RU2138844C1

RU2138844C1 - Consumed dc current stabilizer with combination protection

Info

Publication number: RU2138844C1
Application number: RU96105274A
Authority: RU
Inventors: С.В. Левинзон
Original assignee: Калужский филиал Московского государственного технического университета им.Н.Э.Баумана
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1999-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; current stabilized supply systems. SUBSTANCE: consumed current stabilizer has transistor control element placed between output bus and output (common) terminal, standard resistor, reference voltage source, metering element and DC current amplifier whose output is connected with control input of transistor control element. Current protection unit and overvoltage protection unit are introduce into current stabilizer circuit. These units are provided with key element with control circuit and actuating element built around thyristor whose control output is placed between series-connected voltage stabilizing diodes connected in parallel with load. In emergency, corresponding protection unit is placed into operation to cover key element. EFFECT: enhanced reliability owing to provision of combination load current and overvoltage protection at stabilizer output. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания устройств, стабилизированных по току. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to power current-stabilized devices.

Известны устройства защиты, в которых эталонный резистор-датчик тока подключен к эмиттерам согласованных транзисторов, образующих "зеркало тока". В устройстве [1] для защиты от перегрузок по току используются элементы "зеркала тока", сигнал с выхода второго транзистора сборки подключен к инверсному входу операционного усилителя, к прямому входу которого подключена средняя точка делителя, подключенного к сумме основного и дополнительного источника, выход операционного усилителя подключен ко входу блока управления, а датчик тока подключен между эмиттерами первого и второго транзистора "зеркала тока". Недостатком такого устройства является его сложность /необходим операционный усилитель, дополнительный источник электропитания и др. элементы/, кроме того, осуществляется только защита по току нагрузки. Known protection devices in which a reference resistor-current sensor is connected to emitters of matched transistors forming a "current mirror". In the device [1], current mirror elements are used to protect against current overloads, the signal from the output of the second assembly transistor is connected to the inverse input of the operational amplifier, the direct input of which is connected to the midpoint of the divider connected to the sum of the primary and secondary sources, and the operational output an amplifier is connected to the input of the control unit, and a current sensor is connected between the emitters of the first and second transistors of the "current mirror". The disadvantage of this device is its complexity / an operational amplifier is needed, an additional power source and other elements /, in addition, only current protection of the load is provided.

Известен стабилизатор постоянного потребляемого тока [2], содержащий транзисторный регулирующий элемент, включенный между выходной шиной и выходным выводом, эталонный резистор, источник опорного напряжения, измерительный элемент и усилитель постоянного тока, выходом соединенный с управляющим входом транзисторного регулирующего элемента, содержащий сборку из двух однотипных транзисторов с резистивными элементами в коллекторных цепях с усилителем постоянного тока, выполненного в виде дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к точке соединения резисторов первого резистивного элемента, второй вход дифференциального усилителя подключен к коллектору второго транзистора сборки. Known stabilizer constant current consumption [2], containing a transistor control element connected between the output bus and the output terminal, a reference resistor, a reference voltage source, a measuring element and a DC amplifier connected to the control input of a transistor control element with an assembly of two of the same type transistors with resistive elements in collector circuits with a DC amplifier, made in the form of a differential amplifier, the first input of which connected to the connection point of the resistors of the first resistor element, the second input of the differential amplifier is connected to the collector of the second transistor assembly.

Устройство [2] является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству. The device [2] is the closest in technical essence to the proposed device.

Недостатком его является отсутствие защиты от перегрузок по току /при учете особенности, что на эталонном резисторе напряжение чрезвычайно мало-единицы- десятки милливольт/, а также защиты от перенапряжения на нагрузке. Its disadvantage is the lack of protection against current overloads / taking into account the peculiarity that the voltage on the reference resistor is extremely small, of a few tens of millivolts /, as well as overvoltage protection on the load.

Целью изобретения является улучшение показателей надежности путем введения защиты по току и напряжению. The aim of the invention is to improve reliability by introducing protection on current and voltage.

Указанная цель достигается тем, что в стабилизатор постоянного потребляемого тока, содержащий транзисторный регулирующий элемент, включенный между выходной шиной и выходным выводом, источник опорного напряжения, измерительный элемент и усилитель постоянного тока, выходом соединенный с управляющим входом регулирующего элемента, содержащий сборку из двух однотипных транзисторов с резистивными элементами в коллекторных цепях с усилителем постоянного тока, выполненного в виде дифференциального усилителя, первый вход которого подключен к точке соединения резисторов первого резистивного элемента, введены последовательно с эталонным резистором ключевой элемент, цепь базы которого подключена через базовый резистор к коллектору упомянутого ключевого элемента и через управляющий транзистор к выходной шине, база управляющего транзистора через второй резистор развязки, второй вход дифференциального усилителя через первый резистор развязки подключены к коллектору второго транзистора сборки, средняя точка делителя, подключенного параллельно нагрузке, подключена через второй эмиттерный резистор к эмиттеру транзистора управления, коллектор которого подключен к коллектору первого транзистора оборки, база через первый стабилитрон - к выходной шине, параллельно нагрузке включен узел защиты от перенапряжения, содержащий исполнительный элемент на тиристоре, включенный силовыми электродами последовательно со вторым стабилитроном, вывод управления упомянутого тиристора включен между последовательно включенными третьим и четвертым стабилитронами, подключенными параллельно нагрузке. Кроме того, цепь управления узла защиты от перенапряжения выполнена на двух делителях, подключенных к нагрузке, первый из которых содержит последовательно включенные ограничительный резистор защиты, пятый стабилитрон, светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой включен последовательно с первым и вторым ограничительными резисторами управления, а к точке соединения фотоприемника и второго ограничительного резистора включен выход управления исполнительного элемента. This goal is achieved by the fact that in the stabilizer of constant current consumption, containing a transistor control element connected between the output bus and the output terminal, a reference voltage source, a measuring element and a DC amplifier connected to the control input of the control element by an output, containing an assembly of two transistors of the same type with resistive elements in the collector circuits with a DC amplifier made in the form of a differential amplifier, the first input of which is connected n to the connection point of the resistors of the first resistive element, a key element is introduced in series with the reference resistor, the base circuit of which is connected through the base resistor to the collector of the said key element and through the control transistor to the output bus, the base of the control transistor through the second isolation resistor, the second input of the differential amplifier through the first isolation resistor is connected to the collector of the second assembly transistor, the midpoint of the divider connected in parallel with the load is connected through the second emitter resistor to the emitter of the control transistor, the collector of which is connected to the collector of the first transistor of the frill, the base through the first zener diode to the output bus, a surge protection unit is included in parallel with the load, containing an actuator on the thyristor, connected by power electrodes in series with the second zener diode, control output said thyristor is connected between series-connected third and fourth zener diodes connected in parallel with the load. In addition, the control circuit of the overvoltage protection unit is made on two dividers connected to the load, the first of which contains the limiting protection resistor, the fifth zener diode, the optocoupler light emitter, the photodetector of which is connected in series with the first and second limiting control resistors, and to the connection point the photodetector and the second limiting resistor included the control output of the actuator.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличатся наличием новых блоков /узел защиты по току, узел защиты от перенапряжения/ с их связями с остальными узлами и элементами схемы. Таким образом, заявленное устройство является новым, так как оно неизвестно из уровня техники. A comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is distinguished by the presence of new units / current protection unit, overvoltage protection unit / with their connections with other nodes and circuit elements. Thus, the claimed device is new, as it is unknown from the prior art.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие, как повышенная надежность, связанная с наличием узлов комбинированной защиты, причем эталонный резистор является одновременно датчиком тока. Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательный уровень, т.к. для автора он явным образом не следует из уровня техники. A comparison of the claimed device with other technical solutions shows that with the introduction of new nodes with the indicated connections with other elements, new properties appear, such as increased reliability associated with the presence of combined protection nodes, and the reference resistor is also a current sensor. This allows us to conclude that the technical solution has an inventive level, because for the author, he does not explicitly follow from the prior art.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявленного устройства, на фиг. 2 - узел защиты от перенапряжения. Эталонный резистор 1 включен последовательно с нагрузкой 2, выводы элемента 1 подключены к транзисторной сборке 3, включающей согласованные транзисторы 4 и 5, эмиттеры этих транзисторов подключены к выводам эталонного резистора 1, эмиттер первого согласованного транзистора 4 подключен к входному выводу источника постоянного напряжения. В цепь коллектора транзистора 4 включены последовательно резисторы 6 и 7, представляющие собой первый резистивный элемент, средняя точка этих резисторов подключена к базе транзистора 9, представляющего совместно с транзистором 10 транзисторы дифференциального усилителя, в точке соединения эмиттеров упомянутых транзисторов подключен одним выводом первый эмиттерный резистор 11, второй вывод которого подключен к одному из выводов нагрузки 2; в цепи коллектора транзистора 9 включен резистор 12, точка соединения коллектора транзистора 9 и резистора 12 подключена к первому транзистору 13 регулирующего элемента, в цепи коллектора упомянутого транзистора включен первый ограничительный резистор 14, точка соединения элементов 13 и 14 подключена к базе второго транзистора регулирующего элемента 16, в цепи коллектора которого установлен второй ограничительный резистор 15. Элементы 13 -16 и представляют собой транзисторный регулирующий элемент. In FIG. 1 is a schematic diagram of the claimed device, FIG. 2 - node surge protection. The reference resistor 1 is connected in series with the load 2, the terminals of element 1 are connected to the transistor assembly 3, including matched transistors 4 and 5, the emitters of these transistors are connected to the terminals of the reference resistor 1, the emitter of the first matched transistor 4 is connected to the input terminal of the DC voltage source. The collector circuit of transistor 4 is connected in series with resistors 6 and 7, which are the first resistive element, the middle point of these resistors is connected to the base of transistor 9, which, together with transistor 10, is a differential amplifier transistor, at the junction point of the emitters of the said transistors the first emitter resistor 11 is connected the second terminal of which is connected to one of the terminals of the load 2; resistor 12 is connected in the collector circuit of transistor 9, the connection point of the collector of transistor 9 and resistor 12 is connected to the first transistor 13 of the regulating element, the first limiting resistor 14 is connected to the collector circuit of the mentioned transistor 14, the connection point of elements 13 and 14 is connected to the base of the second transistor of the regulating element 16 , in the collector circuit of which is installed the second limiting resistor 15. Elements 13-16 and represent a transistor control element.

Между эталонным резистором 1 и нагрузкой 2 включен ключевой элемент 17, базовый резистор 18 включен между базой и коллектором упомянутого транзистора - ключевого элемента 17, к точке соединения коллектора транзистора 4 и резистора 6 подключен коллектор транзистора управления 19, в цепи базы которого включен анодом первый стабилитрон 20, катод которого - к другой входной шине /выводу/, т.е. к общей шине стабилизатора; в цепь эмиттера транзистора управления 19 включен второй эмиттерный транзистор 21, второй вывод которого подключен к средней точке делителя на транзисторах 22, 23, включенных параллельно нагрузке, в цепь базы ключевого элемента - транзистора 17 включен управляющий транзистор 24, эмиттер которого подключен к общей шине стабилизатора, резисторная развязка, содержащая первый 25 и второй 26 резисторы подключена одними выводами к точке соединения коллектора транзистора 5 и резистора 8, другими 25 - к базе второго транзистора 10 дифференциального усилителя и 26 - к базе управляющего транзистора 24. Элементы 17-26 образуют узел защиты по току 27. Параллельно выходу, т.е. нагрузке 2 подключены второй стабилитрон 28 и исполнительный элемент 29, соединенные последовательно, третий и четвертый стабилитроны 30, 31, также соединенные последовательно, причем катоды элементов 28 и 30 подключены к выходному выводу, а анод 31 - к выводной /общей/ шине, точка соединения элементов 30 и 31 подключена к управляющему выводу элемента 29. Элементы 28-31 образуют узел защиты от перенапряжения 32. A key element 17 is connected between the reference resistor 1 and the load 2, the base resistor 18 is connected between the base and the collector of the aforementioned transistor - the key element 17, the collector of the control transistor 19 is connected to the connection point of the collector of the transistor 4 and the resistor 6, the first zener diode is connected to the base of the anode 20, the cathode of which is to another input bus / output /, i.e. to the common stabilizer bus; a second emitter transistor 21 is included in the emitter circuit of the control transistor 19, the second output of which is connected to the midpoint of the divider on transistors 22, 23 connected in parallel with the load, a control transistor 24 is included in the base circuit of the key element - transistor 17, the emitter of which is connected to the stabilizer common bus , a resistor isolation containing the first 25 and second 26 resistors is connected by one terminal to the junction point of the collector of transistor 5 and resistor 8, the other 25 to the base of the second transistor 10 differential amplifier A and 26 - to the base of the control transistor 24. The overcurrent protection elements 17-26 form an output node 27. In parallel, i.e. the load 2 is connected to the second zener diode 28 and the actuator 29 connected in series, the third and fourth zener diodes 30, 31, also connected in series, and the cathodes of the elements 28 and 30 are connected to the output terminal, and the anode 31 to the output / common / bus, the connection point elements 30 and 31 is connected to the control terminal of element 29. Elements 28-31 form an overvoltage protection unit 32.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения этого узла. Здесь параллельно нагрузке включены делители из ограничительного резистора защиты 33, пятого стабилитрона 34 и светоизлучателя оптопары 35 -светодиода 36, фотоприемник которой 37 включен последовательно с элементами второго делителя - первого и второго ограничительных резисторов управления, точка соединения элементов 35 и 39 подключена к управляющему выводу элемента 29. In FIG. 2 shows an embodiment of this assembly. Here, in parallel with the load, dividers from the limiting protection resistor 33, the fifth zener diode 34 and the light emitter of the optocoupler 35 of the LED 36 are included, the photodetector of which 37 is connected in series with the elements of the second divider - the first and second limiting control resistors, the connection point of the elements 35 and 39 is connected to the control terminal of the element 29.

Устройство работает следующим образом. В нормальных условиях, т.е. при отсутствии аварийных режимов /перегрузки по току, перенапряжению на выходе/ стабилизатор потребляемого тока выполняет свои основные функции, т.е. в качестве опорного напряжения используется сигнал с резистора 6 изменяющегося напряжения - сигнал с резистора 8. Оба эти напряжения подаются на дифференциальные входы усилителя на транзисторах 9,10. При увеличении тока нагрузки увеличивается напряжение на эталонном резисторе 1, увеличение тока через резисторы 6,7 значительно меньше, чем через резистор 8, т.е. увеличивается напряжение между дифференциальными входами, уменьшается напряжение коллектор- эмиттер транзистора 10, увеличивается ток через него, т.е. величина сигнала на резисторе 12 уменьшается, так как ток коллектора транзистора 10 увеличивается, а коллектора 9 - уменьшается. Это уменьшает входной сигнал транзистора 13, следовательно, и токи коллекторов транзисторов 13, 16, компенсируя увеличение тока через резистор 1. При уменьшении тока нагрузки стабилизатор работает в противофазе описанному. В режиме нормальной работы транзистор 17 - ключевой элемент открыт /ток базы его протекает через резистор 18/, управляющий транзистор 24 закрыт, транзистор управления 19 работает в режиме, необходимом для выполнения стабилизатором основных функций. Через стабилитроны 30, 31 ток не протекает, исполнительный элемент 29 находится в закрытом состоянии, стабилитрон 28 /как и стабилитроны 30, 31/ не находятся в режиме стабилизации /пробоя 3енера/, т.е. узел 32 не влияет на нормальный режим работы стабилизатора постоянного потребляемого тока. Аналогично в этом режиме работает узел 32, фиг. 2. Напряжение на пятом стабилитроне 34 меньше напряжения пробоя Зенера, ток, протекающий через светоизлучатель 36 оптопары 35, весьма мал и недостаточен для включения фотоприемника 37 упомянутой оптопары, тиристор 29 отключен и узел 32 не влияет на нормальный режим работы стабилизатора. The device operates as follows. Under normal conditions, i.e. in the absence of emergency conditions / overcurrent, output overvoltage / current regulator performs its main functions, i.e. the signal from the resistor 6 of the changing voltage is used as the reference voltage — the signal from the resistor 8. Both of these voltages are applied to the differential inputs of the amplifier on transistors 9,10. With an increase in the load current, the voltage at the reference resistor 1 increases, the increase in current through the resistors 6.7 is much less than through the resistor 8, i.e. the voltage between the differential inputs increases, the collector-emitter voltage of the transistor 10 decreases, the current through it increases, i.e. the signal value on the resistor 12 decreases, since the collector current of the transistor 10 increases, and the collector 9 decreases. This reduces the input signal of the transistor 13, therefore, the collector currents of the transistors 13, 16, compensating for the increase in current through the resistor 1. When the load current decreases, the stabilizer works in antiphase described. In normal operation, the transistor 17 - the key element is open / the base current flows through the resistor 18 /, the control transistor 24 is closed, the control transistor 19 operates in the mode necessary for the stabilizer to perform basic functions. No current flows through the zener diodes 30, 31, the actuator 29 is in the closed state, the zener diode 28 / like the zener diodes 30, 31 / are not in stabilization mode / breakdown 3enera /, i.e. node 32 does not affect the normal operation of the stabilizer constant current consumption. Similarly, the node 32 operates in this mode, FIG. 2. The voltage at the fifth zener diode 34 is less than the Zener breakdown voltage, the current flowing through the light emitter 36 of the optocoupler 35 is very small and insufficient to turn on the photodetector 37 of the aforementioned optocoupler, the thyristor 29 is turned off and the node 32 does not affect the normal mode of operation of the stabilizer.

При перегрузке по току, или коротком замыкании в нагрузке, т.е. увеличении тока нагрузки выше определенной величины, напряжение на эталонном резисторе 1 увеличивается и, следовательно, увеличивается ток через транзистор 4, увеличивается на столько же ток через транзистор 5 и тем самым создается большее напряжение на резисторе 8,управляющий транзистор 24 переходит в режим усиления, воздействуя на ключевой элемент, напряжение на делителе 22, 23 начинает уменьшаться, уменьшается и потенциал его средней точки, что приводит к увеличению тока через второй эмиттерный резистор 21, транзистор управления 19 и транзистор сборки 4. Увеличение тока через упомянутый транзистор 4 в свою очередь приведет к дальнейшему увеличению тока через транзистор 5, увеличению напряжения на резисторе 8 и еще большему открытию управляющего транзистора 24, еще больше запирая ключевой элемент 17; процесс носит регенеративный характер и транзистор 17 закрывается лавинообразно. During overcurrent, or short circuit in the load, i.e. increasing the load current above a certain value, the voltage across the reference resistor 1 increases and, therefore, the current through the transistor 4 increases, the current through the transistor 5 increases by the same amount and thereby creates a higher voltage across the resistor 8, the control transistor 24 goes into amplification mode, acting to the key element, the voltage on the divider 22, 23 begins to decrease, and the potential of its midpoint decreases, which leads to an increase in current through the second emitter resistor 21, the control transistor 19 and trans assembly side 4. An increase in the current through the aforementioned transistor 4 will in turn lead to a further increase in the current through the transistor 5, an increase in the voltage across the resistor 8, and even more opening of the control transistor 24, further locking the key element 17; the process is regenerative in nature and the transistor 17 closes like an avalanche.

При увеличении напряжения на нагрузке выше допустимого значения /величина определяется величиной стабилизации напряжения элементов 28, 30, 31, 34/ включается цепь управления из элементов 30, 31 /или светоизлучатель 36 оптопары 35, фиг. 2/, включается исполнительный элемент 29 /или фотоприемник 37 и элемент 29, фиг. 2/ и напряжение на выходе ограничивается величиной стабилизации стабилитрона 28, резко увеличивается ток через эталонный резистор 1 и срабатывает защита по току. When the voltage at the load increases above the permissible value / the value is determined by the voltage stabilization value of the elements 28, 30, 31, 34 / the control circuit of the elements 30, 31 / or the light emitter 36 of the optocoupler 35 is turned on, FIG. 2 /, the actuating element 29 / or the photodetector 37 and the element 29 are turned on, FIG. 2 / and the output voltage is limited by the stabilization value of the zener diode 28, the current through the reference resistor 1 increases sharply and the current protection is activated.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает комплексную защиту стабилизатора постоянного потребляемого тока. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения. Thus, the proposed device provides comprehensive protection of the stabilizer constant current consumption. The above information confirms the feasibility of the invention.

Источники информации. Sources of information.

1. Авторское свидетельство СССР N 1396205 кл. H 02 H 7/12. Опубл. 1988, Бюл. N 18. 1. Copyright certificate of the USSR N 1396205 class. H 02 H 7/12. Publ. 1988, Bull. N 18.

2.Патент РФ N 2033634 кл. G 05 F 1/56. Опубл. 1995, Бюл. N 11. 2. RF patent N 2033634 class. G 05 F 1/56. Publ. 1995, Bull. N 11.

Claims

A constant current stabilizer with combined protection, containing a transistor control element connected between the output bus and the output terminal, a reference resistor connected in series with the load, an assembly of two of the same transistors, a DC amplifier made in the form of a differential amplifier, the output connected to the control input transistor control element, the first input connected to the connection point of the resistors of the first resistive element, emitters transi assembly assemblies are connected to said reference resistor, the first resistive element included in the collector circuit of the first assembly transistor, the second resistive element in the circuit of the second assembly transistor, while with increasing load current, the current through the first resistive element is much less than through the second, characterized in that the key element is connected in series with the reference resistor, the base circuit of which is connected through the base resistor to the collector of the mentioned key element and through the collector-emitter of the transistor to the output bus, the base of the control transistor is connected to the collector of the second transistor of the assembly through the second isolation resistor, the second input of the differential amplifier is connected to the collector of the second transistor of the assembly through the first isolation resistor, the midpoint of the divider connected in parallel to the load is connected through the second emitter resistor to the emitter control transistor, the collector of which is connected to the collector of the first assembly transistor, the base through the first zener diode - to the output bus, a pair depending on the load, an overvoltage protection unit is included, containing an actuator element on the thyristor, connected by power electrodes in series with the second zener diode, the control terminal of the mentioned thyristor is connected to the connection point of the optocouplers and the second control resistor of the second divider connected in series with the first limiting resistor, connected in parallel with the load, the LED of the said optocoupler is connected in series with the limiting protection resistor and the fifth abilitron representing the first divider connected in parallel with the load.