УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE FOR PROTECTION OF DC POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты источников питания постоянного тока как импульсного, так и компенсационного (параметрического) типа от перегрузок и короткого замыкания в нагрузке (питаемом устройстве).
Известен регулируемый блок питания с защитой от перегрузки (www.Joyta.ru, опубл. 18.05.2014), содержащий первый операционный усилитель (далее ОУ), первый источник опорного напряжения, мощный транзисторный ключ и схему защиты, которая содержит: второй ОУ, образующий компаратор, второй источник опорного напряжения, токоизмерительный резистор (датчик тока), второй маломощный транзисторный ключ, кнопку без фиксации, резисторы, конденсаторы. Устройство позволяет обесточить нагрузку при возникновении в ней короткого замыкания или перегрузки. Включение питания после его отключения осуществляется нажатием кнопки включения либо кратковременным отключением от сети. Недостатком является отсутствие автоматического включения источника питания после устранения перегрузки или короткого замыкания в нагрузке.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является электронный предохранитель на полевом транзисторе (www.Joyta.ru, опубл. 27.05.2014), который включают между источником питания и нагрузкой (питаемым устройством). Электронный предохранитель содержит устройство сравнения в виде компаратора, выполненного на операционном усилителе, в цепь положительной обратной связи которого включены: последовательно соединенные первый диод, первый и второй резисторы, причем второй резистор при последовательном соединении с третьим резистором образует резистивный делитель напряжения, образующий в свою очередь со стабилитроном и первым резистором источник опорного напряжения, который подключен через первый диод к выходу компаратора, а также к шине заземления, к кнопке и к входу компаратора. Кроме того, электронный предохранитель содержит транзисторный ключ, выполненный на мощном полевом транзисторе, датчик тока, представляющий собой токоизмерительный резистор, установленный на выходе устройства (после устройства сравнения) и соединенный через транзисторный ключ с инверсным входом компаратора, устройство индикации. Устройство индикации включает соединенные последовательно светодиод и резистор и соединено с выходом компаратора и с кнопкой, которая в свою очередь, соединена через резистор и второй диод с транзисторным ключом, через диод с источником опорного напряжения, а также с источником питания и нагрузкой. Устройство позволяет в случае перегрузки или короткого замыкания в нагрузке отключить защищаемый источник питания от нее. Для включения питания требуется подать напряжение на затвор транзисторного ключа и источник опорного напряжения посредством кратковременного нажатия кнопки. Недостатком этого устройства является то, что не предусмотрено автоматическое включение источника питания после устранения перегрузки или короткого замыкания в нагрузке.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности источника питания постоянного тока за счет обеспечения автоматического выключения защищаемого источника питания при возникновении неисправности (перегрузки или короткого замыкания в нагрузке) и его последующего включения (автозапуска) после устранения неисправности.
Технический результат достигается тем, в что Устройстве защиты источника питания постоянного тока (далее - Устройство), содержащем устройство сравнения в виде компаратора на операционном усилителе, в цепь положительной обратной связи которого включен резистор, источник опорного напряжения, соответствующие выводы которого подключены к входу устройству сравнения, к нагрузке и к шине заземления, резистивный делитель напряжения, содержащий последовательно соединенные подстроечный резистор и постоянный резистор, транзисторный ключ, соединенный с выходом устройства сравнения и с нагрузкой, токоизмерительный резистор, соответствующие выводы которого подключены к шине заземления и к транзисторному ключу, соответствующий вывод источника опорного напряжения соединен с источником питания, соответствующие выводы токоизмерительного резистора соединены с резистивным делителем напряжения, истоком транзисторного ключа, источником питания. При этом Устройство дополнительно снабжено пиковым детектором, который при перегрузке задает цикличность передачи на инверсный вход устройства сравнения измеренного значения напряжения, поступающего с выхода резистивного делителя напряжения. При превышении измеренным напряжением величины порогового напряжения происходит выключение напряжения питания нагрузки посредством транзисторного ключа. При превышении пороговым напряжением величины измеренного напряжения происходит автоматическое включение напряжения питания нагрузки посредством транзисторного ключа. Обеспечение возможности автоматического включения и выключения источника питания обеспечивает повышение его эксплуатационной надежности, защищая подключенную нагрузку от перегрузки по току.
В предпочтительном варианте пиковый детектор на входе содержит диод, катод которого соединен с параллельно соединенными конденсатором и разрядным резистором, выведенными на шину заземления, а анод диода соединен с выходом резистивного делителя напряжения.
В предпочтительном варианте пиковый детектор содержит на входе дополнительный операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен диод, катод которого соединен с параллельно соединенными конденсатором и резистивным резистором, выведенными на шину заземления, а анод диода соединен с выходом операционного усилителя.
Автоматическое выключение и включение напряжения питания нагрузки в данной схеме достигается за счет одновременного применения в Устройстве следующих средств. Во-первых, включением на входе Устройства (до устройства сравнения) токоизмерительного резистора, контролирующего величину перегрузки, достигается постоянная готовность измерения тока и передачи измеренного значения напряжения на устройство сравнения при включении транзисторного ключа. Во-вторых, подключением источника опорного напряжения непосредственно к источнику питания обеспечивается постоянная подача опорного напряжения на устройство сравнения для его сравнения с измеренным напряжением, поступающим с выхода резистивного делителя напряжения. В-третьих, введением в схему Устройства пикового детектора при перегрузке обеспечивается необходимое время как выключения напряжения питания нагрузки, так и необходимое время включения питания нагрузки. Причем если перегрузка не устранена, этот процесс циклически может продолжаться сколь угодно долго, так как время включения питания нагрузки задается пиковым детектором и резистивным делителем напряжения таким кратковременным, что это не может привести к выходу из строя ни транзисторного ключа, ни Устройства в целом. При включении в схему Устройства дополнительного операционного усилителя обеспечивается повышение термостабильности порога срабатывания компаратора, что позволяет Устройству стабильно работать при перепадах температуры в десятки градусов Цельсия.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено устройство защиты источника питания постоянного тока в минимальной комплектации. На фиг. 2 изображено устройство защиты источника питания постоянного тока в предпочтительном варианте.
Устройство (на фиг. 1) содержит устройство сравнения 1 в виде компаратора на операционном усилителе 2, в цепь положительной обратной связи которого включен резистор 3 для задания гистерезиса, источник опорного напряжения 4, шину заземления 5, резистивный делитель напряжения 6, состоящий из последовательно соединенных подстроенного резистора 7 и постоянного резистора 8, токоизмерительный резистор 9, транзисторный ключ 10, пиковый детектор 11, содержащий диод 12 и параллельно соединенные конденсатор 13 и разрядный резистор 14, причем катод диода 12 соединен с инверсным входом устройства сравнения, с первыми выводами конденсатора 13 и разрядного резистора 14, вторые выводы которых выведены на шину заземления 5, а анод диода 12 подключен к выходу резистивного делителя 6.
На фиг. 2 показан пиковый детектор 11 в предпочтительном варианте. Пиковый детектор 11 содержит на входе операционный усилитель 15, в цепь отрицательной обратной связи которого включен диод 12, причем его катод соединен инверсным входом устройства сравнения 1 и с первыми выводами параллельно соединенных конденсатора 13 и разрядного резистора 14, вторые выводы которых выведены на шину заземления 5, а анод диода 12 подключен к выходу операционного усилителя 15.
В качестве опорного источника напряжения 4 может быть использован стабилитрон BZX84C5V6 компании Philips с гасящим резистором MCR18∗J102 Rohm (1,0 кОм) и создающем при помощи дополнительного делителя напряжения (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан) на прямом входе устройства сравнения 1 опорное напряжение величиной 0,56 В, с которым сравнивается напряжение на инверсном входе, поступающее на него с токоизмерительного резистора 9.
В качестве транзисторного ключа 10 может быть использован, в частности, мощный n-канальный МОП-транзистор IRFR3505PBF компании IRF.
Резистивный делитель напряжения 6 выполнен на последовательно соединенном подстроенном резисторе 7 PV36W103C01 Murata (10 кОм), предназначенном для установки точного значения величины тока, при котором сработает Устройство, и постоянном резисторе 8 MCR18∗J511 Rohm (510 Ом) для ограничения максимального тока через делитель напряжения при минимальном значении подстроенного резистора 7.
Токоизмерительный резистор 9 выбирают сопротивлением 0,1 Ом (может состоять, например, из десяти параллельно соединенных резисторов RC1206 F∗-∗ 1RL Yageo). Пиковый детектор 11 предназначен для запоминания величины тока перегрузки и удержания Устройства в выключенном состоянии необходимое время, которое задается постоянной времени разряда конденсатора 13. В минимальной комплектации пиковый детектор 11 содержит: диод 12, конденсатор 13 и разрядный резистор 14. Диод 12 может быть, например, типа BAS16 компании NXP или любой слаботочный диод Шоттки с минимальным прямым падением напряжения. В качестве конденсатора 13 может быть использован, например, конденсатор марки TAJB106M007 компании AVX (номиналом 100 мкФ). В качестве разрядного резистора 14 может быть использован резистор марки RC0805J∗-∗ 560KL фирмы Yageo (номиналом 560 кОм). При таких номиналах разрядного резистора 14 и конденсатора 13 постоянная времени разряда конденсатора 13 составит примерно 56 сек. При этом Устройство будет находиться в выключенном состоянии около 3-4 сек. Это связано с тем, что напряжение на конденсаторе 13 уменьшается не до величины 37% от его первоначального "запомненного" значения, а только до значения около 0,56 В, то есть почти до величины опорного напряжения на прямом входе устройства сравнения 1. После того как напряжение на инверсном входе станет меньше напряжения на прямом входе устройства сравнения 1, на выходе компаратора установится высокий уровень напряжения и транзисторный ключ 10 откроется. При этом конденсатор 13 заряжается через подстроечный резистор 7 и диод 12 до напряжения выше, чем опорное напряжение на прямом входе компаратора (если перегрузка была не устранена), и компаратор выключится. Постоянная времени заряда конденсатора 13 выбирается во много раз меньшей постоянной времени его разряда и зависит от величины подстроечного резистора 7. Если перегрузка или короткое замыкание не были устранены, а величина подстроечного резистора 7 составляет единицы кОм, транзисторный ключ 10 включается на время не более нескольких единиц миллисекунд и затем вновь выключается. В результате выделяемая импульсная тепловая мощность в нагрузке очень незначительна и Устройство может находиться в таком режиме сколь угодно долго, пока не будут устранены перегрузка или короткое замыкание. Изменяя параметры конденсатора 13, разрядного резистора 14, подстроечного резистора 7 и установив в пиковом детекторе 11 дополнительный операционный усилитель 15, при возникновении перегрузки можно увеличить время выключенного состояния Устройства, уменьшить время включенного состояния Устройства и, тем самым, повысить надежность работы Устройства.
Работа Устройства осуществляется следующим образом. К "+Uвх" и "-Uвх" подключают выход источника питания постоянного тока (при этом может быть подключен источник питания, например, импульсного, или компенсационного, или параметрического типа). К "+Uвых" и "-Uвых" подключают нагрузку, в частности питаемое устройство. При подаче сетевого питания на вход источника питания на его выходе появляется постоянное напряжение. При этом на прямом входе операционного усилителя 2 устройства сравнения 1 устанавливается опорное напряжение, которое выше напряжения на его инверсном входе. Величина напряжения на инверсном входе операционного усилителя 2 устройства сравнения 1 формируется резистивным делителем напряжения 6, состоящим из подстроечного резистора 7 и постоянного резистора 8 совместно с токоизмерительным резистором 9. Это напряжение поступает на инверсный вход устройства сравнения 1 через диод 12 и одновременно "запоминается" конденсатором 13 пикового детектора 11. В результате на выходе устройства сравнения 1 устанавливается высокий уровень напряжения, который открывает мощный полевой транзистор 10, и на выходе "+Uвых, -Uвых" появляется напряжение. При подключении к выходу "+Uвых", "-Uвых" нагрузки через транзисторный ключ 10 и через токоизмерительный резистор 9 начинает протекать ток нагрузки. На токоизмерительном резисторе 9 появляется падение напряжения, которое увеличивает напряжение на инверсном входе устройства сравнения 1, но которое по-прежнему меньше опорного напряжения на его прямом входе (если ток нагрузки не достиг своего максимального значения). При превышении тока нагрузки своего максимального значения напряжение, поступающее с резистивного делителя напряжения 6 через открытый диод 12 на инверсный вход устройства сравнения 1, превысит опорное значение напряжения на его прямом входе и компаратор переключится. Напряжение на выходе операционного усилителя 2 примет значение, близкое к нулю, и транзисторный ключ 10 закроется - напряжение с выходов "+Uвых, -Uвых" перестанет поступать в нагрузку. Точное значение порога срабатывания компаратора на операционном усилителе 2 выставляется подстроенным резистором 7, который является регулируемым. Резистор 3 является резистором положительной обратной связи и при выключении операционного усилителя 2 уменьшает опорное значение напряжения на доли вольта, создавая гистерезис. После переключения операционного усилителя 2 напряжение на аноде диода 12 станет меньше из-за выключения транзисторного ключа 10 и отсутствия падения напряжения на токоизмерительном резисторе 9 и диод 12 закроется. При этом напряжение на катоде диода 12 в первый момент времени не изменится вследствие того, что конденсатор 13 пикового детектора 11 "запомнил" значение напряжения на инверсном входе операционного усилителя 2 в момент его переключения. Далее конденсатор 13 начнет разряжаться через разрядный резистор 14, так как диод 12 всегда закрыт для разряда конденсатора 13 на резистивный делитель напряжения 6. Скорость разряда конденсатора 13 определяется величиной его емкости и величиной номинала разрядного резистора 14 (постоянной времени разряда). При этом напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 начнет уменьшаться. После того как напряжение на конденсаторе 13 станет меньше, чем на прямом входе операционного усилителя 2, компаратор снова переключится. На выходе операционного усилителя 2 появится напряжение, величина которого близка к напряжению на выходе источника питания. Транзисторный ключ 10 откроется, появится падение напряжения на токоизмерительном резисторе 9 и, если перегрузка не устранена, напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 станет больше опорного напряжения на его прямом входе, оно опять "запомнится" конденсатором 13 пикового детектора 11, а транзисторный ключ 10 вновь закроется, отключая нагрузку от источника питания. В таком режиме Устройство может находиться до тех пор, пока не будут устранены перегрузка или короткое замыкание.
При включении в схему пикового детектора второго операционного усилителя 15 его прямой вход подключается к выходу резистивного делителя напряжения 6, инверсный вход - к катоду диода 12 и к первым выводам конденсатора 13 и разрядного резистора 14, а выход - к аноду диода 12. Вторые выводы конденсатора 13 и разрядного резистора 14 подключены также к шине заземления 5. При этом отрицательный вывод питания операционного усилителя 15 подключен к шине заземления 5, его положительный вывод питания - к положительному выводу (+Uвх) источника питания. В результате температурные изменения прямого падения напряжения на диоде 12, а также величина его прямого напряжения при заряде конденсатора 13 будут скомпенсированы операционным усилителем 15. Поэтому напряжение на инверсном входе компаратора устройства сравнения 1 не будет подвержено температурным изменениям окружающей среды и будет в точности повторять величину напряжения на резистивном делителе напряжения 6 в точке соединения подстроечного резистора 7 и постоянного резистора 8, а не за минусом величины прямого падения напряжения на диоде 12.