Ограничитель тока

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Известен ограничитель тока, представляющий собой транзисторный ключ, управляющий переход которого зашунтирован конденсатором, замедляющим нарастание управляющего сигнала на его управляющем электроде. Такое управление приводит к уменьшению скорости нарастания тока, коммутируемого транзисторным ключом, и ограничению его амплитуды при работе ограничителя тока на емкостную нагрузку [1]. По окончании процесса заряда емкости нагрузки транзисторный ключ работает в режиме насыщения.
Недостатками данного технического решения являются увеличенная мощность, выделяемая на транзисторном ключе в процессе ограничения тока и пропорциональная ее зависимость от емкости нагрузки. Кроме того, после заряда конденсатора, шунтирующего управляющий переход транзисторного ключа, ограничение тока ключом прекращается.
Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применимости рассмотренного технического решения.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ограничитель тока, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, резисторный датчик тока, подключенный между первым силовым выводом ключа и выводом входного напряжения, компаратор, инвертирующий вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, а неинвертирующий вход через источник опорного напряжения - с выводом входного напряжения, выход компаратора через одновибратор подключен к управляющему выводу ключа, второй силовой вывод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом [2]. На фиг. 1 показана функциональная схема прототипа.
КЛ.МАКС
Максимальное значение тока через ключ 5 I определяется номиналом резисторного датчика тока 1 Кдт из выражения:
,
ОП
где U - напряжение опорного источника 2.
КЛ
КЛ.МАКС
КЛ.МАКС
ЗАД
ЗАД
ЗАД
КЛ.МАКС
КЛ.МАКС
КЛ.МАКС
Прототип работает следующим образом. В установившемся режиме и токе ключа I<I на выходе компаратора 3 установлен сигнал логической единица (высокий потенциал). На выходе одновибратора 4 при этом удерживается сигнал логического нуля (низкий потенциал). Ключ 5 открыт. Во время заряда емкости нагрузки ток линейно возрастает, протекая через открытый ключ 5, дроссель 7 и нагрузку. При увеличении тока сверх значения I сигнал на выходе компаратора 3 скачкообразно изменяется на логический нуль и одновибратор 4 запускается. Напряжение на его выходе также скачкообразно устанавливается на уровне логической единицы и удерживается в течение времени задержки t. Ток через резисторный датчик тока 1 прекращается, компаратор 3 возвращается в исходное состояние, когда на его выходе устанавливается сигнал логической единицы. Однако ключ 5 остается в закрытом состоянии еще в течение времени t. Ток через дроссель 7 и нагрузку на этом интервале времени уменьшается, замыкаясь теперь через диод 6. По истечении времени t ключ 5 вновь открывается, ток через него линейно возрастает до значения I и процесс повторяется до тех пор, пока на очередном периоде работы ток через ключ 5 не достигнет значения I. На этом процесс заряда емкости нагрузки заканчивается. Ограничитель тока переходит в установившийся режим работы. В итоге при перегрузке по току на выходе или зарядке значительной емкости нагрузки ограничитель тока переходит в импульсный режим работы, ограничивая максимальное значение тока через ключ 5 и нагрузку на уровне I. При этом ключ 5 работает в режиме переключения с минимальной рассеиваемой на нем мощностью. Практически ограничитель тока может работать в этом режиме непрерывно без опасности перегрева ключа 5, поскольку его ток постоянно контролируется.
Недостатками известного технического решения являются повышенные сложность и себестоимость устройства.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, резисторный датчик тока, подключенный между первым силовым выводом ключа и выводом входного напряжения, компаратор, инвертирующий вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, источник опорного напряжения, соединенный первым электродом с выводом входного напряжения, диод и дроссель, подключенные первыми выводами к второму силовому выводу ключа, причем второй вывод диода соединен с общим проводом, второй вывод дросселя является выводом выходного напряжения, первый конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, неинвертирующий вход компаратора и его выход, второй электрод источника опорного напряжения.
Технической задачей предлагаемой полезной модели являются упрощение и удешевление устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается ограничитель тока, содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми выводами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым выводом ключа и выводом входного напряжения, компаратор, инвертирующий вход которого соединен с первым силовым выводом ключа, источник опорного напряжения, соединенный первым электродом с выводом входного напряжения, диод и дроссель, подключенные первыми выводами к второму силовому выводу ключа, причем второй вывод диода соединен с общим проводом, второй вывод дросселя является выводом выходного напряжения, первый конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, неинвертирующий вход компаратора и его выход, второй электрод источника опорного напряжения, причем в него введены первый и второй резисторы и второй конденсатор, выход компаратора подключен к управляющему выводу ключа и через последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор - к неинвертирующему его входу, к которому также подключен второй электрод источника опорного напряжения через первый резистор.
Введение в ограничитель тока дополнительных элементов и новых связей позволили значительно упростить устройство, повысив тем самым надежность, и уменьшить его себестоимость.
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 и не нуждается в регулировке, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 2 приведена функциональная схема предлагаемого ограничителя тока.
Предлагаемый ограничителя тока содержит резисторный датчик тока 1, источник опорного напряжения 2, компаратор 3, первый резистор 4, ключ 5, диод 6, дроссель 7, первый конденсатор 8, второй резистор 9 и второй конденсатор 10.
В предлагаемом ограничителе тока первый силовой вывод ключа 5 соединен через резисторный датчик тока 1 с выводом входного напряжения, а второй силовой вывод через дроссель 7 - с выводом выходного напряжения. Инвертирующий вход компаратора 3 подключен к первому силовому выводу ключа 5, а неинвертирующий вход через последовательно соединенные первый резистор 4 и источник опорного напряжения 2 - к выводу входного напряжения. Выход компаратора 3 подключен к управляющему выводу ключа 5. Между неинвертирующим входом компаратора 3 и его выходом включена цепь из последовательно соединенных второго резистора 9 и второго конденсатора 10. Второй силовой вывод ключа 5 через диод 6 подключен к общему проводу. Первый конденсатор 8 подключен между выводом выходного напряжения и общим проводом.
BX
На фиг. 3 показаны временные диаграммы на элементах во время включения ограничителя тока на активно-емкостную нагрузку. Напряжения на выводах компаратора 3 показаны относительно точки U, напряжение на выходе - относительно общего провода.
КЛ.МАКС
Максимальное значение тока через ключ 5 I в установившемся режиме, при котором происходит его выключение, определяется также из выражения (1).
КЛ
КЛ.МАКС
1
Предлагаемый ограничитель тока работает следующим образом. В установившемся режиме и токе ключа 5 I<I на выходе компаратора 3 устанавливается сигнал логического нуля. При включении ограничителя тока на емкостную нагрузку ключ 5 открыт и ток через него линейно возрастает (интервал времени 0…t), протекая в нагрузку через дроссель 7. Второй конденсатор 10 за это время заряжается до напряжения уровня логической единицы.
КЛ.МАКС
1
К-
BX
К
При увеличении тока через ключ 5 сверх значения I (момент времени t) сигнал на выходе компаратора 3 устанавливается на уровне логической единицы и ключ 5 закрывается. При этом напряжение на инвертирующем входе компаратора 3 U=0 относительно точки U, а благодаря наличию цепи положительной обратной связи на элементах «второй резистор 9 - второй конденсатор 10» на неинвертирующем входе компаратора 3 напряжение U+ скачкообразно увеличивает до значения, определяемого выражением
,
К
BX
где U - напряжение на выходе компаратора 3 относительно точки U;
С
U - напряжение на втором конденсаторе 10;
R1 и R2 - номиналы соответственно первого резистора 4 и второго резистора 9.
1…
2
На этом интервале времени (tt), как и в прототипе, ток в нагрузку протекает через диод 6 и дроссель 7, линейно уменьшаясь. Второй конденсатор 10 при этом разряжается.
К+
К-
ОП
K-
ВХ
2
3
2
4
4
6
6
Очевидно, что сразу после переключения U>U=0. По мере заряда второго конденсатора 10 напряжение на неинвертирующем входе компаратора 3 уменьшается, стремясь к значению U. При достижении им значения U=0 происходит переключение компаратора 3 в исходное состояние логического нуля на выходе относительно точки U и ключ 5 вновь открывается (интервал времени t…t). Таким способом обеспечивается задержка открывания ключа, что реализуется в прототипе с помощью одновибратора. Время задержки пропорционально постоянной времени цепи «первый резистор 4 - второй резистор 9 - второй конденсатор 10»: T=(R1+R2)×C2. Далее процесс повторяется (интервалы t…t; t…t), как и в прототипе, до тех пор, пока в очередном периоде работы ток через ключ 5 уже не достигает порогового значения, и выключение последнего не происходит (t>t).
Таким образом, в предлагаемом ограничителе тока для организации режима переключения при запуске на емкостную нагрузку используется более простой и дешевый способ, нежели в прототипе, что, к тому же повышает надежность предлагаемого ограничителя тока.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Миронов А.А. Некоторые проблемы разработки ограничителей пускового тока. Обзор по материалам отечественной и зарубежной патентной информации за 1972-1989 гг. - Центр научно-технической информации «Поиск», вып. 42, 1990 г., с. 5, рис. 3.
2. Миронов А.А. Ограничитель тока. Патент РФ на полезную модель №46593, 2005 г.