увеличивает стоимость ограничителя напряжения в целом, усложняет процесс его настройки, сужает область его применения.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторный датчик тока, подключенный 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, второй вход первого усилителя соединен через первый резистор с первым силовым выводом ключа и первым выводом программируемого источника тока, второй вывод программируемого источника тока.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение ограничителя напряжения с ограничением мощности, что снижает его стоимость, расширяет его функциональные возможности и область применения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается ограничитель напряжения с ограничением мощности, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторный датчик тока, подключенный 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, второй вход первого усилителя соединен через первый резистор с первым силовым выводом ключа и первым выводом программируемого источника тока, второй вывод которого соединен с выводом выходного напряжения.
Введение в устройство новых неочевидных связей позволило упростить устройство и алгоритм работы программируемого источника тока, что упрощает его регулировку, удешевляет ограничитель напряжения с ограничением мощности в целом, расширяет его функциональные возможности и область применения.
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 с ограничением мощности.
Предлагаемый ограничитель напряжения с ограничением мощности 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 с выводом входного напряжения, а второй силовой электрод через дроссель 10 - с выводом 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 выводу выходного напряжения. 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.
МАКС
ДТ
Ограничитель напряжения с ограничением мощности настраивают также, как и прототип, на максимальную выходную мощность Р, устанавливая максимальное значение тока через ключ Кл при минимальном значении входного напряжения регулировкой номинала резистора - датчика тока R:
КЛ.МАКС
ОП1
ДТ
I=U/R.
ВХ.МИН
BX
ОГР
Затем устанавливают параметры программируемого источника тока ПИТ таким образом, чтобы при изменении входного напряжения в диапазоне U ≤ U ≤ U он создавал на первом резисторе напряжение, определяемое из выражения:
R1
ОП1
ВХ.МИН
ВХ
U=U×(1-U/U).
ОГР
BX
ВХ.МАКС
ОГР
В прототипе необходимо настроить работу программируемого источника тока еще и в диапазоне входного напряжения U ≤ U ≤ U. В предлагаемом устройстве этого не требуется, т.к. программируемый источник тока подключен к выходу ограничителя напряжения с ограничением мощности и напряжение выше значения U не увеличивается, что устраняет один из двух участков работы программируемого источника тока ПИТ, упрощает устройство и алгоритм его работы и регулировки и уменьшает стоимость прибора в целом.
ОГР
Значение напряжения ограничения U устанавливают выбором номиналов резисторов делителя напряжения ДН исходя из выражения:
ОГР
ОП2
U=U×(1+R2/R3),
также, как это делается в прототипе.
ВХ
ОГР
КЛ
МАКС
ВЫХ
КЛ
МАКС
ВЫХ
ОП1
ЗАД
ЗАД
КЛ
МАКС
ВЫХ
Предлагаемый ограничитель напряжения с ограничением мощности работает следующим образом. При входном напряжении U ≤ U в установившемся режиме и токе ключа Кл I ≤ P/U сигналы на выходах усилителей У1 и У2 в состоянии логического нуля, а ключ Кл открыт. При увеличении мгновенного значения тока через ключ Кл сверх значения, определяемого выражением I > P/U, напряжение на первом входе усилителя У1 достигает значения U. На выходе усилителя У1 появляется сигнал логической единицы, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, запирающий на время задержки t ключ Кл. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через диод D. По истечении времени t ключ автоматически открывается и процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном открывании ключа текущее значение тока через него уже не достигнет значения I=P/U.
ОГР
ЗАД
ОГР
ОГР
При увеличении входного напряжения ограничителя сверх значения напряжения ограничения U на выходе усилителя У2 появляется сигнал логической единицы, который через логический элемент ИЛИ запускает одновибратор Од, запирающий как минимум на время задержки t ключ Кл. Откроется последний, когда напряжение на выходе ограничителя напряжения с ограничением мощности уменьшится менее значения U. В итоге при перенапряжении на входе ограничителя последний также переходит в импульсный режим работы, ограничивая среднее значение напряжения на выходе на уровне U. Поскольку программируемый источник тока ПИТ вырабатывает выходной сигнал, управляясь от выходного напряжения, максимальная выходная мощность устройства остается постоянной при любом входном напряжении.
ВЫХ
КЛ.МАКС
Кроме упрощения конструкции предлагаемое устройство имеет еще одно преимущество перед прототипом. При подаче входного напряжения в прототипе программируемым источником тока ПИТ сразу устанавливается максимальный ток через ключ Кл в соответствии с величиной входного напряжения. При этом он остается неизменным во время запуска. В предлагаемом же устройстве при запуске выходное напряжение в первый момент U=0, поэтому программируемый источник тока ПИТ устанавливает максимальное значение тока I через ключ КЛ, которое по мере увеличения выходного напряжения снижается до величины, устанавливаемой прототипом сразу. Это означает, что запуск предлагаемого устройства, выход на установившийся режим, будет происходить быстрее, чем прототипа, что расширяет его функциональные возможности и область применения.
Дополнительные полезные возможности предлагаемого устройства такие, как фильтрация сетевых помех и ограничение пускового тока в нагрузке - те же, что и у прототипа.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Колосов В.А. и др. Устройство подавления сетевых помех. Описание полезной модели №13729. - БИ №13, 2000 г.
2. Затулов С.Л., Миронов А.А. Ограничитель напряжения. Патент на полезную модель №153770, 2015 г.