АМПЛИТУДНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ С КОНТРОЛЛЕРОМ ЗАЩИТЫ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и промышленной электроники, а именно к устройствам ограничения амплитуды положительных и отрицательных полуволн переменного синусоидального, различных форм импульсного и хаотически меняющихся напряжений.
Известен аналог - устройство, описанное в статье: А.И.Анкудинов, В.И.Кравец, К.А.Анкудинов. Мощный компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель // Изв. вузов СССР. Приборостроение. - 1991. - №7. - С.53-55. Принципиальная электрическая схем устройства - аналога представлена в Приложении №1 к данному описанию. Устройство включает в себя (см. Приложение №1) два компенсационных стабилизатора напряжения, включенных последовательно и встречно через нагрузку, находящуюся между ними. Каждый из компенсационных стабилизаторов напряжения состоит из: параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне со своим балластным резистором и защитным диодом; регулирующего биполярного транзистора с шунтирующим диодом, работающего на нагрузку. Нагрузка включена между эмиттерами регулирующих биполярных транзисторов компенсационных стабилизаторов напряжения, а для обеспечения прохождения тока разной полярности (направления) в эмиттер-коллектор каждого регулирующего биполярного транзистора включены шунтирующие диоды. Кремниевые стабилитроны каждого из параметрических стабилизаторов напряжения включены встречно-параллельно и параллельно им включен спаренный переменный резистор, обеспечивающий регулирование амплитуды напряжения положительной и отрицательной полуволн на выходе устройства.
Аналогу присущи следующие недостатки:
- высокая температурная нестабильность выходного напряжения ограничения;
- избыточная сложность схемы устройства;
- отсутствие защиты устройства при коротких замыканиях в нагрузке аналога.
Известен прототип - Патент на полезную модель №69357 РФ. Бюл. №34 за 2007 год. «Компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель» // Агафонов Ю.М., Анкудинов К.А., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов А.И. Схема прототипа представлена в приложении №2 к данному описанию. Устройство включает в себя тоже два компенсационных стабилизатора напряжения (см. Приложение №2): два кремниевых стабилитрона, включенные встречно и последовательно через один балластный резистор ко входу устройства; параллельно кремниевым стабилитронам подключен спаренный переменный резистор; средние выводы переменных резисторов подсоединены к анодам защитных диодов, катоды которых соединены с базами регулирующих биполярных транзисторов; коллекторы двух биполярных регулирующих транзисторов подключены к нижней и верхней входным клеммам устройства, а переходы эмиттер-коллектор регулирующих биполярных транзисторов зашунтированы диодами, аноды которых подключены к коллекторам, а катоды к эмиттерам регулирующих биполярных транзисторов; эмиттеры регулирующих биполярных транзисторов соединены с катодами шунтирующих диодов и с нагрузкой. Последовательное и встречное включение однотипных кремниевых стабилитронов в прототипе обеспечивает уменьшение температурной нестабильности устройства, а защитные диоды из цепей кремниевых стабилитронов исключены (что тоже улучшает температурную стабильность устройства) и включены в цепи эмиттеров регулирующих биполярных транзисторов обоих компенсационных стабилизаторов напряжения. Принятые меры, как показали исследования для различных образцов кремниевых стабилитронов, обеспечили уменьшение температурной нестабильности выходного напряжения в два-четыре раза. Кроме того, устройство содержит только один балластный резистор, включенный между кремниевыми стабилитронами, что упростило схему ограничителя.
Таким образом, в прототипе устранены первые два недостатка аналога, но остается основной - третий недостаток:
- отсутствие защиты устройства при коротких замыканиях в нагрузке прототипа, что приводит к выходу из строя регулирующих биполярных транзисторов, причем в нагрузке возможны короткие замыкания трех типов: по положительной полуволне выходного напряжения; по отрицательной полуволне выходного напряжения; как по положительной, так и по отрицательной полуволнах выходного напряжения на нагрузке.
Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения исправного состояния амплитудного ограничителя при появлении различных типов коротких замыканий в нагрузке устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в амплитудный ограничитель с контроллером защиты, содержащий два компенсационных стабилизатора напряжения, в каждый из которых входят кремниевый стабилитрон, защитный диод и регулирующий биполярный транзистор, зашунтированный диодом, кремниевые стабилитроны обоих компенсационных стабилизаторов напряжения включены последовательно и встречно через один балластный резистор, установленный между ними, спаренный подстроечный резистор, каждый резистор которого включен параллельно кремниевым стабилитронам, причем оба компенсационных стабилизатора напряжения включены на общую нагрузку между ними, введен контроллер защиты от коротких замыканий в нагрузке, состоящий из двух опорных диодов со своими ограничительными резисторами и двух защитных биполярных транзисторов, базы которых подключены к катодам соответствующих опорных диодов, коллекторы - к анодам соответствующих кремниевых стабилитронов, а эмиттеры - к эмиттерам соответствующих регулирующих биполярных транзисторов обоих компенсационных стабилизаторов напряжения.
Введение в полезную модель контроллера защиты от коротких замыканий в нагрузке, состоящего из двух опорных диодов со своими ограничительными резисторами и двух защитных биполярных транзисторов, обеспечило сохранение работоспособности предлагаемого амплитудного ограничителя с контроллером защиты при возникновении различных вариантов коротких замыканий в нагрузке:
- короткого замыкания в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения;
- короткого замыкания в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения;
- коротких замыканий в нагрузке как при положительной, так и при отрицательной полуволнах выходного напряжения.
На фиг. изображена принципиальная электрическая схема устройства - полезной модели - амплитудного ограничителя с контроллером защиты.
Амплитудный ограничитель с контроллером защиты (см. фиг.) включает в себя: кремниевые стабилитроны 1 и 2, включенные встречно и последовательно через один балластный резистор 3, подключены ко входу устройства; параллельно кремниевым стабилитронам 1 и 2 подключен спаренный переменный резистор, содержащий переменные резисторы 4 и 5, соответственно; средние выводы переменных резисторов 4 и 5 подсоединены к анодам защитных диодов 6 и 7, соответственно, катоды которых соединены с базами регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9, соответственно; коллекторы регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9 подключены к нижней и верхней входным клеммам устройства, соответственно, а переходы эмиттер-коллектор регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9 зашунтированы диодами 10 и 11, аноды которых подключены к коллекторам, а катоды - к эмиттерам регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9, соответственно; эмиттер регулирующего биполярного транзистора 9 и катод шунтирующего диода 11 соединены с верхней по схеме точкой нагрузки 12, а эмиттер регулирующего биполярного транзистора 8 и катод шунтирующего диода 10 соединены с нижней точкой нагрузки 12; опорные диоды 13 и 14, включенные параллельно и встречно через ограничительные резисторы 15 и 16, соответственно, подключены ко входу устройства; защитные биполярные транзисторы 17 и 18 базами подключены к катодам опорных диодов 13 и 14, соответственно; эмиттер защитного биполярного транзистора 17 подключен к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 8, а коллектор - к аноду кремниевого стабилитрона 1; эмиттер защитного биполярного транзистора 18 подключен к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 9, а коллектор - к аноду кремниевого стабилитрона 2 (элементы схемы 13-18 являются введенным в устройство контроллером защиты).
Полезная модель - амплитудный ограничитель с контроллером защиты (см. фиг.) может работать в следующих режимах:
1. Нормальный режим (см. фиг.) - короткого замыкания в нагрузке нет. При положительной полярности входного напряжения (положительный потенциал на верхней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 1 работает в режиме стабилизации, а кремниевый стабилитрон 2 - в режиме открытого диода. Потенциал анода кремниевого стабилитрона 1 через часть спаренного переменного резистора 4 и открытый защитный диод 6 подается на базу регулирующего биполярного транзистора 8. Через нагрузку 12 сверху вниз протекает ток по цепи: верхняя входная клемма, открытый шунтирующий диод 11, нагрузка 12, открытый переход эмиттер-коллектор регулирующего биполярного транзистора 8, нижняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 7 предотвращает пробой регулирующего биполярного транзистора 9, который в данный момент времени зашунтирован открытым диодом 11. На нагрузке 12 выделяется ограниченный по амплитуде положительный полупериод входного напряжения. Защитные биполярные транзисторы 17 и. 18 контроллера защиты устройства закрыты При отрицательной полярности входного напряжения (положительный потенциал на нижней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 2 работает в режиме стабилизации, а кремниевый стабилитрон 1 - в режиме открытого диода. Потенциал анода кремниевого стабилитрона 2 через часть спаренного переменного резистора 5 и открытый защитный диод 7 подается на базу регулирующего биполярного транзистора 9. Через нагрузку 12 снизу вверх протекает ток по цепи: нижняя входная клемма, открытый шунтирующий диод 10, нагрузка 12, эмиттер-коллектор регулирующего биполярного транзистора 9, верхняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 6 предотвращает пробой регулирующего биполярного транзистора 8, который в данный момент времени зашунтирован открытым диодом 10. На нагрузке 12 выделяется ограниченный по амплитуде отрицательный полупериод входного напряжения. Защитные биполярные транзисторы 17 и 18 контроллера защиты устройства закрыты.
2. Короткое замыкание в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения на нагрузке (см. фиг.) (положительный потенциал на верхней по схеме входной клемме). Входной положительный потенциал с верхней по схеме входной клеммы через открытый шунтирующий диод 11 и короткозамкнутую по положительной полуволне нагрузку 12 прикладывается к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 8 и к эмиттеру защитного биполярного транзистора 17 контроллера защиты. Следует отметить, что при отсутствии контроллера защиты регулирующий биполярный транзистор 8 сразу бы вышел из строя (сгорел), но такого на происходит, так как в данном случае переход эмиттер-коллектор защитного биполярного транзистора 17 контроллера защиты шунтирует кремниевый стабилитрон 1. На переход база-эмиттер защитного биполярного транзистора 17 подается прямое падение напряжения с открытого через ограничительный резистор 15 опорного диода 13 контроллера защиты. Кремниевый стабилитрон 1 оказывается зашунтированным открытым переходом база-эмиттер защитного биполярного транзистора 17 контроллера защиты (падение напряжения на кремниевом стабилитроне 1 становится близким к нулю), и регулирующий биполярный транзистор 8 закрывается. Таким образом, сохраняется работоспособность регулирующего биполярного транзистора 8 и всего амплитудного ограничителя, а ток короткого замыкания в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения стремится к нулю.
3. Короткое замыкание в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения на нагрузке (см. фиг.) (положительный потенциал на нижней по схеме входной клемме). Входной положительный потенциал с нижней по схеме входной клеммы через открытый шунтирующий диод 10 и короткозамкнутую по отрицательной полуволне нагрузку 12 прикладывается к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 9 и к эмиттеру защитного биполярного транзистора 18 контроллера защиты. Следует отметить, что при отсутствии контроллера защиты регулирующий биполярный транзистор 9 сразу бы вышел из строя (сгорел), но такого не происходит, так как в данном случае переход эмиттер-коллектор защитного биполярного транзистора 18 контроллера защиты шунтирует кремниевый стабилитрон 2. На переход база-эмиттер защитного биполярного транзистора 18 подается прямое падение напряжения с открытого через ограничительный резистор 16 опорного диода 14 контроллера защиты. Кремниевый стабилитрон 2 оказывается зашунтированным открытым переходом база-эмиттер защитного биполярного транзистора 18 контроллера защиты (падение напряжения на кремниевом стабилитроне 2 становится близким к нулю), и регулирующий биполярный транзистор 9 закрывается. Таким образом, сохраняется работоспособность регулирующего биполярного транзистора 9 и всего амплитудного ограничителя, а ток короткого замыкания в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения стремится к нулю.
4. Короткое замыкание в нагрузке как при положительной, так и при отрицательной полуволнах выходного напряжения на нагрузке (см. фиг.). Принцип работы устройства при коротком замыкании в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения на нагрузке описан выше в п.2 - регулирующий биполярный транзистор 8 закрывается. Принцип работы устройства при коротком замыкании в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения на нагрузке описан выше в п.3 - регулирующий биполярный транзистор 9 закрывается. Таким образом, сохраняется работоспособность всего амплитудного ограничителя, а ток короткого замыкания в нагрузке при положительной и отрицательной полуволнах выходного напряжения стремится к нулю за счет контролера защиты, выполненного на элементах 13-18. При устранении всех типов коротких замыканий в нагрузке контроллер защиты переходит в исходное состояние, а полезная модель переходит в нормальный режим работы - п.1.
Применение в полезной модели контроллера защиты (см. фиг.), состоящего из двух биполярных транзисторов 17 и 18, двух опорных диодов 13 и 14, двух ограничительных резисторов 15 и 16 обеспечило:
1) защиту полезной модели от коротких замыканий в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения на нагрузке;
2) защиту полезной модели от коротких замыканий в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения на нагрузке;
3) защиту полезной модели от коротких замыканий в нагрузке как при положительной, так и при отрицательной полуволнах выходного напряжения на нагрузке;
4) восстановление работоспособности полезной модели при устранении всех возможных вариантов коротких замыканий в нагрузке.
ст
В амплитудном ограничителе с контроллером защиты применены следующие компоненты (см. фиг.): 1 и 2 - кремниевые стабилитроны КС515Г (U=12 В); 3 - балластный резистор номинала 470 Ом; 4 и 5 - спаренный подстроенный резистор номинала 470 Ом; 6 и 7 - защитные диоды КД103А; 8 и 9 - регулирующие биполярные транзисторы КТ814А; 10 и 11 - шунтирующие диоды КД212В; 13 и 14 - опорные диоды контроллера защиты КД103А; 15 и 16 - ограничительные резисторы контроллера защиты номинала 470 Ом; 17 и 18 - защитные биполярные транзисторы контроллера защиты ГТ313А.
Защитные биполярные транзисторы контроллера защиты 17 и 18 должны быть обязательно германиевыми, так как они имеют более чем в два раза меньшее напряжение перехода база-эмиттер, при котором транзисторы 17 и 18 входят в насыщение и обеспечивают надежное срабатывание контроллера защиты полезной модели.