ФИЛЬТР ИМПУЛЬСНО-КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и, в частности, к устройствам для защиты различного электронного оборудования от воздействия импульсных перенапряжений в сети питания постоянного тока при коммутации мощного оборудования.
Известно, что в сети постоянного тока могут возникать одиночные коммутационные импульсы перенапряжений с величиной амплитуды в диапазоне от 600 В до 1000 В и длительностью от 0,01 мкс до 2000 мкс. Эти импульсы, проходя через источник питания, могут вывести из строя полупроводниковые приборы, микросхемы или вызвать сбои в работе электронного оборудования.
Для предотвращения перенапряжения или для снижения его амплитуды применяют схемы активного фильтра с выпрямителем переменного тока, транзисторным ключом, блоком управления и конденсатором. Подобные фильтры, защищая потребителей от воздействия импульсов перенапряжения, тем не менее, не позволяют снизить его до такой амплитуды, которая была бы безопасна для электронного оборудования, особенно это касается ответственных потребителей, например, навигационных систем. (О.А.Глухов Оптимальная коммутация электрических цепей, Йошкар-Ола, МарГТУ, 2000 г. с.61, рис.19).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является схема активного фильтра, входящая в состав схемы переключения сетей и фильтров импульсно-коммутационных перенапряжений (ФИКП) (А.П.Темирев. Разработка и создание элементов интегрированных корабельных электротехнических систем, Ростов-на-Дону, РГУ, 2005 г., с.245, рис.4.11).
ФИКП в сети постоянного тока содержит подключенные к первому проводу питания последовательно соединенные ограничительный диод и дроссель, выход которого подключен к плюсу конденсатора и нагрузке, а второй вход
конденсатора и нагрузки подключены к силовому входу транзисторного ключа, другой силовой вход которого соединен с входом второго провода питания. Параллельно транзисторному ключу включен зарядный резистор, при этом с управляющим входом транзисторного ключа соединена система управления.
Данное устройство обеспечивает более надежную защиту от импульсно-коммутационных перенапряжений (ИКП) по сравнению с аналогом из-за отсутствия ограничения по времени приложения импульса ИКП. Однако, устройство, взятое за прототип, не позволяет работать с более мощным электронным оборудованием, так как не обеспечивает контроль тока и защиту силового ключа от ИКП большой амплитуды и энергии, что снижает область его применения и надежность устройства в целом.
Задачей разработки является расширение области применения и повышение надежности устройства, за счет того, что фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений в сети постоянного тока, содержащий последовательно соединенные дроссель и защитный диод, выход которого соединен с плюсом конденсатора и нагрузкой, второй вход конденсатора и нагрузки соединены с одним из силовых входов транзисторного ключа, введены фильтр радиопомех, блок управления, драйвер, устройство контроля тока и варистор, подключенный параллельно силовым входам транзисторного ключа. Второй силовой вход транзисторного ключа соединен со вторым выходом устройства контроля тока, вход которого подключен ко второму выходу фильтра радиопомех и ко второму входу блока управления, первый вход которого, подсоединен к первому выходу фильтра радиопомех и к входу дросселя. Выход блока управления подключен к первому входу драйвера, второй вход которого соединен с первым выходом устройства контроля тока, выход драйвера связан с управляющим входом транзисторного ключа, а входы фильтра радиопомех соединены с клеммами питания сети постоянного тока.
На фиг. показана схема предлагаемого фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений в сети постоянного тока, которая содержит входные клеммы 1 и
2, соединенные с входами фильтра радиопомех 1, к выходам которого подключены 1 и 2 входы блока управления 2, выполненного в виде двухуровневого компаратора со схемой задержки. Выход блока управления 2 соединен с входом 1 драйвера 3 (в схему которого включен управляемый генератор импульсов), выход которого соединен с управляющим входом транзисторного ключа 5, а вход 2 драйвера 3 - с выходом 1 устройства измерения тока 4, выполненного как датчик тока совместно с операционным усилителем. Вход устройства измерения тока 4 соединен с входом 2 блока управления 2 и выходом 2 фильтра радиопомех 1. Выход 2 устройства измерения тока 4 подключен к одному из силовых входов транзисторного ключа 5, другой силовой вход которого подключен к первому входу конденсатора 7, выходной клемме 2 и к нагрузке. К выходной клемме 1 подключены второй вход конденсатора 7, нагрузка и последовательно соединенные защитный диод 8, дроссель 9, выход которого соединен с 1 выходом фильтра радиопомех 1 и входом 1 блока управления 2. Варистор 6 подключен параллельно силовым входам транзисторного ключа 5.
Устройство работает следующим образом. На входные клеммы 1 и 2 подается напряжение входной сети постоянного тока, которое проходит через фильтр радиопомех 1 и контролируется блоком управления 2, транзисторный ключ 5 при этом закрыт. После установления переходного процесса в устройстве, при подаче питания, начинается процесс заряда конденсатора 7. Драйвер 3 коммутирует транзисторный ключ 5 с высокой частотой до полного заряда конденсатора 7. Устройство измерения тока 4, в зависимости от зарядного тока конденсатора 7, выдает сигнал на вход 2 драйвера 3, который регулирует скважность импульсов высокой частоты (длительность открытого состояния транзисторного ключа 5), подаваемых на управляющий вход транзисторного ключа 5. После установления заданного значения тока на входе 2 драйвера 3, драйвер 3 переводит транзисторный ключ 5 в открытое состояние, поддерживая тем самым номинальный зарядный ток конденсатора 7, в зависимости от нагрузки. Параметры дросселя 9, защитного диода 8 и конденсатора 7 выбраны
таким образом, чтобы удовлетворительно подавлялись короткие помехи микросекундного диапазона.
При воздействии длительных импульсов миллисекундного диапазона драйвер 3 закрывает на время действия импульса транзисторный ключ 5. С этого момента времени все напряжение помехи будет приложено к транзисторному ключу 5 и варистору 9. Во время прохождения импульса перенапряжения варистор 9 защищает транзисторный ключ 5 от пробоя. Как только напряжение на входе под действием экспоненциально падающего импульса перенапряжения упадет до заданного уровня, драйвер 3 откроет транзисторный ключ 5.
Модуляция транзисторного ключа на время заряда конденсатора позволило отказаться от зарядного резистора, такое выполнение устройства расширяет область его применения для работы с более мощным электронным оборудованием. Шунтирование транзисторного ключа варистором повышает надежность устройства в целом и транзисторного ключа в частности. Включение устройства измерения тока, последовательно с силовым входом транзисторного ключа, также повышает надежность устройства в целом не только во время заряда конденсатора, но и при возникновении короткого замыкания в нагрузке. Применение на входе устройства фильтра радиопомех снижает уровень радиопомех во входную сеть при высокочастотной коммутации силовых элементов в устройстве и нагрузке, что также обеспечивает расширение области применения устройства.