Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок по току
PULSE VOLTAGE STABILIZER WITH OVERLOAD PROTECTION

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании блоков питания радиоаппаратуры и регулируемых микроэлектроприводов постоянного тока.
Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения (патент СССР №1198497), содержащий регулирующий транзистор, подключенный коллектором к входу LCD - фильтра, базой подсоединенный к выходу блока управления, а эмиттером - через датчик тока соединен с входным выводом, предназначенным для подключения к источнику питания, выход LCD - фильтра соединен с нагрузкой, первый вход компаратора напряжения соединен с средней точкой первого резистивного делителя напряжения подключенного к входным выводам, его второй вход объединен с средней точкой второго резистивного делителя напряжения и через нормально замкнутый контакт магнитоуправляемого реле и резистор соединен с выходом LCD - фильтра, первый резистор второго резистивного делителя напряжения соединен с общей шиной питания, а его второй резистор подключен к эмиттеру силового транзистора, выход компаратора напряжения подключен к входу блока управления, а также через магнитоуправляемое реле с общей шиной питания.
Недостатком известного устройства является низкая надежность функционирования в режиме анализа сопротивления нагрузки. В связи с тем, что в этом режиме сопротивление нагрузки (обычно составляющее единицы или десятки Ом) подключено параллельно второму резистору второго резистивного делителя напряжения, и если указанное сопротивление на 1-2 порядка больше сопротивления нагрузки, то выделить сигнал перегрузки довольно трудно. Если же сопротивления резистивных делителей выбраны достаточно низкоомными (сравнимые с сопротивлением нагрузки), то в них будет выделяться большая мощность, что приводит к значительному снижению к.п.д. Импульсного стабилизатора напряжения.
Данное устройство также недостаточно надежно функционирует при включении стабилизатора. В связи с тем, что потребляемый ток в момент включения стабилизатора превышает в 3-4 раза номинальное падение напряжения на датчике тока, возрастает и блок управления, сформирует сигнал на закрытие силового транзистора, что приведет к прекращению функционирования стабилизатора.
Наиболее близким по существу технического решения является импульсный стабилизатор постоянного напряжения с защитой от перегрузки по току (патент СССР №1361526). Он содержит регулирующий транзистор, коллектором подключенный к входу LCD - фильтра, образованного первым дросселем, первым конденсатором, подключенного параллельно выходным выводам и первым диодом, причем первый выход первого дросселя подключен к коллектору силового транзистора, а его второй выход - к выходному выводу, служащего для подключения нагрузки, первый диод своим первым выходом подключен к коллектору силового транзистора, а вторым - к общей шине питания, причем первый диод включен в прямом направлении, эмиттер силового транзистора объединен с входным выводом, компаратор напряжения, выход которого объединен с входом блока управления, а его выход подключен к базе силового транзистора, инвертирующий вход компаратора объединен с выходом резистивного делителя напряжения, первый выход которого объединен с общей шиной питания, а его второй выход подключен через последовательно соединенный диод и второй дроссель к коллектору силового транзистора, причем диод включен в прямом направлении, второй конденсатор, подключенный своим первым выходом к второму выходу резистивного делителя напряжения, а вторым - к общей шине питания, неинвертирующий вход компаратора напряжения подключен к элементу задержки, образованного третьим конденсатором и резистором, причем третий конденсатор первым своим выходом подключен к общей шине питания, а второй его выход объединен с неинвертирующим входом компаратора напряжения и первым выводом резистора, который своим вторым выходом через ограничитель напряжения, выполненный на базе стабилитрона, подключен к входному выводу, причем стабилитрон включен в прямом направлении.
Недостатком этого технического решения является низкая надежность функционирования, так как при пуске стабилизатора в первый момент времени ток через второй дроссель не протекает и напряжение на втором конденсаторе, а значит и на инвертирующем входе компаратора напряжения равно нулю. Блок управления формирует сигнал обеспечивающий запирание силового транзистора, что препятствует функционированию стабилизатора.
Все это снижает надежность функционирования импульсного стабилизатора напряжения.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности функционирования и КПД за счет исключения потерь мощности в силовом транзисторе стабилизатора напряжения при его перегрузке и коротком замыкании в цепи нагрузки.
Для достижения технического результата предложенный импульсный стабилизатор напряжения, также как и известный, содержит силовой транзистор, LCD - фильтр, состоящий из обратного диода, дросселя и конденсатора, подключенного параллельно выходным выводам, элемент сравнения, регулирующий усилитель, генератор пилообразного напряжения, двухвходовый компаратор, блок управления силовым транзистором и дифференцирующий усилитель, при этом один из выходов дросселя соединен с выходным выводом, а второй через обратный диод с общей шиной питания и через силовой транзистор с входным выводом, первый вход элемента сравнения предназначен для подключения к источнику сигнала управления, второй вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, присоединенного параллельно конденсатору фильтра, а к его выходу через регулирующий усилитель подключен неинвертирующий вход двухвходового компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а выход связан с входом блока управления силовым транзистором, к выходу которого присоединена база силового транзистора, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу второго резистивного делителя напряжения, первый выход которого объединен с общей шиной питания. В отличии от известного, в предложенный импульсный стабилизатор напряжения введены ключ, второй двухвходовый компаратор, логический элемент "И", третий резистивный делитель напряжения, а второй выход второго резистивного делителя напряжения подключен к второму выходу дросселя, при этом третий резистивный делитель напряжения включен между входным выводом и общей шиной питания, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения, выход дифференциального усилителя через ключ соединен с инвертирующим входом второго компаратора, неинвертирующий вход которого предназначен для подключения к источнику опорного напряжения, а выход соединен с одним из входов логического элемента "И", второй вход которого соединен с управляющим входом ключа и подключен к выходу первого компаратора напряжения, а выход соединен с входом блока управления силовым транзистором.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения с защитой от перегрузки по току (фиг. 1) и установившийся режим работы импульсного стабилизатора напряжения (фиг. 2).
Использование общеизвестных приемов для решения задачи повышения надежности функционирования и КПД путем снятия сигнала с датчика тока не может считаться эффективной мерой, так как при этом существенно ухудшается КПД стабилизатора.
С другой стороны, решение этой же задачи путем уменьшения падения напряжения на открытом силовом транзисторе при помощи двух делителей напряжения, один из которых представляет собой последовательно соединенные первый конденсатор, резистор и стабилизатор, а другой - последовательно соединенные второй конденсатор, диод и дроссель, не может считаться эффективной мерой, так как при пуске стабилизатора в первый момент времени ток через дроссель не протекает и падение напряжения на втором конденсаторе, а значит и на инвертирующем входе компаратора напряжения равно нулю, что препятствует функционированию данного устройства.
В результате решения поставленной задачи повышения надежности функционирования и КПД стабилизатора напряжения предложено новое техническое решение, материализованное в конструктивных признаках выполненной особым образом схемы управления силовым транзистором стабилизатора.
Все признаки импульсного стабилизатора напряжения, изложенные в формуле изобретения, являются необходимыми с точки зрения решаемой задачи и находятся между собой в устойчивой взаимосвязи, так что отбрасывание любого из них не позволяет достичь поставленной цели.
В известных источниках информации, указанная совокупность существенных признаков предложенных нами для решения поставленной задачи, не обнаружена, что дает основание классифицировать ее как удовлетворяющую критериям новизны и существенных отличий.
Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок по току содержит: силовой транзистор 1, LCD - фильтр 2, состоящий из обратного диода 3, дросселя 4 и конденсатора 5, подключенного параллельно выходам 6, элемент сравнения 7, регулирующий усилитель 8, генератор пилообразного напряжения 9, двухвходовый компаратор 10, блок управления силовым транзистором 11 и дифференцирующий усилитель 12, при этом один из выводов дросселя 4 соединен с выходным выводом 6, а второй через обратный диод 3 с общей шиной питания и через силовой транзистор 1 с входным выводом 14. Первый вход элемента сравнения 7 предназначен для подключения к источнику сигнала управления, второй вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения 15, присоединенного параллельно конденсатору 5 фильтра 2, а к его выходу через регулирующий усилитель 8 подключен неинвертирующий вход двухвходового компаратора 10, инвертирующий вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 9, а выход связан с ключом 16 и одним из входов логического элемента "И" 17 выход которого через блок управления 11 подключен к базе силового транзистора 1. Инвертирующий вход дифференциального усилителя 12 подключен к выходу второго резистивного делителя напряжения 18, первый выход которого объединен с общей шиной питания 13, а второй подключен к эмиттеру силового транзистора 1. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя 12 подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения 19, присоединенного параллельно входной клемме 14.
Выход дифференциального усилителя 12 через ключ 16 связан с инвертирующим входом двухвходового компаратора напряжения 20, его второй вход предназначен для подключения к источнику опорного напряжения. Выход двухвходового компаратора напряжения 20 соединен с вторым входом.
Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки по току в установившемся режиме работает описанным ниже образом (фиг. 2).
Двухвходовый компаратор 10 формирует импульс напряжения прямоугольной формы, ширина которого прямо пропорциональна разности напряжения управления и напряжения поступающего с первого резистивного делителя напряжения 15 выделенной сравнивающим элементом 7 и усиленного регулирующим усилителем 8. Сформированные импульсы напряжения прямоугольной формы поступают на один из входов элемента "И" 17 и на ключ 16. Одновременно с этим измеряется падение напряжения на открытом силовом транзисторе 1 с помощью резистивных делителей напряжения 18, 19 и дифференцирующего усилителя 12, которое поступает на второй вход ключа 16. Когда компаратор напряжения 10 сформирует импульс прямоугольной формы, ключ 16 откроется и на инвертирующий вход двухвходового компаратора напряжения будет подано измеренное падение напряжения на открытом силовом транзисторе 1, при этом на его неинвертирующий вход подается опорное напряжение.
Если при этом измеренное падение напряжения на силовом транзисторе 1 не превышает заданного опорного напряжения, то напряжение на выходе двухвходового компаратора напряжения 20 равно логической "1", это напряжение поступает на второй вход элемента "И" 17, на выходе которого, в свою очередь, формируется напряжение равное логической "1", что является разрешающим сигналом для блока управления силовым транзистором 11 и импульсный стабилизатор напряжения продолжает функционировать. При поступлении следующего управляющего импульса происходит повторение описанного выше процесса.
В момент пуска стабилизатора напряжение, на первом резистивном делителе напряжения 15 равно нулю, поэтому сигнал поступающий на неинвертирующий вход двухвходового компаратора напряжения 10 с регулирующего усилителя 8 будет максимальным. Двухвходовый компаратор напряжения 10 формирует импульс напряжения прямоугольной формы максимальный по ширине. Далее происходит описанный выше процесс.
Рассмотрим работу импульсного стабилизатора напряжения с защитой от перегрузок по току в режиме короткого замыкания в цепи нагрузки.
В этом случае падение напряжения на первом резистивном делителе напряжения 15 равно нулю, поэтому сигнал, поступающий на неинвертирующий вход двухвходового компаратора напряжения 10 через регулирующий усилитель 8 будет максимальным. Двухвходовый компаратор 10 формирует импульс прямоугольной формы, который подается на один из входов логического элемента "И" 17 и одновременно на ключ 16.
Блок управления 11 обеспечивает открытие силового транзистора 1. Одновременно с этим с резистивных делителей напряжения 18, 19 на входы дифференциального усилителя 12 поступает падение напряжения на открытом силовом транзисторе, которое прямо пропорционально его коллекторному току. Указанное напряжение через ключ 16 поступает на инвертирующий вход двухвходового компаратора напряжения 20 и сравнивается с опорным напряжением, поступающим на его неинвертирующий вход.
Как только падение напряжения на открытом силовом транзисторе, а значит и его коллекторный ток, превысит максимально допустимое значение установленное опорным напряжением, двухвходовый компаратор напряжения 20 изменит свое состояние на противоположное, то есть на его выходе, а значит и на одном из входов логического элемента "И" 17 устанавливается логический "0". Блок управления 11 сформирует сигнал, обеспечивающий закрытие силового транзистора 1. Силовой транзистор 1 закроется и его коллекторный ток станет уменьшаться. Как только коллекторный ток, а значит и падение напряжения силового транзистора 1 станет меньше максимально допустимого, двухвходовый компаратор напряжения 20 изменит свое состояние на противоположное, то есть на его выходе, а значит и на одном из входов логического элемента "И" установится логическая "1". Блок управления 11 сформирует сигнал на открытие силового транзистора 1.
вх
вх
вх
Техническая эффективность предложенного импульсного стабилизатора напряжения с защитой от перегрузок по току по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности функционирования и КПД, которое обеспечивается при разных уровнях стабилизированного выходного напряжения, изменяющегося (задаваемого) в диапазоне: от 0,05-0,1 U до U min (где U min - минимальный уровень нестабилизированного входного напряжения). Это достигается за счет обеспечения номинальных условий режима работы силового транзистора стабилизатора и ограничения его коллекторного тока на номинальном уровне, а также надежного пуска и функционирования стабилизатора.
Указанные преимущества предложенного импульсного стабилизатора напряжения с ограничением перегрузки по току, позволяют использовать его в блоках питания радиоаппаратуры и регулируемых микроэлектроприводах постоянного тока.
Пример реализации предложенного изобретения
Эффективность разработанного импульсного стабилизатора напряжения с защитой от перегрузок по току наиболее наглядно может быть оценена по росту технических показателей. Связано это с тем, что затраты на транспортировку и эксплуатацию импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) на подвижных автономных объектах во много раз превышает затраты на его разработку и изготовление.
Приведенные значения установлены на основе анализа литературных источников и проведенных расчетов.