УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, электроники, импульсной и измерительной техники и может быть использовано при построении аварийных регулируемых источников питания с запщтой от перегрузок, преимущественно в цепях переменного тока, для питания электродвигателей, электронных схем, нагревательных и измерительных приборов.
Известны блоки питания, предусматривающие его отключение путем разрыва цепи тока или шунтирования нагрузки в случае возникновения перегрузки по току или напрялюнию (см. ЕПВ 0546963, Н02НЗ/20, 1992 и ЕПВ 036746, Н02НЗ/08, 1989 или заявку Франции 2466889, Н02НЗ/08, 1979). В этих устройствах используются термистор с реле , датчик напряжения с двумя реле или датчик тока с реле и плавким предохранителем.
Однако подобные устройства не обеспечивают функционирования запитываемых приборов при возникновении перегрузки, инерционны и обладают значительными габаритами.
В цепях питания приборов часто используются схемы, ограничивающие при перегрузке входные импульсы напряжения сверху так, что ток в нагрузке не прерывается (см. например патент США 5105328, Н02Н 3/20, 1992). Это устройство включает контрольные и детекторные контура, выходные ключи, переключатель, индикатор перегрузки, МОП-транзистор.
Основным недостатком известного устройства является то, что запитьюаемые приборы не защищены от перегрузок по току. Кроме того, устройство достаточно сложно.
Широкое распространение получили также устройства, предусматривающие рассеяние избыточной мопщости в дросселях, трансформаторах или запщтных цепочках в виде резистивного делителя, транзисторного ключа и шунтирующего диода (см. а. с. 630704, Н02Ш/02, 1976; а. с. 391787, H)2W/06, 1964; а. с. 421081, Ю2ВЗ/08, 1969 ИЛИ а. с. 1647740, Ю2НЗ/20,1988).
Однако реализация этих решений требует либо использования громоздких элементов, либо не позволяет рассеять значительную избыточную мощность.
Известно использование резервных источников питания. Так, в а. с. 492969, ro2Jl/10, 1970 описана система параллельного резервирования источников, так что при выходе из строя одного из них нагрузка перераспределяется на оставшиеся. В а. с. 336156, H02J9/00,1969 в качестве дополнительного аварийного источника питания использована конденсаторная батарея, а в системе автономного питания по а. с. 1582330, ro2J9/00, 1988 аккумуляторная батарея с обратимым стабилизатором напряжения.
К недостаткам описанных рещений следует отнести значительные аппаратурные затраты, а в двух последних случаях и невозможность длительной работы при возникновении значительной перегрузки по напряжению. Кроме того, ни одно из описанных устройств не защи1щет от токовой перегрузки.
Наиболее близким к предложенному устройству является решение по а. с. 1651348, Н02М7/06, 1988, в котором с помощью блока, содержащего двухполупериодный выпрямитель, транзисторную схему и накопительный конденсатор из выходных импульсов вьшрямителя, на их переднем и заднем фронте, выделяются импульсы зарядки конденсатора, выходное напряжение которого и подается на нагрузку. Таким образом, известное решение предусматривает непрерывное (в нормальном и аварийном режиме) выделение из каждого полупериода входного сигнала двух узких импульсов с крутым передним и задним фронтами, не совпадающих по времени с интервалами, на которых входное напряжение достигает нуля или максимума. Поскольку это устройство может быть испо.дьзовано для защиты от перегрузок по напря., оно может быть рассмотрено как устройство аварийного питания.
Известное устройство содержит двухполупериодный выпрямитель, транзисторный ключ, управляющей транзисторный элемент, диод и конденсатор, который включен параллельно нагрузке, которая через диод и транзисторный ключ подключена к выходу выпрямителя. База транзисторного ключа соединена с выходом управляющего транзимсторного элемента, вход которого соединен с
эмиттером транзисторного ключа, в коллекторную цепь которого включена нагрузка. В состав управляющего элемента входят два транзистора, пять резисторов и стабилитрон.
Недостатком данного устройства также является ограниченный диапазон регулировки мощности в нагрузке и возможность попадания на нее напряжений, превыщающих допустимую величину. Это объясняется тем, что формируемые импульсы отстоят от моментов перехода входного напряжения через нуль. Кроме того, по той же причине интервалы между импульсами велики, что требует фильтрации напряжения. Увеличение же емкости конденсатора делает устройство инерционным, снижает его надежность.
Немаловажньш недостатком известного устройства является и то, что оно не защищено от короткого замыкания нагрузки и не защищает нагрузку в случае пробоя транзисторного ключа. Кроме того, известное устройство достаточно сложно. И, наконец, будучи включено постоянно, известное устройство непрерывно потребляет значительную мощность.
Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования предлагаемого устройства, является расщирение диапазона регулировки мощности, выделяемой на нагрузке, исключение возможности попадания на нее напряжений, превыщешцих допустимое, обеспечение возможности защиты от короткого замыкания нагрузки и самой системы аварийного питания, т.е. защиты от токовых перегрузок, а также упрощение и повыщение надежности устройства при одновременном обеспечении его низкой стоимости и малости потерь в нем. Иными словами, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения является создание источников питания, осуществляющих мягкое ограничение тока при возникновении недопустимых перегрузок, что позволит нормально функционировать системе освещения или компьютеру в аварийной ситуации.
Указанный результат достигается тем, что устройство для осуществления способа, содержащее регулятор-ограничитель в виде транзисторного ключа, вход которого соединен с выходом управляюшэго транзисторного элемента, цепь питания которого подключена к цепи питания транзисторного ключа и его выводам, снабжено плавким предохранителем и диодом, регулятор-ограничите ль выполнен с делителем напряжения, подключенным к цепи питания транзисторного ключа, при этом выход делителя напряжения
соединен со входом управляющего транзисторного элемента, выполненного в виде транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, диод включен последовательно с регулятором-ограничителем, а их свободные выводы соединены с выводами плавкого предохранителя, включенного в цепь нагрузки.
15)и этом делитель напряжения молсет быть выполнен регулируемым.
Устройство может быть снабжено также вторым плавким предохранителем, включенным последовательно в цепь диода и регулятора- ограничителя.
Кроме того, регулятор-ограничитель может быть выполнен с элементом с N-образной характеристикой, включенным в цепь питания транзисторного ключа.
При этом элемент с N-образной характеристикой может быть выполнен в виде транзисторного ключа, токовые выводы которого образуют выводы элемента с N-образной характеристикой, и управляющего нормально открытого транзисторного элемента, токовые выводы которого соединены со входом транзисторного ключа и общей точкой двух резистивных элементов, свободные выводы которых подключены к токовым выводам транзисторного ключа, один из которых соединен со входом управляющего транзисторного элемента.
Кроме того, резистивный элемент, не зашунтированный входной цепью управляющего транзисторного элемента может быть выполнен в виде диода или цепочки последовательно соединенных диодов.
Целесообразно также выполнить элемент с N-образной характеристикой в виде транзисторного ключа, токовые выводы которого образуют выводы элемента с N-образной характеристикой, и управляющего нормально закрытого транзисторного элемента, токовые выводы и вход которого соединены соответственно со входом транзисторного ключа и первым выводом резистивного элемента, второй вывод которого подключен к одному из токовых выводов транзисторного ключа
При этом управляющий транзисторный элемент может быть выполнен в виде транзистора, коллекторный вывод которого соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен со входом управляющего транзисторного элемента и анодом диода или цепочки последовательно соединенных диодов, катод послед /// /
у -  него из которых подключен к базе транзистора.
Кроме того, второй вывод резистивного элемента мозкет быть подключен к одному из токовых выводов транзисторного ключа через источник напряшния смещения.
Рекомендуется также транзисторные ключи регулятора-ограничителя и/или элемента с N-образной характеристикой выполнить в виде составных биполярных транзисторов.
При этом число диодов, образущих резистивный элемент элемента с N-образной характеристикой равно или на единицу превышает число транзисторов в транзисторном ключе элемента с N-образной характеристикой.
Кроме того, коллекторы транзисторов, образующих составной транзистор транзисторного ключа элемента с N-образной характеристикой, могут быть соединены с эмиттерами соответствующих транзисторов, образующих составной транзистор транзисторного ключа регулятора-ограничителя, используемый в качестве источника напряжения смещения.
Целесообразно также транзисторные ключи регулятора-ограничителя и/или элемента с N-образной характеристикой выполнить в виде ШП-транзистора с резистивным элементом в цепи управления.
И, наконец, устройство может быть снабжено последовательно соединенными вторыми регулятором-ограничителем и диодом, подключенными параллельно-встречно первым регулятору-ограничителю и диоду.
фи этом второй предохранитель может быть включен в общую цепь регуляторов-ограничителей.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства. Фиг. 2,3 и 4,5 иллюстрируют варианты выполнения элемента с N-образной характеристикой. На фиг. 6 этот элемент показан с источником напряжения смещения, а фиг. 7 и 8 иллюстрируют применение составных транзисторов (транзисторов Дарлингтона) в ключах регулятора-ограничителя и элемента с N-образной характеристикой. В схеме устройства, показанной на фиг. 9 в качестве ключа использован ШП-транзистор, а на фиг. 10,11 ШП-транзистор использован в составе элементов с N-образной характеристикой. На фиг. 12 показано устройство с двумя регуляторами-ограничителями, а на фиг. 13 приведена временная диаграмма.
.
- ё поясняющая работу устройства. И, наконец, на фиг. 14 показана ВАХ элемента с N-образной характеристикой.
Предлагаемое устройство содержит (фиг. 1) плавкий предохранитель 1, регулятор-ограничитель, в состав которого входят управляншщй транзисторный элемент (транзистор) 2, транзисторный ключ 3, регулируемый делитель напряжения в виде переменного резистора 4 и резисторов 5,6, и коллекторный резистор 7 элемента 2, а также диод 8 и второй плавкий предохранитель 9. В цепь питания ключа 3 включен элемент 10 с N-образной характеристикой.
Шследний может быть выполнен в виде транзисторного ключа 11 (фиг. 2,3), управляющего транзисторного элемента 12 и резистивных элементов 13,14. Выходы элемента 10 обозначены позициями 15 и 16. Элемент 12 может быть выполнен в виде полевого транзистора 12 (фиг. 3) или транзистора 17, резистора 18 и диода 19 (фиг. 5).
В коллекторную цепь транзистора 11 может быть введен источник 20 напряжения смещения (фиг. 6), а в его эмиттерную и базовую цепи - резисторы 21,22 (фиг. 7,8). Разумеется, в качестве источника 20 может быть использована любая из исзвестных схем задания смещения от источника напряжения, не входящего в состав элемента 10. Резистор 23 (фиг. 9) устанавливается при использовании МОП-транзистора 3, а при использовании Ж)П-транзистора 11 устанавливается резистор 24 (фиг. 10,11). Позицией 25 обозначены клеммы входного переменного напряжения, позицией 26 - регулятор-ограничитель, 27 - его выводы (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом. Входное переменное напряжение подают на нагрузку через последовательно-согласно соединенные диод 8 и регулятор 26 (фиг. 1,12). При возникновении перегрузки и расплавлении предохранителя 1, регулятор или регуляторы 26 осуществляют формирование выходных импульсов, показанных на фиг. 13 (заштрихованные области), в течение которых ток поступает в нагрузку. Выбор именно начальных участков входных импульсов напряжение обусловлен тем, что при этом минимальна амплитуда напряжения или тока в нагрузке и длительность пауз между импульсами. В результате, до устранения неисправности в цепи питания или нагрузки, последняя питается ограниченным и регулируемым напряжением, обеспечивающим ее
-k нормальное функционирование приборов.
Рассмотрим работу устройства более подробно. В случае срабатьюания предохранителя 1 (фиг. 1), пока входное напряжение мало, транзистор 2 закрыт выходным напряжением делителя и транзистор 3 открыт, поскольку на его базу поступает входное напряжение. При возрастании же последнего и достижении некоторого порогового уровня транзистор 2 отпирается, потенциал базы транзистора 3 приблигкается к потенциалу общей шины и транзистор 3 закрывается. На этом заканчивается процесс формирования первого импульса выходного тока. Формирование второго импульса тока в нагрузке начинается при снижении выпрямленного напряжения ниже порогового уровня. При этом транзистор 2 закрывается, а транзистор 3 открывается.
Поскольку пороговое напряжение задается параметрами делителя напряжения и транзистора 2, изменение входного напряжения приведет к соответствующему изменению длительности импульсов тока в нагрузке, компенсирующему изменение входного напряжения и ограничивающему перегрузку. Таким образом обеспечивается защита от перегрузки по напряжению.
Регулировка средней мощности в нагрузке производится изменением сопротивления резисторов 4-6, составляющих делитель, например, изменением сопротивления резистора 4.
Для защиты от токовой перегрузки, возникающей, например, при коротком замыкании в цепи нагрузки или заклинивании вала запитываемого двигателя постоянного тока, в эмиттерную цепь транзистора 3 включают элемент 10. Нетрудно видеть (фиг. 15), что на начальном участке своей характеристики этот элемент пропускает значительные токи при малых напряжениях, но по достижении током некоторой пороговой величины, определяемой точкой пересечения ВАХ элемента 10 с нагрузочной прямой, происходит переключение элемента 10 в высокоомное состояние и ограничечние тока в нагрузке, фи снятии перегрузки элемент 10 возвращается в низкоомное состояние и нормальное функционирование устройства продолжается.
Такая характеристика- элемента 10 объясняется тем, что в схеме, показанной на фиг. 2,3 на начальном участке характеристики элемент 12 открыт, а в схемах, показанных на фиг. 4,5 этот элемент закрыт. В результате, в обоих случаях элемент 11 на начальном участке открыт, а при достижении некоторого поро
- Йгового тока (напряжения) через элемент 10, элемент 12 запирает элемент 11 и элемент 10 переходит в вьюокоомное состояние.
Следует отметить, что схема регулятора 26 (фиг. 1) и схема элемента 10 (фиг. S-5) весьма схожи, что позволяет построить недорогое и надежное устройство питания и регулировки мощности со встроенной защитой от перегрузок по напряжению и току, обладающее достаточно малыми потерями.
Дальнейшему снижению потребляемой мощности и расщирению диапазона регулируемых напряжений способствует использование в ключевых элементах 3,11 составных транзисторов или полевых, преимущественно МОП-транзисторов. В первом случае во входной цепи транзисторов 12 (17) соответственно увеличивается число последовательно соединенных диодов (в схеме, приведенной на фиг. 7, число диодов 191 равно числу транзисторов Hi, а в схеме по фиг. 8 число диодов на единицу больше), а во втором - в цепь затвора вводится дополнительный резистор 23 или 24 (фиг. 9-11).
На фиг. 14 хорошо видна пятка на начальном участке характеристики. Шличие пятки приводит к некоторому увеличению потерь в элементе 10. Для снижения этих потерь вводится источник 20 (фиг. б) или используется соединение, показанное на фиг. 7, при которых транзистор 11 отпирается при нулевом напряжении на выводах 15,16 элемента 10.
Предохранитель 9 обеспечивает защиту в случае пробоя транзистора 3.
Таким образом предлагаемое устройство позволяют регулировать среднюю мощность в нагрузке в аварийном режиме в широких пределах, обеспечивая бесперебойную работу оборудования, защищать устройство и цепь нагрузки от перегрузок по напряжению и току с моментальным автоматическим восстановлением нормального функционирования после восстановления предохранителя и устранения неисправности. Устройство недорого, надежно и потребляет малую мощность.
Заявитель: .х г: 51еральный директор АОЗТ НоваКом
,«1- :пг:п- лх
- 8