ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Известен ограничитель напряжения, построенный на ограничительных диодах [1]. Недостатками данного технического решения являются низкая перегрузочная способность и малые времена действия перенапряжений (доли миллисекунды).
Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применения рассмотренного технического решения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ограничитель напряжения на основе стабилизатора напряжения непрерывного регулирования, содержащий регулирующий элемент с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторный датчик тока, подключенный между первым силовым электродом и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым электродом регулирующего элемента, а второй вход через первый источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого соединен со средней точкой резисторного делителя напряжения, подключенного к выводам конденсатора, а второй вход - через второй источник опорного напряжения к общему проводу, причем выходы обоих усилителей подключены через сумматор к управляющему входу регулирующего элемента, второй силовой электрод которого соединен выводом выходного напряжения [2]. На фиг.1 приведена функциональная схема прототипа.
Ограничитель напряжения работает следующим образом. Сначала для нормальной работы ограничителя напряжения последний настраивают на
максимальное значение тока через регулирующий элемент РЭ подбором резистора датчика тока Rдт: Iрэ. макс=Uоп1/Rдт. Затем устанавливают значение напряжения ограничения Uoгp≥Uвх. макс выбором сопротивлений делителя напряжения ДН: Uoгp=Uoп2×(l+R1/R2). Тогда при входном напряжении Uвх≤Uoгp в установившемся режиме и токе регулирующего элемента РЭ Iрэ≤Iрэ. макс сигнал на выходе усилителя У1 отсутствует, сигнал на выходе усилителя У2 максимален и РЭ работает в режиме насыщения.
При увеличении входного напряжения сверх значения Uorp сигнал с выхода У2 уменьшается, регулирующий элемент РЭ переходит в линейный режим и напряжение на выходе ограничителя напряжения фиксируется на значении Uoгp. При этом на регулирующем элементе РЭ падает напряжение Upэ=Uвх-Uoгp и выделяется мощность Ррэ=(Uвх-Uoгp)×Ipэ.
При увеличении тока нагрузки сверх значения Iрэ. макс на выходе У1 появляется сигнал, который, суммируясь с выходным сигналом У2 со знаком «минус» уменьшает сигнал на входе регулирующего элемента РЭ, переводя его в линейный режим и ограничивая тем самым ток через него и в нагрузке значением Iрэ. макс. Выходное напряжение ограничителя напряжения при этом уменьшается до значения Uвых=Rн×Iрэ. макс, а на регулирующем элементе РЭ выделяется мощность Ррэ=(Uвх-Uвых)×Iрэ. макс.
Недостатком известного технического решения являются увеличенная мощность, выделяемая на регулирующем элементе во время действия перенапряжения на входе и перегрузки по току на выходе, что влечет за собой его перегрев и ограничивает время действия перенапряжения на уровне единиц миллисекунд.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются регулирующий элемент с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом регулирующего элемента и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым выводом регулирующего элемента, а второй вход через первый
источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - к общему проводу, выходы первого и второго усилителей.
Технической задачей предлагаемой полезной модели являются уменьшение мощности, выделяемой во время действия входного перенапряжения, и увеличение времени действия входного перенапряжения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается регулирующий элемент с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом регулирующего элемента и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен с первым силовым выводом регулирующего элемента, а второй вход через первый источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - к общему проводу, выходы первого и второго усилителей, причем в него введены логический элемент ИЛИ, одновибратор, диод и дроссель, выходы обоих усилителей подключены ко входу элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом одновибратора, подключенного выходом к управляющему электроду регулирующего элемента, второй силовой электрод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволили значительно уменьшить мощность, выделяемую на регулирующем элементе во время действия перенапряжения на входе и
практически снять ограничения на время действия входной перегрузки, что, в свою очередь, расширяет его функциональные возможности.
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.2 приведена функциональная схема предлагаемого ограничителя напряжения.
Предлагаемый ограничителя напряжения содержит резисторный датчик тока 1, первый 2 и второй 3 источники спорного напряжения, первый 4 и второй 5 усилители, резисторный делитель напряжения 6, логический элемент ИЛИ 7, одновибратор 8, регулирующий элемент 9, дроссель 10, диод 11 и конденсатор 12.
В предлагаемом ограничителе напряжения первый силовой электрод регулирующего элемента 9 соединен через резисторный датчик тока 1 к выводу входного напряжения, а второй силовой электрод через дроссель 10 - к выводу выходного напряжения. Один вход усилителя 4 подключен к первому силовому электроду регулирующего элемента, а другой вход через первый источник опорного напряжения 2 - к выводу входного напряжения. Конденсатор 12 и крайние выводы резисторного делителя напряжения 6 подключены между выводом выходного напряжения и общим проводом. Средний вывод резисторного делителя напряжения 6 соединен с одним из входов второго усилителя 5, второй вход которого через второй источник опорного напряжения 3 подключен к общему проводу. Выходы первого 4 и второго 5 усилителей подключены на входы логического элемента ИЛИ 7, выход
которого соединен с входом одновибратора 8. Выход одновибратора 8 соединен с управляющим электродом регулирующего элемента 9, второй силовой электрод которого через диод 11 подключен к общему проводу.
Предлагаемый ограничитель напряжения работает следующим образом. Сначала для нормальной работы ограничителя напряжения его настраивают на максимальное значение тока через регулирующий элемент РЭ подбором резистора датчика тока Rдт: Iрэ. макс=Uoпl/Rдт. Затем устанавливают значение напряжения ограничения Uoгp≥Uвх. макс выбором сопротивлений делителя напряжения ДН: Uoгp=Uoп2×(1+R1/R2). При входном напряжении Uвх≤Uoгp в установившемся режиме и токе регулирующего элемента РЭ Iрэ≤Iрэ. макс сигналы на выходах усилителей У1 и У2 отсутствуют, а регулирующий элемент РЭ работает в режиме насыщения.
При увеличении мгновенного значения тока через регулирующий элемент РЭ сверх значения Iрэ. макс на выходе У1 появляется сигнал, который через логический элемент ЛИ запускает одновибратор Од, снимающий на время задержки tзад сигнал управления с регулирующего элемента РЭ и запирая его на указанное время. Ток через дроссель L начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через диод D. По истечении времени tзад регулирующий элемент РЭ автоматически включается и процесс периодически повторяется до тех пор, пока при очередном открывании регулирующего элемента РЭ текущее значение тока через него не достигнет значения 1рэ.макс. Таким способом регулирующий элемент РЭ защищается от перегрузок по току, по кокой причине они бы не произошли.
При увеличении выходного напряжения ограничителя сверх значения Uorp на выходе усилителя У2 появляется сигнал, который через логический элемент ЛИ запускает одновибратор Од, снимающий как минимум на время задержки tзад сигнал управления с регулирующего элемента РЭ и запирая его на указанное время. Откроется последний, когда напряжение на выходе ограничителя напряжения уменьшится менее значения Uorp. В итоге при перенапряжении на входе ограничителя последний переходит в импульсный
режим работы, ограничивая среднее значение напряжения на выходе на уровне Uoгp. При этом регулирующий элементе РЭ работает в ключевом режиме с минимальной рассеиваемой на нем мощностью.
Таким образом мощность, выделяемая на регулирующем элемент РЭ в режиме перенапряжения на входе и перегрузки по току на выходе, увеличивается незначительно по сравнению с нормальным режимом работы и не приводит к его перегреву. Практически ограничитель напряжения может работать в этом режиме непрерывно без опасности перегрева, что увеличивает его надежность и расширяет функциональные возможности. Так, например, при uвх=36 В, Uoгp=36 В, Uрэ. макс=10 А и коротком замыкании на выходе в прототипе рассеиваемая на регулирующем элементе РЭ мощность составляет 360 Вт, а на регулирующем элементе РЭ предлагаемого устройства - не более 8 Вт. При выбросе входного напряжения до 81 В и токе нагрузки 10 А в прототипе рассеиваемая на регулирующем элементе РЭ мощность составляет 450 Вт, а на регулирующем элементе РЭ предлагаемого устройства - не более 10 Вт.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Колосов В. А. и др. Устройство подавления сетевых помех. Описание полезной модели №13729. - БИ №13, 2000.
2. Левинзон С. В. Защита в источниках электропитания РЭА,- М.: Радио и связь, 1990,с.81.