Устройство ограничения выходного напряжения постоянного тока без разрыва цепи питания при воздействии на вход высоковольтных импульсов

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для защиты от импульсных перенапряжений входных цепей питания постоянным током радиоэлектронной аппаратуры. Более конкретно, полезная модель относится к устройствам ограничения выходного напряжения постоянного тока до безопасных значений при воздействии на вход высоковольтных импульсов без разрыва цепи питания.
В патенте RU 2421858 описано «Устройство защиты от перенапряжения», которое предназначено для защиты низковольтных установок, и имеет по меньшей мере один разъединительный элемент и один защитный элемент, прежде всего, варистор. Отдельные разъединительные элементы выполнены, предпочтительно, в виде предохранителей с тепловым реле, термически связанными с соотнесенными защитными элементами. Таким образом, у выполненных в виде варисторов защитных элементов может быть определен не только нагрев защитного элемента, возникающий при отводе согласно назначению, но также и постепенный нагрев, возникающий вследствие процессов старения вследствие длительного тока утечки или перегрузки. Недостатком такого решения является то, что при срабатывании защиты нагрузка отсоединяется от шин питания, и это происходит даже для незначительных превышений пороговых значений.
Известен также патент RU 2275726 "Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений», где система электропитания содержит источник питания, подключенные к нему через шины питания радиоэлектронную аппаратуру и пороговое стабилитронно-резисторное устройство, в котором последовательно соединенные управляемые элементы подключены параллельно радиоэлектронной аппаратуре. В режиме ограничения при возникновении импульсной помехи оба управляемых элемента (транзистора) открываются и образуют шунт между шинами питания. Недостатком такого решения является то, что при большой энергии импульса ток через шунтирующие транзисторы может оказаться больше допустимого, и они выйдут из строя. Таким образом, надежность такой схемы защиты оказывается весьма ограниченной.
Известен также патент RU 2502169 "Устройство защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства», где предложена схема с использованием электронного ключа на основе транзистора, который включается последовательно в разрыв плюсовой шины питания и работает в режиме «замкнуто»/«разомкнуто» в зависимости от значения напряжения в сети ТС и имеет малое по сравнению с длительностью импульса время включения/выключения, поэтому успевает отсекать короткие высоковольтные импульсы длительностью (например, менее 1 мкс). При перенапряжениях прибор питается от емкости, а при достижении нормального (номинального для данного транспортного средства) значения напряжения ключ возвращается в режим «замкнуто», и защищаемый электронный прибор начинает вновь работать от источника питания транспортного средства. Недостатком такого решения является то, что происходит разрыв цепи питания на время появления импульса напряжения, на входе при котором напряжение на выходе будет падать. Кроме того, работа от емкости для больших токов нагрузки и увеличенной длительности импульса перенапряжения требует емкость большого номинала.
Задача, для решения которой разработана полезная модель, заключается в ограничении выходного напряжения постоянного тока для питания потребителей до безопасных значений при воздействии на вход высоковольтных импульсов, при этом цепь питания потребителей не разрывается.
Импульсные помехи возникают в цепях питания за счет ЭДС самоиндукции индуктивностей шин питания при, например, отключении автоматикой нагрузок в случае перегрузок и/или короткого замыкания. Импульсы перенапряжения по шинам питания, не превышающие безопасных для системы защиты значений, необходимо ограничить безопасными значениями для нагрузок.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в повышении надежности функционирования подключенной радиоэлектронной аппаратуры.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство защиты, имеющее широкий диапазон рабочих напряжений, сопровождающийся при малых напряжениях большими токами в нагрузку, а именно устройство ограничения выходного напряжения постоянного тока при воздействии на вход высоковольтных импульсов без разрыва цепи питания (далее устройство), поясняемое с помощью рисунков, на которых
фиг. 1 - структурная схема заявляемого устройства,
фиг. 2 - работа ключа 1 устройства,
фиг. 3 - расчетные режимы работы устройства.
Параметры электронных элементов (транзисторов) устройства выбраны для рабочего диапазона входных напряжений Uвх до предельного значения V2.
Как видно на фиг. 1 устройство содержит входные шины Uвх для подключения источника питания постоянного тока, выходные шины питания Uвых для подключения нагрузки, параллельно включенные в разрыв между входом и выходом одной из шин питания электронный ключ 1, содержащий по меньшей мере один транзистор с низким проходным сопротивлением, и стабилизатор 2, содержащий по меньшей мере один управляемый транзистор с более высоким сопротивлением, а также первую схему управления 3, контролирующую ключ 1 и управляемую входным напряжением, и вторую схему управления 4, контролирующую стабилизатор 2 и управляемую выходным напряжением.
Напряжение в цепи на входе в устройство отслеживается первой схемой управления 3, управляющим параметром для которой является напряжение Uвх на входе устройства. (фиг. 2). Первая схема управления 3 связана с ключом 1 и контролирует его открытое или закрытое состояние. В нормальном режиме, когда входное напряжение Uвх, не превышает допустимого уровня V1, первая схема управления 3 поддерживает низкоомный электронный ключ 1 открытым. Электронный ключ 1 имеет низкое сопротивление и обеспечивает протекание токов в нагрузку при нормальном режиме работы с минимально возможным падением напряжения и с формированием на выходе устройства Uвых, соответственно, не превышающим V1.
В нормальном режиме работы транзисторы стабилизатора 2 также полностью открыты, но, по своим физическим характеристикам, имеют более высокое проходное сопротивление, снижающее протекающий через него ток, благодаря чему основной ток в нагрузку поступает через низкоомный ключ 1, т.е. при уровне входного напряжения Uвх ниже V1 электронный ключ 1 открыт и, имея более низкое сопротивление канала, шунтирует транзисторы стабилизатора 2, так, что ток в основном протекает через электронный ключ 1, при этом стабилизатор 2 также работает в режиме ключа.
При превышении Uвх допустимого значения V1, первая схема управления 3 закрывает ключ 1, но цепь не разрывается и ток далее идет по цепи только через функционирующий в режиме ключа стабилизатор 2, параметры которого выбраны на получение на выходе безопасного для нагрузки напряжения Uвых, не превышающего уровня V3, которое может быть больше или равно V1, но должно быть обязательно меньше предельного V2.
Уровень выходного напряжения отслеживается и контролируется второй схемой управления 4, которая при повышении выходного напряжения Uвых и приближении его к уровню заданного значения безопасного уровня V3 переводит стабилизатор 2 непосредственно в режим линейной стабилизации напряжения на уровне V3, т.е. работа стабилизатора 2 в режиме стабилизации обеспечивает непрерывное поступление тока в нагрузку и при возрастании входного напряжения до уровня V2 с сохранением уровня Uвых, равного V3. (фиг. 3).
Таким образом, заявленное устройство защиты обеспечивает бесперебойную работу нагрузки с передачей на выходные шины входного напряжения до уровня V1 в нормальном режиме работы и выходного напряжения Uвых до безопасного для нагрузки уровня V3 при наличии на входе импульса перенапряжения, превышающего уровень V1, и способного достичь уровня V2. Напряжение V3 всегда больше или равно напряжению V1 и меньше напряжения V2.
При спадании входного импульса до значения V1 и ниже схема переключается в перечисленные выше режимы в обратном порядке. Отслеживающая Uвых вторая схема управления 4 с понижением напряжения сначала переводит транзисторы стабилизатора 2 из режима линейного стабилизатора в полностью открытое состояние при Uвых на уровне V3 и закрытом электронном ключе 1, и затем Uвых продолжает снижаться вместе со снижением Uвх и по достижении Uвх уровня V1, первая схема управления 3 открывает включенный параллельно стабилизатору 2 электронный ключ 1, который имея более низкое сопротивление канала, шунтирует транзисторы стабилизатора 2, обеспечивая протекание тока в основном через себя.
Заявленное устройство защиты от перенапряжений предотвращает выход из строя элементов радиоэлектронных приборов или сбоя в работе других радиоэлектронных устройств, вызываемых выбросом достигающих высоких значений напряжений в цепи питания, при этом цепь питания потребителей не разрывается.
Заявленное устройство защиты от перенапряжений может быть выполнено как в составе защищаемого электронного устройства, так и в виде отдельного прибора.