Устройство запуска источника питания на ёмкостную нагрузку

Полезная модель относится к области электротехнических устройств, в частности к схемам защиты источников питания приборов.
Известен электронный предохранитель на полевом транзисторе [http://www.joyta.ru/6097-elektronnyj-predoxranitel-na-polevom-tranzistore/ опубликовано 27.05.2014]. Данный электронный предохранитель подключается в разрыв цепи между источником питания и защищаемой нагрузкой. 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 при возникновении перегрузки по току устройство отключает источник питания от нагрузки и не обеспечивает автоматического включения источника питания после снижения тока нагрузки и таким образом не обеспечивает запуск источника питания на емкостную нагрузку.
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство защиты источника питания постоянного тока» [RU2595270 опубликовано 27.08.2016, МПК Н02Н 3/20]. Устройство содержит устройство сравнения в виде компаратора на операционном усилителе, в цепь положительной обратной связи которого включен резистор, источник опорного напряжения, соответствующие выводы которого подключены к устройству сравнения, к источнику питания, к нагрузке, к шине заземления. Также содержит резистивный делитель напряжения, содержащий последовательно соединенные подстроенный резистор, постоянный резистор, транзисторный ключ, соединенный с устройством сравнения, с нагрузкой, токоизмерительный резистор, соответствующие выводы которого подключены к шине заземления и к транзисторному ключу. Соответствующие выводы токоизмерительного резистора соединены с источником питания, истоком транзисторного ключа и резистивным делителем напряжения. 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 этом при превышении измеренным напряжением величины порогового напряжения происходит выключение напряжения питания нагрузки посредством транзисторного ключа, а при превышении пороговым напряжением величины измеренного напряжения происходит автоматическое включение напряжения питания нагрузки посредством транзисторного ключа.
Недостатком указанного устройства является сложность его схемотехнического решения.
При включении источника питания на емкостную нагрузку происходит заряд емкостной составляющей нагрузки, приводящий к повышению потребляемого тока до значений, превышающих допустимые для источника питания, что приводит к его неисправности или аварийному отключению. Однако это превышение кратковременно и длится до момента заряда емкостной составляющей нагрузки. Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание простого устройства, обеспечивающего запуск источника питания, подключенного к емкостной нагрузке и выход источника питания в штатный режим работы.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение схемотехнического решения устройства с обеспечением запуска источника питания на емкостную нагрузку.
Сущность предлагаемого устройства запуска источника питания на емкостную нагрузку, заключается в том, что оно содержит делитель напряжения, транзисторный ключ, токоизмерительный резистор, первый вывод которого подключен к шине заземления, а второй к истоку транзисторного ключа, устройство сравнения в виде операционного усилителя, источник опорного напряжения.
Новым в предлагаемом решении является то, что дополнительно введены стабилитрон, первый резистор, включенный между выходом устройства сравнения и затвором транзисторного ключа, второй резистор, первый вывод которого подключен к источнику опорного напряжения, а между его вторым выводом и шиной заземления параллельно включены стабилитрон и делитель напряжения. Выход делителя напряжения подключен к прямому входу устройства сравнения, кроме того второй вывод токоизмерительного резистора подключен к инвертирующему входу устройства сравнения, при этом источник питания подключен к устройству запуска источника питания на емкостную нагрузку через шину заземления, а емкостная нагрузка подключена к стоку транзисторного ключа. Делитель напряжения выполнен из двух последовательно соединенных резисторов.
На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства запуска источника питания на емкостную нагрузку.
ПОДКЛ
ОТКЛ
ЗАРЯДА
ПОР
НОМ
H
На фиг. 2 представлена временная диаграмма заряда емкостной нагрузки и тока заряда протекающего через нагрузку. На фиг. 2 обозначены t - момент времени подключения нагрузки транзисторным ключом, t - момент времени отключения нагрузки транзисторным ключом, t - момент времени полного заряда емкостной составляющей нагрузки, I - верхняя граница допустимого значения силы тока, I - номинальное значение силы тока, Q - максимальная величина заряда емкостной составляющей нагрузки.
Устройство запуска источника питания на емкостную нагрузку (11), содержит делитель напряжения (1), состоящий из двух последовательно соединенных резисторов (2) и (3), стабилитрон (4), токоизмерительный резистор (5), второй резистор (6), устройство сравнения (7) в виде операционного усилителя, первый резистор (8), транзисторный ключ (9), источник опорного напряжения (10).
К источнику опорного напряжения (10) подключен первый вывод второго резистора (6). Между вторым выводом второго резистора (6) и шиной заземления (12) параллельно друг другу включены делитель напряжения (1) и стабилитрон (4). Выход делителя напряжения (1) (средняя точка) подключен к прямому входу устройства сравнения (7). Первый вывод токоизмерительного резистора (5) подключен к шине заземления (12), а второй вывод к истоку транзисторного ключа (9) и инвертирующему входу устройства сравнения (7). К выходу устройства сравнения (7) подключен первый резистор (8), к которому последовательно подключен затвор транзисторного ключа (9). Сток транзисторного ключа (9) является выходом устройства запуска источника питания на емкостную нагрузку (11), а источник питания подключают через шину заземления (12).
Устройство запуска источника питания работает следующим образом.
Устройство запуска источника питания подключают в схему питания емкостной нагрузки (11), подключая его через шину заземления (12) к, например, отрицательному выходу источника питания, а сток транзисторного ключа (9) к одному из выводов емкостной нагрузки (11). При этом второй вывод емкостной нагрузки (11) подключают к положительному выходу источника питания.
5
ПОР
5
Токоизмерительный резистор (5) подключен к инвертирующему входу устройства сравнения (7), выполненного на операционном усилителе, например микросхеме 1114СК1У, и таким образом, падение напряжения U на нем подается на инвертирующий вход устройства сравнения (7). На прямой вход устройства сравнения (7) подается напряжение с выхода делителя напряжения (1), запитанного от источника опорного напряжения (10) через стабилитрон (4), например модели Д818Е, и второй резистор (6), который выполняет функцию токозадающего резистора для стабилитрона (4). Для стабилитрона Д818Е типовой ток стабилизации -10 мА. Номиналы резисторов делителя (2), (3), второго резистора (6) и токоизмерительного резистора (5), подобраны таким образом, что стабильное напряжение с выхода делителя (1) задает прецизионный порог U с которым устройство сравнения (7) сравнивает падение напряжения U на токоизмерительном резисторе (5).
5
7
При выключенном источнике питания через токоизмерительный резистор (5) не протекает ток, и падение напряжения U на нем равняется нулю. Соответственно устройство сравнения (7) на своем выходе выдает высокий уровень напряжения U, который через первый резистор (8), необходимый для ограничения ток затвора, поступает на затвор транзисторного ключа (9), выполненного, например на полевом транзисторе 2ПЕ210А1, и поддерживает его в открытом состоянии.
Н
ЗАР
5
ЗАР
ЗАР
5
ПОР
7
При включении источника питания на емкостную нагрузку (11) подается напряжение. Емкость нагрузки (11) С начинает заряжаться и нарастающий ток заряда I протекает через токоизмерительный резистор (5) и открытый транзисторный ключ (9). Падение напряжения U=I⋅R5 на токоизмерительном резисторе (5) (R5 - величина сопротивления токоизмерительного резистора) нарастает. При значениях тока I в пределах допустимых значений падение напряжения U не превышает порогового напряжения U и на выходе устройства сравнения (7) формируется высокий уровень напряжения U, поддерживающий транзисторный ключ (9) в открытом состоянии.
ЗАР
ПОР
ОТКЛ
5
ПОР
ПОР
При приближении тока заряда I к верхней границе допустимого значения I (момент времени t на фиг. 2) падение напряжения U, превышает пороговое значение U и на выходе устройства сравнения (7) появляется низкий уровень напряжения, запирающий транзисторный ключ (9), и нагрузка (11) отключается от источника питания. Таким образом, предотвращается повышение тока заряда выше допустимого уровня I, который может привести к повреждению источника питания или его выключению.
ПОДКЛ
5
ПОР
После закрытия транзисторного ключа (7) ток уменьшается (момент времени t на фиг. 2), уровень напряжения U падает до значения меньшего порогового U, и устройство сравнения (7) снова выдает высокий уровень напряжения, отпирающее транзисторный ключ (9). И таким образом, нагрузка (11) снова подключается к источнику питания и продолжает заряжаться. Время подключения нагрузки (11) к источнику питания определяется быстродействием устройства сравнения (7) и транзисторного ключа (9) и может составлять несколько десятков микросекунд.
ПОР
Н
ЗАРЯДА
Н
Н
НОМ
5
ПОР
При повторном достижении тока заряда верхней границы допустимого значения I устройство аналогичным образом отключает нагрузку (11). Процесс отключения и подключения нагрузки (11) повторяется до полного заряда ее емкости С в момент времени I и приведен на Фиг. 2. После заряда емкости С величина заряда достигает максимального значения Q, и величина тока протекающего через емкостную нагрузку (11) уменьшается до номинального значения I, при котором падение напряжения на токоизмерительном резисторе U не превышает порогового напряжения U и устройство запуска обеспечивает постоянное подключение емкостной нагрузки (11) к источнику питания в процессе ее работы.
Источники питания, с которыми может применяться заявляемое устройство, могут быть различных типов, например импульсные источники питания производителей «Александер Электрик», «АЕДОН», «VICOR» и др., а емкостной нагрузкой выступать различные радиоэлектронные устройства, например СВЧ приемопередающие модули, фазовращатели и др.
5
ПОР
Предлагаемое схемотехническое решение устройства обеспечивает запуск источника питания на емкостную нагрузку (11) без пикового детектора в отличие от прототипа, путем сравнения уровня напряжения U на токосъемном резисторе (5) и прецизионного порога U, снимаемого с выхода делителя напряжения (1). Так же предлагаемое схемотехническое решение устройства предполагает его последовательное включение между нагрузкой и источником питания, тем самым сокращая количество соединений.
Таким образом, достигается простота схемотехнического решения предлагаемого устройства запуска источника питания на емкостную нагрузку.