ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и силовых цепей вторичных источников питания от переполюсовки и превышения напряжения.
Известно защитное реле (см. патент РФ №2524171, «Защитное реле», Саракава X., Янангихаси Ю., Маехара X., Танака Т., Суга Н., Суто И., опубликовано 27.07.2014), содержащее входную цепь, блок срабатывания и защитное реле. Входная цепь включает в себя средство переключения, резисторы деления напряжения, оптрон, подключенный через выходную цепь к блоку срабатывания, и средство регулировки порогового напряжения, соединенное с резисторами деления напряжения.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и, соответственно, ограниченная область применения, так как отсутствует функция защиты нагрузки от переполюсовки входного напряжения
Известно устройство защиты от перенапряжения и переполюсовки (см. патент РФ №26698 на полезную модель «Устройство защиты от перенапряжения и переполюсовки», Бендрышев Ю.Н., Переярченков А.П., Сидоров Ю.А., опубликовано 10.12.2002), содержащее последовательно включенный в цепь питания балластный резистор и стабилитрон в обратном включении, подключенный параллельно нагрузке. Между источником питания и балластным резистором включен нормально открытый электронный ключ, выполненный в виде биполярного транзистора в инверсном включении и с предельно допустимым значением напряжения коллектор-база, превышающим значение напряжения обратной полярности, коллектор которого соединен с первым выходом источника питания, эмиттер через балластный резистор соединен с первым входом нагрузки, а база через токоограничивающий резистор соединена со вторым выходом источника питания и со вторым входом нагрузки.
Недостатком данного устройства являются большие потери мощности на балластном резисторе и биполярном транзисторе при большом токе нагрузки.
Известно защитное устройство на полевом транзисторе (см. журнал «Радио» №2, 2007 г., - М: «ИД Медиа-Пресс», 2007 - с. 50. рис. 2), содержащее полевой транзистор, сток которого соединен с одним входом питания, а исток - с одним выводом нагрузки, другой вывод которой через выключатель соединен с другим входом питания, который через первый резистор подключен к затвору полевого транзистора, который через параллельно включенные стабилитрон и второй резистор соединен с истоком полевого транзистора.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и, соответственно, ограниченная область применения, так как отсутствует функция защиты нагрузки от перенапряжения. Другим недостатком данного устройства является низкая надежность, что связано с подгоранием контактов выключателя при большом токе нагрузки.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание защитного устройства с расширенными функциональными возможностями и областью применения, а также с повышенной надежностью работы.
Для достижения технического результата в защитное устройство, содержащее нагрузку, первый полевой транзистор, сток которого соединен с первым входом питания, затвор через первый резистор соединен со вторым входом питания, а исток соединен с первым выводом второго резистора и через первый стабилитрон - с точкой соединения первого резистора и затвора первого полевого транзистора, новым является то, что дополнительно введены второй полевой транзистор, биполярный транзистор, второй стабилитрон, диод, третий, четвертый и пятый резисторы, первый вывод последнего из которых соединен со вторым выводом второго резистора и базой биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с истоками первого и второго полевых транзисторов, а коллектор - с затвором второго полевого транзистора, сток которого соединен с одним выводом нагрузки и, через последовательно соединенные третий резистор и диод, - со вторым выводом пятого резистора, соединенного через второй стабилитрон со вторым входом питания и другим выводом нагрузки, затвор второго полевого транзистора соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму входу питания непосредственно или через последовательно соединенные светодиод и выключатель.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет расширить функциональные возможности и область применения за счет введения функций защиты от превышения входного напряжения. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность работы устройства в ручном режиме управления с помощью выключателя, так как большой ток нагрузки коммутируется с помощью второго полевого транзистора, а через контакты выключателя протекает ток управления, ограниченный сопротивлением четвертого резистора. Светодиод повышает удобство пользования защитным устройством в ручном режиме управления, индицируя состояние перенапряжения.
На фиг. 1 приведена схема защитного устройства, работающего в автоматическом режиме (без участия человека), на фиг. 2 - схема защитного устройства, работающего в режиме ручного управления.
Защитное устройство содержит нагрузку 1, первый полевой транзистор 2, сток которого соединен с первым входом питания 3, затвор через первый резистор 4 соединен со вторым входом питания 5, а исток соединен с первым выводом второго резистора 6 и через первый стабилитрон 7 - с точкой соединения первого резистора 4 и затвора первого полевого транзистора 2, второй полевой транзистор 8, биполярный транзистор 9, второй стабилитрон 10, диод 11, третий 12, четвертый 13 и пятый 14 резисторы. Первый вывод пятого резистора 14 соединен со вторым выводом второго резистора 6 и базой биполярного транзистора 9, эмиттер которого соединен с истоками первого 2 и второго 3 полевых транзисторов, а коллектор - с затвором второго полевого транзистора 8, сток которого соединен с одним выводом нагрузки 1 и, через последовательно соединенные третий резистор 12 и диод 11, - со вторым выводом пятого резистора 14, соединенного через второй стабилитрон 13 со вторым входом питания 5 и другим выводом нагрузки 1, затвор второго полевого транзистора 8 соединен с первым выводом четвертого резистора 13, второй вывод которого подключен к входу питания 5 непосредственно или через последовательно соединенные светодиод 15 и выключатель 16.
Защитное устройство (см. Фиг. 1) работает следующим образом.
Правильное подключение питания следующее: плюс подключается к первому входу питания 3, а минус - ко второму входу 5. Если питание подключено к устройству неправильно, то положительный потенциал со второго входа 5 через резистор 4 поступит на затвор транзистора 2, а через р-n переход стабилитрона 7 - на исток транзистора 2. Таким образом на затворе напряжение будет выше, чем на истоке, примерно на 0, 5 В. Этим напряжением транзистор 2 будет закрыт и встроенный в транзистор диод благодаря инверсному включению транзистора 2 также будет закрыт.Ток в нагрузку 1 не пойдет. При применении устройства в режиме ручного управления состояние переполюсовки может быть проиндицировано дополнительной цепью индикации, показанной на фиг. 2 пунктиром.
При правильном подключении устройства к источнику питания на исток транзистора 2 через встроенный в него диод поступит положительный потенциал напряжения, а на затвор через резистор 4 поступит отрицательный потенциал, и транзистор 2 откроется, подключив напряжение питания к следующему каскаду схемы. Указанное напряжение будет через резистор 13 приложено между истоком и затвором транзистора 8 и откроет его. Через резистор 12, диод 11 и стабилитрон 10 потечет ток, который создаст на стабилитроне 10 опорное напряжение. Разница между входным и опорным напряжениями через делитель на резисторах 6 и 14 будет приложена к базо-эмиттерному переходу транзистора 9.
Если входное напряжение ниже заданного уровня, то транзистор 9 останется закрытым, а транзистор 8 - открытым, и через него напряжение питания поступит на нагрузку 1.
Если входное напряжение выше заданного уровня, то транзистор 9 откроется и закроет транзистор 8. При этом положительная обратная связь через резистор 12 и диод 11 сделает процесс выключения лавинообразным. Диод 11 предотвратит попадание напряжения с коллектора открытого транзистора 9 в нагрузку 1. При снижении напряжения питания ниже другого уровня, расположенного под заданным уровнем транзистор 9 закроется, а транзистор 8 откроется. Благодаря положительной обратной связи процесс открывания также будет лавинообразным.
При применении устройства в режиме ручного управления (см. фиг 2) транзистор 8 будет оставаться закрытым до тех пор, пока не будут замкнуты контакты включателя 16. Замыкание контактов выключателя 16 будет означать включение питания нагрузки. При этом затвор транзистора 8 окажется соединенным через резистор 13, светодиод 15 и замкнутые контакты выключателя 16 с отрицательным входом питания 5. Далее схема будет работать также, как описано выше. При срабатывании защиты от превышения напряжения через открытый транзистор 9 резистор 13, светодиод 15 и выключатель 16 будет протекать ток, под воздействием которого светодиод 15 будет светиться, индицируя режим перенапряжения. При отсутствии перенапряжения транзистор 9 будет закрыт, ток через светодиод 15 будет близок к нулю и светодиод светиться не будет.
При включении питания нагрузки 1 выброс тока, обусловленный зарядом емкости нагрузки, будет протекать через канал транзистора 8, который для этого должен быть достаточно мощным. Через выключатель 16 при этом будет протекать небольшой ток управления, что обеспечит долговечность его работы выключателя.
Проведено макетирование защитного устройства с использованием полевых транзисторов IRF4905, биполярного транзистора 2Т3108А, диода 2Д510А, стабилитронов 2С212Ц (первый стабилитрон) и 2С139В (второй стабилитрон) и резисторов С2-33Н. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.