Устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении импульсных преобразователей напряжения и тока (ИП).
Известны устройства защиты ИП от перегрузки по току, в которых превышение током, протекающим через датчик тока, порогового значения, приводит к выключению ИП [1]. Однако восстановление рабочего режима в ИП с такими устройствами защиты осуществляется отключением с последующей подачей входного напряжения, что не всегда возможно.
Устройства защиты от перегрузок по току и коротких замыканий, реализованные на основе управляющих контроллеров, позволяют сделать восстановление рабочего режима после устранения перегрузки автоматическим [2].
F
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий на выходе, функциональная схема которого представлена на фиг. 1 [3]. Устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий содержит управляющий контроллер с входом компаратора тока защиты (CS), входом задания частоты преобразования (F), выводом Общий (GND) и выходом управляющего импульса (OUT), где датчик тока (ДТ), подключен между входом компаратора тока защиты CS и выводом Общий управляющего контроллера, а частотозадающий конденсатор C подключен между входом задания частоты преобразования F и выводом Общий управляющего контроллера.
F
Н
З
Рассмотрим работу прототипа на основе обратноходового ИП. Частота работы управляющего контроллера определяется емкостью частотозадающего конденсатора C. Во время действия импульса на выходе OUT управляющего контроллера через датчик тока ИП протекают линейно нарастающий ток, скорость нарастания которого пропорциональна входному напряжению. Во время паузы на выходе OUT управляющего контроллера ток через датчик тока не протекает, а ток через силовой дроссель линейно уменьшается со скоростью, пропорциональной выходному напряжению ИП (на рисунках показан пунктиром). Ток нагрузки I ИП пропорционален среднему значению тока через силовой дроссель во время паузы на выходе OUT управляющего контроллера. Мгновенное значение напряжения на датчике тока постоянно контролируется компаратором тока защиты. Следует заметить, что ток в датчике тока прекращается не сразу после окончания импульса на выходе OUT управляющего контроллера, а с задержкой t, величина которой определяется задержкой закрывания силового ключа ИП.
Н Н
Сигналы на элементах прототипа во всех режимах работы ИП показаны на фиг. 2. Работа ИП условно разбита на 4 режима. При штатной работе ИП работает в режиме стабилизации выходного напряжения (интервал I), а длительность импульса на выходе OUT управляющего контроллера определяется сигналом обратной связи. На интервале I показан штатный режим работы ИП при максимальном входном напряжении и номинальном токе нагрузки I. В этом режиме мгновенное значение напряжения на датчике тока всегда меньше порогового значения напряжения компаратора тока защиты.
Н
Н Н.
Н Г
Н Н
Н
Н Н
На интервале II показан граничный режим работы ИП, когда пороговое значение напряжения на датчике тока достигается в конце действия управляющего импульса. Длительность выходного импульса управляющего контроллера на этом интервале также определяется сигналом обратной связи. Сопротивление нагрузки R ИП при этом меньше номинального значения R Однако, выходное напряжение ИП еще стабилизировано, поэтому наклон сигнала тока силового дросселя во время паузы управляющего импульса такой же, как и на интервале I. Ток нагрузки достигает граничного значения I>I. Такой запас устанавливается всегда при регулировке ИП, чтобы различные дестабилизирующие факторы, такие, как температура окружающей среды, давление воздуха, либо старение элементов, не приводили со временем к перегрузке ИП при номинальной нагрузке R=R. В зависимости от мощности ИП этот запас составляет 20…50%.
Н
Н Н
П.
З
Н
ПЕР
Н Г
Н Н
ПЕР
Н Н
На интервале III перегрузка увеличивается, R<R. Длительность выходного импульса управляющего контроллера ограничивается компаратором тока защиты, когда ток в датчике тока достигает порогового значения IДалее в течение времени t ток в датчике тока продолжает нарастать, что обусловлено задержкой силового ключа. Сопротивление нагрузки на интервале III еще меньше, чем на интервале II, а ток нагрузки ИП продолжает увеличиваться: I=I>I>I. Превышение выходного тока ИП над номинальным значением на этом интервале может составлять I=(1,5…2,5)×I в зависимости от мощности ИП. Выходное напряжение ИП значительно меньше номинального значения, поэтому наклон линии тока в дросселе ИП во время паузы более пологий, чем на интервалах I и II.
П
З
кз 1
КЗ 1
Н Н
И, наконец, интервал IV - режим короткого замыкания на выходе ИП. Поскольку выходное напряжение ИП равно 0, ток в силовом дросселе ИП во время паузы на выходе OUT управляющего контроллера практически не уменьшается. Поэтому во время появления выходного импульса управляющего контроллера ток уже превышает пороговое значение I, и импульс на выходе OUT практически мгновенно прекращается. Однако ток через силовой ключ продолжает протекать еще в течение времени t. Следует заметить, что, выходной ток ИП во время короткого замыкания I имеет максимальное значение вплоть до значений 1=(2,5…4)×I, при которых силовой дроссель ИП может насыщаться. В этом случае скорость нарастания тока резко увеличивается (показано пунктиром), что может приводить к значительным перегрузкам и выходу из строя силового ключа ИП.
Недостатком данного технического решения является зависимость выходного тока ИП от степени перегрузки. Несмотря на работу схемы ограничения тока, амплитудное значение тока, протекающего через датчик тока (а, следовательно, и через силовой ключ ИП) продолжает увеличиваться и достигает максимального значения при коротком замыкании на выходе ИП, что снижает надежность ИП и сужает область его применения.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются управляющий контроллер с входом компаратора тока защиты, входом задания частоты преобразования, выводом Общий и выходом управляющего импульса, датчик тока, подключенный между входом компаратора тока защиты и выводом Общий управляющего контроллера, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом задания частоты преобразования и выводом Общий управляющего контроллера.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является построения устройства защиты от перегрузок по току и коротких замыканий, в котором при перегрузке амплитудное значение тока датчика тока имеет стабильное значение и не зависит от степени перегрузки ИП, что исключает аварийные режимы работы силового ключа, повышает надежность ИП и расширяет область его применения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий, содержащее управляющий контроллер с входом компаратора тока защиты, входом задания частоты преобразования, выводом Общий и выходом управляющего импульса, датчик тока, подключенный между входом компаратора тока защиты и выводом Общий управляющего контроллера, частотозадающий конденсатор, подключенного между входом задания частоты преобразования и выводом Общий управляющего контроллера, отличающееся тем, что в него введены амплитудный детектор, делитель напряжения, транзистор и дополнительный конденсатор, причем вход амплитудного детектора соединен с входом компаратора тока защиты управляющего контроллера, а выход через крайние выводы делителя напряжения - с выводом Общий, средний вывод делителя напряжения соединен с управляющим выводом транзистора, один силовой вывод которого подключен к выводу Общий, а другой через дополнительный конденсатор - к входу задания частоты преобразования управляющего контроллера.
Введение в устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий дополнительных элементов и новых связей позволило стабилизировать амплитудное значение тока через датчик тока, исключив тем самым перегрузку силового ключа, повысить надежность ИП и расширить область его 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. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий. Предлагаемое устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий содержит датчик тока 1, управляющий контроллер 2 с входом компаратора тока защиты, входом задания частоты преобразования, выводом Общий и выходом управляющего импульса, частотозадающий конденсатор 3, амплитудный детектор 4, делитель напряжения 5, транзистор 6 с управляющим и двумя силовыми выводами и дополнительный конденсатор 7.
В предлагаемом устройстве защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий датчик тока 1 подключен между входом компаратора тока защиты и выводом Общий управляющего контроллера 2, вход амплитудного детектора 4 подключен в входу компаратора тока защиты управляющего контроллера 2, а выход через крайние выводы делителя напряжения 5 - к выводу Общий управляющего контроллера, частотозадающий конденсатора 3 подключен между входом задания частоты преобразования и выводом Общий управляющего контроллера 2, средний вывод делителя напряжения 5 подключен к управляющему выводу транзистора 6, один силовой вывод которого соединен с выводом Общий управляющего контроллера 2, а другой через дополнительный конденсатор 7 - с входом задания частоты преобразования управляющего контроллера 2.
АД
ПЕР
Н
Сигналы на элементах предлагаемого устройства защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий показаны на фиг. 4. Предлагаемое устройство защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий работает следующим образом. Амплитудный детектор 4 выделяет амплитудную огибающую Uпериодического импульсного напряжения, формирующегося на датчике тока 1, и через делитель напряжения 5 управляет степенью открывания транзистора 6. В штатном режиме работы (интервал I) и в граничном режиме работы ИП (интервал II) предлагаемое устройство работает идентично прототипу. Во время перегрузки (интервал III) сигнал на выходе амплитудного детектора 4 достигает такого уровня, что начинает открываться транзистор 6, который подключает к частотозадающему конденсатору 3 дополнительный конденсатор 7. Частота работы управляющего контроллера 2 уменьшается (период работы увеличивается), что показано на фиг. 4. Так как время паузы также увеличивается, ток через силовой дроссель ИП при той же степени перегрузки спадает до меньшего значения, чем в прототипе. Это означает, что в нагрузке в этом режиме протекает ток перегрузки Iменьшего значения, чем в прототипе. С дальнейшим уменьшением сопротивления нагрузки R транзистор 6 открывается больше, и частота преобразования снижается еще больше. Следующий период работы ИП начнется с меньшего тока в датчике тока 1, чем в прототипе, а пауза начнется с того же значения тока в датчике тока 1, что и в предыдущем периоде работы управляющего контроллера 2.
КЗ 2
ПЕР
При коротком замыкании (интервал IV) транзистор 6 открыт максимально, и снижение частоты преобразования управляющего контроллера 2 также максимально. И даже с учетом того, что скорость уменьшения тока в силовом дросселе при коротком замыкании на выходе ИП во время паузы минимальна, регулировкой коэффициента передачи делителя напряжения 5 можно настроить, чтобы среднее значение тока в нагрузке I-I. На рис. 4 показан такой вариант настройки, что во время паузы импульса на выходе OUT управляющего контроллера уменьшение частоты преобразования ИП столь значительное, что ток в дросселе успевает уменьшиться до нуля.
Н
На фиг. 5 показаны сравнительные выходные характеристики прототипа и предлагаемого устройства защиты импульсного преобразователя от перегрузок по току и коротких замыканий. Настройкой коэффициента передачи делителя напряжения 5 и выбором емкости дополнительного конденсатора 7 можно получить практически вертикально спадающую характеристику ИП при уменьшении сопротивления нагрузки R с бесконечно большого значения (знак ∞ на графике) вплоть до 0 и превратить ИП в режиме перегрузки в генератор стабильного тока, что расширяет область его применения. При этом и амплитудное значение тока в датчике тока стабилизируется, что повышает надежность ИП в целом.
Источники, используемые при написании заявки
1. Левинзон С.В. Защита в источниках электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1990 - с. 84.
2. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЕКА, 1997 с. 176.
3. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЕКА, 1997 с. 93.