УПРАВЛЯЕМОЕ ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО
OPERATED STARTING DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники и гидроакустики и предназначено для использования в устройствах электропитания передающих трактов с повторно кратковременными режимами работы.
Известны различные пусковые устройства [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94, патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011], обеспечивающие плавное подключение потребителей к напряжению сети объекта постоянного тока, формируемого от централизованных преобразователей напряжения, либо непосредственно от аккумуляторных батарей. Известные устройства используют преимущественно режим ключевого регулирования выходного напряжения [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94] или выходного току [Патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011]. Также устройства обеспечивают регулирование выходного напряжения во всех режимах работы нагрузки, включая и режимы максимального потребления. Как следствие, в пусковом режиме, включающем заряд емкостного фильтра, выходной ток должен превосходить максимальный ток нагрузки. В результате известные устройства имеют существенные потери энергии, связанные с непрерывным процессом управления и, в случае использования для электропитания высокоэффективных передающих трактов, характеризуются большими габаритами, соизмеримыми с передающей аппаратурой.
Наиболее близкими аналогом по количеству общих признаков к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [Патент РФ 46593 на полезную модель «Ограничитель тока» опубл. 10.074.2005]. Устройство-прототип выгодно отличается от известных аналогов применением линейного режима ограничения выходного тока. При этом ключевой режим используется только при перегрузке и при включении на емкостную нагрузку.
Устройство-прототип содержит датчик тока, включенный между первым выводом входного напряжения и первым электродом регулирующего элемента, второй электрод которого соединен через обратный диод с вторым выводом входного напряжения, причем второй электрод регулирующего элемента и второй вывод напряжения соединены через выходной фильтр соответственно с первым и вторым выводами выходного напряжения, подключенным к шинам нагрузки, а также пороговый усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, второй вход-через источник опорного напряжения с первым выводом входного напряжения, а выход через одновибратор к входу управления регулирующего элемента.
Принцип действия известного устройства заключается в следующем. Сопротивление датчика тока выбирается таким образом, чтобы для номинального режима работы сигнал с его выхода не превышал уровень опорного напряжения. При этом регулирующий элемент находится в открытом состоянии и обеспечивает передачу входного напряжения электропитания на нагрузку. В случае превышения тока потребления установленного максимального значения, сигнал датчика тока возрастает более опорного напряжения, в результате пороговый усилитель изменяет свое состояние и обеспечивает срабатывание одновибратора, запирающего регулирующий элемент на заданное время паузы. В условиях наличия дросселя в составе выходного фильтра, ток нагрузки замыкается через обратный диод и таким образом обеспечивается ключевой режим регулирования для ограничения максимального выходного тока. Таким образом, в устройстве-прототипе при включении на емкостную нагрузку ограничивается ток заряда на уровне установленного максимального значения. Далее при завершении режима перегрузки для установившегося значения выходного напряжения регулирующий элемент переходит в открытое состояние без переключений, что соответствует минимальным потерям энергии. Указанное обстоятельство выгодно отличает устройство-прототип от известных аналогов.
Однако, наличие пускового режима с высокочастотным импульсным управлением регулирующего элемента при максимальном выходном токе существенно влияет на надежность и показатели энергетической эффективности известного устройства. Особенно явно его недостатки сказываются при электропитании передающих устройств с повторно-кратковременными режимами работы в условиях электропитания от аккумуляторных батарей. В общем случае такие потребители относятся к управляемой нагрузке, включение которой подготавливается заранее перед циклом излучения, после завершения которого электропитание с нагрузки снимается для экономии энергоресурса автономного изделия. При этом в цикле излучения мощность потребления может достигать единиц и десятков кВт в условиях напряжения электропитания, достигающих сотен вольт.
В таких режимах работы, в условиях многократных повторных включений при большой выходной мощности недостатки устройства-прототипа, связанные с большими потерями энергии и пониженной надежностью работы в режиме высокочастотного ключевого регулирования порогового тока препятствуют его использованию, особенно в автономных изделиях с управляемой нагрузкой.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы на управляемую нагрузку.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее датчик тока, включенный между первым выводом входного напряжения и первым электродом регулирующего элемента, второй электрод которого соединен через обратный диод с вторым выводом входного напряжения, а также пороговый усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход через источник опорного напряжения с первым выводом входного напряжения, причем второй электрод регулирующего элемента и второй вывод входного напряжения соединены через выходной фильтр соответственно с первым и вторым выводами выходного напряжения, подключенным к выводам нагрузки, введены новые признаки, а именно: введены дополнительный регулирующий элемент, интегрирующая цепь и пороговый элемент совпадения, в свою очередь пороговый усилитель имеет открытый вход, а нагрузка выполнена управляемой, причем управляемое пусковое устройство имеет контрольный выход и вход управления, соединенный с входом управления регулирующего элемента, а также с первым входом порогового элемента совпадения и резистивным выводом интегрирующей цепи, емкостной вывод которой соединен с первым выводом входного напряжения и первым электродом дополнительного регулирующего элемента, второй электрод которого подключен к второму электроду регулирующего элемента, а вход управления-к средней точке интегрирующей цепи и открытому выходу порогового усилителя, соединенного с вторым входом порогового элемента совпадения, выход которого подключен к входу управления нагрузки к контрольному выходу устройства.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в минимизации потерь энергии и повышении надежности работы управляемого пускового устройства, а также в его защите от режимов токовой перегрузки.
Достижение технического результата обеспечивается путем использования режима включения с ограничением током заряда емкости фильтра в условиях отключенной нагрузки с последующим включением нагрузки при заряженной емкости фильтра. При этом исключается режим высокочастотного ключевого регулирования выходного тока, чем и достигается минимизация потерь энергии и повышение надежности работы. В условиях повторно-кратковременных режимов работы после завершения цикла включения нагрузки устройство обеспечивает отключение силового электропитания и повторное включение перед циклом работы за время, достаточное для заряда емкости фильтра по внешней команде управления.
Реализация защиты от режимов токовой перегрузки, связанной с повышением остаточного напряжения на открытом дополнительном регулирующем элементе в активном цикле работы, обеспечивается посредством его запирания и перехода в режим ограниченного тока заряда емкости фильтра и отключением нагрузки с передачей информации по сигналу «контроль» к внешнему устройству управления.
у
I
0
и
п
н
н
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу. На фиг 2 обозначено: V - команда управления, U - сигнал с выхода датчика 1 тока, U - опорное напряжение, U - сигнал управления регулирующим элементом 8, U - порог включения регулирующего элемента 8, U - напряжение на нагрузке, Е - входное напряжение, I - ток нагрузки.
Управляемое пусковое устройство (фиг. 1) содержит датчик 1 тока (ДТ), регулирующий элемент 2 (РЭ), пороговый усилитель 3 (ПУ), источник 4 опорного напряжения (ИОН), обратный диод 5 (ОД), выходной фильтр 6 (ВФ), управляемую нагрузку 7 (УН), дополнительный регулирующий элемент 8 (ДРЭ), интегрирующую цепь 9 (ИЦ), пороговый элемент 10 совпадения (ПЭС), а также контрольный выход и вход управления, выводы входного напряжения и выводы выходного напряжения, соединенные с шинами нагрузки.
Совокупность вновь введенных блоков и связей, предложенные в заявляемом управляемом пусковом устройстве ранее не использовалась, а их применение обеспечивает достижение технического эффекта. Блоки, входящие в состав устройства, реализуются по известным правилам на общедоступной элементной базе, что соответствует его технической реализуемости.
I
Датчик 1 тока выполняется резистивным и гальванически связанным с первым электродом регулирующего элемента 2, относительно которого подается сигнал включения на его вход управления. Выходное напряжение датчика 1 тока U (фиг. 2) пропорционально току, протекающему через регулирующий элемент.
з
н
Регулирующие элементы 2 и 8 выполняются на полевых транзисторах, адаптированных к входному напряжению электропитания. Причем, если транзистор VT1 регулирующего элемента 2 должен обеспечивать замыкание сравнительно малого тока заряда I, то транзистор VT2 дополнительного регулирующего элемента 8 должен быть рассчитан на кратно больший ток I активной нагрузки и должен выполняться на сильноточном транзисторе.
I
0
I
0
Пороговый усилитель 3 предназначен для сравнения выходного сигнала U датчика 1 тока и сигнала U (фиг. 2) с выхода источника 4 опорного напряжения и выделения результата сравнения в виде состояния открытого выхода (открытый коллектор). Состояние U>U соответствует замыканию средней точки интегрирующей цепи 9 на первый вывод входного напряжения питания. Пороговый усилитель 3 может быть выполнен на типовом компараторе с выходом «открыт коллектор», либо на обычном операционном усилителе с диодным выходом.
0
Источник 4 опорного напряжения U может выполняться как собственно на автономном источнике напряжения установленного уровня, так и на стабилитроне, соединенным с первым выводом входного напряжения, ток стабилизации которого может быть обеспечен как от собственного входного напряжения, так и от напряжения сервисного электропитания более низкого уровня.
Обратный диод 5 предназначен для замыкания тока индуктивности дросселя в составе выходного фильтра 6, либо индуктивности протяженных трасс соединения удаленного конденсатора С2 фильтра при быстром отключении дополнительного регулирующего элемента 8 в случае аварийной перегрузки.
Входной фильтр 6 в составе заявляемого устройства может быть выполнен на конденсаторе С2, адаптированном к напряжению электропитания, емкость которого должна обеспечивать замыкание токов рабочей частоты передающих устройств в составе управляемой нагрузки. При значительной выходной мощности передающих устройств, особенно для гидроакустических передающих трактов звукового диапазона, емкость конденсатора достигает десятков мФ при напряжении электропитания в сотни вольт.
Управляемая нагрузка 7 может представлять различную функциональную аппаратуру, электропотребление которой в основном реализуется в активном режиме работы по команде управления. Типичным вариантом такой нагрузки являются радиотехнические и гидроакустические передающие тракты импульсных режимов радиолокации и гидролокации. Такая аппаратура характеризуется значительной энергоэффективностью в активном кратковременном режиме и весьма малым потреблением в паузу между циклами излучения, циклограмма которых устанавливается внешним устройством управления.
и
u
Интегрирующая цепь 9 выполняется на последовательно включенных резисторе R1 и конденсаторе С1 и, соответственно, имеет реактивный и емкостной выводы. Сигнал U (фиг. 2) средней точки интегрирующей цепи 9 является управляющим для транзистора VT2 сильноточного регулирующего элемента 8. При этом сигнал управления между затвором и истоком транзистора VT2 может плавно нарастать с постоянной времени τ=RC под воздействием внешнего сигнала управления либо форсировано уменьшаться и поддерживаться на нулевом уровне под воздействием открытого выхода порогового усилителя 3.
и
п
y
к
Пороговый элемент 10 совпадения обеспечивает высокий уровень сигнала на входе ПЭС 10 при превышении напряжения U средней точки интегрирующей цепи 9 порогового значения U (фиг. 2), соответствующего гарантированному открытому состоянию транзистора VT2 регулирующего элемента 8. При совпадении этого состояния с высоким уровнем внешнего сигнала управления V на выходе порогового элемента 10 совпадения формируется сигнал контроль V высокого уровня, который обеспечивает включение управляемой нагрузки 7 и передает контрольную информацию внешнему устройству управления. Пороговый элемент 10 совпадения может быть выполнен на логическом элементе «И» с входами на триггерах Шмидта с известными порогами срабатывания либо на совокупности других элементов, реализующих необходимую функцию.
Предлагаемое управляемое пусковое устройство работает следующим образом.
y
y
з
I
з
1
зм
y
T
зи0
Выходное постоянное напряжения Е электропитания (фиг. 2) поступает на соответствующие выводы устройства от внешнего преобразователя сети объекта либо от мощной аккумуляторной батареи в случае автономного изделия. При поступлении внешнего сигнала управления V заданного уровня (V=12…15 В) открывается VT1 и обеспечивается протекание тока I заряда конденсатора С2 выходного фильтра 6, соответствующего выходному напряжению датчика 1 тока U=IR. Максимальная величина I определяется уровнем сигнала управления V, сопротивлением датчика тока R=R1+R2 и пороговым значением напряжения затвор-исток V транзистора VT1, соответствующим переходу из режима отсечки в режим усиления. Из уравнения для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью по току запишем:
где S - передаточная характеристика полевого транзистора [А/В].
Из выражения (1) получим соотношения:
T
или для RS>>1
T
I
Таким образом, регулирующий элемент 2 работает в режиме генератора тока, установленного сопротивлением R с учетом параметров транзистора VT1 и уровня сигнала управления, что соответствует постоянному значению тока (U=const) в режиме заряда.
1
2
0
Резистивный делитель R,R и уровень сигнала U источника опорного напряжения выбираются из условия:
I
0
и
Следовательно, при быстром нарастании тока через регулирующий элемент 2 выходные сигналы U и U соответствуют открытому выходу порогового усилителя 3, который шунтирует сигнал на входе транзистора VT2 регулирующего элемента 8, поддерживая его в закрытом состоянии при U=0 (фиг. 2).
y
к
з
При этом, несмотря на поступление сигнала управления V на выходе порогового элемента совпадения сохраняется низкий уровень сигнала V, нагрузка отключена и входной ток нагрузки значительно ниже установленного тока заряда I.
н
з
По мере заряда конденсатора С2 выходного фильтра выходное напряжение U линейно нарастает до уровня близкого к Е, остаточное напряжение на регулирующем элементе 2 уменьшается и при завершении заряда ток I определяется их условия:
I
При этом уменьшается напряжение U на выходе датчика 1 тока и происходит переключение порогового усилителя 3 и перевод его выхода в закрытое состояние при достижении условия:
y
ЗИ0
п
СИ
ЗИ
ЗИ
K
В результате, под воздействием сигнала V, поступающего на резистивный вход интегрирующей цепи 9 напряжение на емкости С1 и, соответственно, на затворе транзистора VT2 регулирующего элемента 8 возрастает до порога его открывания U=U и далее до полного открывания транзистора с весьма малым сопротивлением R в открытом состоянии  При напряжении U этого уровня (U≥10 В) срабатывает пороговый элемент 10 совпадения, что приводит к формированию высокого уровня сигнала V на его выходе и, соответственно, включению управляемой нагрузки 7.
Таким образом, управляемое пусковое устройство переходит в номинальный режим работы, в котором входное напряжение электропитания подключено к шинам нагрузки через открытый сильноточный транзистор VT2 регулирующего элемента 8. При этом через регулируемый элемент 2 VT2 протекает весьма небольшой ток:
где  - остаточное напряжение на открытом транзисторе V.
mах
ЗМ
В режиме перегрузки I>(1,3-1,5)I остаточное напряжение на регулируемом элементе 8 (транзистор VT2) возрастает, что может приводить к нарушению условия (5) и, соответственно, к срабатыванию порогового усилителя 3. В результате происходит форсированный разряд емкости интегрирующей цепи 8 через открытый выход порогового усилителя и запирание транзистора VT2. При этом транзистор VT1 порогового элемента 2 переходит в режим ограничения зарядного тока на уровне I, выключается пороговый элемент 10 совпадения, формируется контрольный сигнал низкого уровня и происходит принудительное отключение нагрузки в активном цикле работы. Контрольная информация передается к внешнему устройству управления, где принимается решение о снятии команды управления (фиг. 2 пунктирные линии).
y
y
ЗМ
При отсутствии перегрузки активный цикл режима работы завершается штатным отключением команды управления (сигнал V низкого уровня). Для последующего цикла излучения сигнал V подается с упреждением достаточным для заряда (дозаряда) конденсатора С2 зарядным током I.
Таким образом, в управляемом пусковом устройстве обеспечивается режим включения при пусковом токе значительно меньше номинального и осуществляется переход к номинальному режиму работы при коммутации напряжения электропитания на нагрузку через открытый сильноточный полевой транзистор VT2 без экстремальных токов перед циклом активной работы. Причем при завершении активного цикла устройство переходит в режиме ожидания в условиях отключения напряжения электропитания от нагрузки.
В результате - предлагаемое техническое решение исключает наиболее энергонапряженный режим высокочастотного импульсного управления регулирующими элементами, чем обеспечивает повышение энергетической эффективности и надежности работы, что выгодно отличает его от устройства-прототипа [Патент РФ 46593 на полезную модель «Ограничитель тока» опубл. 10.074.2005] и ближайших технических аналогов [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94, Патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011]. Особенно выигрышным является применение настоящего изобретения в автономных изделиях при электропитании от аккумуляторной батареи, где использование активных циклов работы и отключение мощных потребителей во время длительных пауз ожидания в ряде случаев позволяет вдвое увеличить ресурс аккумуляторных батарей при уменьшении тепловыделения и габаритов устройств силового электропитания.
К дополнительному преимуществу заявляемого устройства относится реализация механизмов защиты от режимов перегрузки с отключением активного цикла работы.
Сопоставительный анализ параметров работы регулирующих элементов предлагаемого устройства с техническими аналогами в режимах включения, номинальной работы и перегрузки показывает, что заявляемое техническое решение позволяет кратно уменьшить пиковые потери энергии при снижении экстремальной нагрузки на силовые транзисторы 1,5-2 раза, что подтверждает достижение технического результата - повышения энергетической эффективности и надежности функционирования.
На предприятии изготовлены опытные образцы аналога устройства-прототипа и заявляемого устройства с номинальной мощностью до 10 кВт, в результате сопоставления которых для автономных изделий сделан выбор в пользу настоящего изобретения.