RU215453U1

RU215453U1 - A device for limiting the DC output voltage without breaking the power circuit when exposed to high-voltage pulses at the input

Info

Publication number: RU215453U1
Application number: RU2022127070U
Authority: RU
Inventors: Алексей Игоревич Марков
Original assignee: Акционерное общество "Информационная внедренческая компания"
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2022-12-14

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и представляет собой устройство ограничения входного напряжения при воздействии на вход высоковольтных импульсов до безопасных значений без разрыва цепи питания для защиты радиоэлектронной аппаратуры от импульсных перенапряжений входных цепей питания постоянным током, содержащее входные шины для подключения источника питания постоянного тока, выходные шины питания для подключения нагрузки, параллельно включенные в разрыв между входом и выходом одной из шин питания электронный ключ, содержащий по меньшей мере один транзистор с низким проходным сопротивлением, и стабилизатор, содержащий по меньшей мере один управляемый транзистор с более высоким сопротивлением, а также первую схему управления, контролирующую ключ и управляемую входным напряжением, и вторую схему управления, контролирующую стабилизатор и управляемую выходным напряжением, при этом выход управляемой входным напряжением первой схемы управления соединен с входом управления ключом, а выход управляемой выходным напряжением второй схемы управления соединен с входом управления стабилизатором.

The utility model relates to the field of electrical engineering and is a device for limiting the input voltage when high-voltage pulses are applied to the input to safe values without breaking the power circuit to protect electronic equipment from surge voltages of DC input power circuits, containing input buses for connecting a DC power source, output power rails for connecting the load, connected in parallel in the gap between the input and output of one of the power rails, an electronic key containing at least one transistor with a low pass resistance, and a stabilizer containing at least one controlled transistor with a higher resistance, as well as the first a control circuit that controls the key and is controlled by the input voltage, and a second control circuit that controls the stabilizer and is controlled by the output voltage, while the output of the first control circuit controlled by the input voltage is connected to the control input of the terminal switch, and the output of the second control circuit controlled by the output voltage is connected to the control input of the stabilizer.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для защиты от импульсных перенапряжений входных цепей питания постоянным током радиоэлектронной аппаратуры. Более конкретно, полезная модель относится к устройствам ограничения выходного напряжения постоянного тока до безопасных значений при воздействии на вход высоковольтных импульсов без разрыва цепи питания.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to protect input circuits of DC power supply of electronic equipment against surges. More specifically, the utility model relates to devices for limiting the DC output voltage to safe values when the input is exposed to high voltage pulses without breaking the power circuit.

В патенте RU 2421858 описано «Устройство защиты от перенапряжения», которое предназначено для защиты низковольтных установок, и имеет по меньшей мере один разъединительный элемент и один защитный элемент, прежде всего, варистор. Отдельные разъединительные элементы выполнены, предпочтительно, в виде предохранителей с тепловым реле, термически связанными с соотнесенными защитными элементами. Таким образом, у выполненных в виде варисторов защитных элементов может быть определен не только нагрев защитного элемента, возникающий при отводе согласно назначению, но также и постепенный нагрев, возникающий вследствие процессов старения вследствие длительного тока утечки или перегрузки. Недостатком такого решения является то, что при срабатывании защиты нагрузка отсоединяется от шин питания, и это происходит даже для незначительных превышений пороговых значений.Patent RU 2421858 describes an "Overvoltage protection device", which is designed to protect low-voltage installations, and has at least one disconnecting element and one protective element, primarily a varistor. The individual disconnecting elements are preferably in the form of fuses with a thermal relay thermally connected to the associated protective elements. Thus, with protective elements designed as varistors, not only the heating of the protective element that occurs when tapping according to the purpose can be determined, but also the gradual heating that occurs due to aging processes due to a long leakage current or overload. The disadvantage of this solution is that when the protection is triggered, the load is disconnected from the power buses, and this happens even for minor threshold exceedances.

Известен также патент RU 2275726 "Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений», где система электропитания содержит источник питания, подключенные к нему через шины питания радиоэлектронную аппаратуру и пороговое стабилитронно-резисторное устройство, в котором последовательно соединенные управляемые элементы подключены параллельно радиоэлектронной аппаратуре. В режиме ограничения при возникновении импульсной помехи оба управляемых элемента (транзистора) открываются и образуют шунт между шинами питания. Недостатком такого решения является то, что при большой энергии импульса ток через шунтирующие транзисторы может оказаться больше допустимого, и они выйдут из строя. Таким образом, надежность такой схемы защиты оказывается весьма ограниченной.Also known is the patent RU 2275726 "Power supply system with protection of electronic devices from surges", where the power supply system contains a power source connected to it through the power bus radio electronic equipment and a threshold zener diode-resistor device in which series-connected controlled elements are connected in parallel to radio electronic equipment. In the limiting mode, when an impulse noise occurs, both controlled elements (transistors) open and form a shunt between the power buses.The disadvantage of this solution is that with a high pulse energy, the current through the shunt transistors may be greater than the allowable one, and they will fail.Thus, the reliability of such a protection scheme is very limited.

Известен также патент RU 2502169 "Устройство защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства», где предложена схема с использованием электронного ключа на основе транзистора, который включается последовательно в разрыв плюсовой шины питания и работает в режиме «замкнуто»/«разомкнуто» в зависимости от значения напряжения в сети ТС и имеет малое по сравнению с длительностью импульса время включения/выключения, поэтому успевает отсекать короткие высоковольтные импульсы длительностью (например, менее 1 мкс). При перенапряжениях прибор питается от емкости, а при достижении нормального (номинального для данного транспортного средства) значения напряжения ключ возвращается в режим «замкнуто», и защищаемый электронный прибор начинает вновь работать от источника питания транспортного средства. Недостатком такого решения является то, что происходит разрыв цепи питания на время появления импульса напряжения, на входе при котором напряжение на выходе будет падать. Кроме того, работа от емкости для больших токов нагрузки и увеличенной длительности импульса перенапряжения требует емкость большого номинала.Also known is patent RU 2502169 "Device for protecting electronic devices from high peak voltages in the vehicle's on-board network", which proposes a circuit using an electronic key based on a transistor, which is connected in series to the break of the positive power bus and operates in the "closed" / "open" mode "depending on the voltage value in the vehicle network and has a short on / off time compared to the pulse duration, therefore it has time to cut off short high-voltage pulses with a duration (for example, less than 1 μs). In case of overvoltages, the device is powered from the capacitance, and when the normal (nominal) for a given vehicle) voltage value, the key returns to the “closed” mode, and the protected electronic device starts working again from the vehicle’s power source. to the exit e will fall. In addition, operation from capacitance for high load currents and increased duration of the overvoltage pulse requires a large capacitance.

Задача, для решения которой разработана полезная модель, заключается в ограничении выходного напряжения постоянного тока для питания потребителей до безопасных значений при воздействии на вход высоковольтных импульсов, при этом цепь питания потребителей не разрывается.The task for which the utility model was developed is to limit the output DC voltage for supplying consumers to safe values when exposed to high-voltage pulses at the input, while the consumer power supply circuit is not broken.

Импульсные помехи возникают в цепях питания за счет ЭДС самоиндукции индуктивностей шин питания при, например, отключении автоматикой нагрузок в случае перегрузок и/или короткого замыкания. Импульсы перенапряжения по шинам питания, не превышающие безопасных для системы защиты значений, необходимо ограничить безопасными значениями для нагрузок.Impulse interference occurs in power circuits due to the self-inductance EMF of the inductances of the power buses when, for example, automatic disconnection of loads in the event of overloads and / or short circuits. Overvoltage impulses on the power buses, which do not exceed safe values for the protection system, must be limited to safe values for loads.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в повышении надежности функционирования подключенной радиоэлектронной аппаратуры.The technical result, mediating the solution of this problem, is to increase the reliability of the connected electronic equipment.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство защиты, имеющее широкий диапазон рабочих напряжений, сопровождающийся при малых напряжениях большими токами в нагрузку, а именно устройство ограничения выходного напряжения постоянного тока при воздействии на вход высоковольтных импульсов без разрыва цепи питания (далее устройство), поясняемое с помощью рисунков, на которыхTo solve this problem, a protection device is proposed that has a wide operating voltage range, accompanied at low voltages by large currents to the load, namely, a device for limiting the DC output voltage when exposed to high-voltage pulses without breaking the power circuit (hereinafter referred to as the device), explained with the help of figures , where

фиг. 1 - структурная схема заявляемого устройства,fig. 1 - block diagram of the proposed device,

фиг. 2 - работа ключа 1 устройства,fig. 2 - key operation of 1 device,

фиг. 3 - расчетные режимы работы устройства.fig. 3 - design operating modes of the device.

Параметры электронных элементов (транзисторов) устройства выбраны для рабочего диапазона входных напряжений Uвх до предельного значения V2.The parameters of the electronic elements (transistors) of the device are selected for the operating range of input voltages Uin up to the limit value V2.

Как видно на фиг. 1 устройство содержит входные шины Uвх для подключения источника питания постоянного тока, выходные шины питания Uвых для подключения нагрузки, параллельно включенные в разрыв между входом и выходом одной из шин питания электронный ключ 1, содержащий по меньшей мере один транзистор с низким проходным сопротивлением, и стабилизатор 2, содержащий по меньшей мере один управляемый транзистор с более высоким сопротивлением, а также первую схему управления 3, контролирующую ключ 1 и управляемую входным напряжением, и вторую схему управления 4, контролирующую стабилизатор 2 и управляемую выходным напряжением.As seen in FIG. 1 device contains input buses Uin for connecting a DC power supply, output power buses Uout for connecting a load, connected in parallel in the gap between the input and output of one of the power buses, an electronic switch 1 containing at least one transistor with a low pass resistance, and a stabilizer 2, comprising at least one controllable transistor with a higher resistance, as well as a first control circuit 3 controlling the switch 1 and controlled by the input voltage, and a second control circuit 4 controlling the stabilizer 2 and controlled by the output voltage.

Напряжение в цепи на входе в устройство отслеживается первой схемой управления 3, управляющим параметром для которой является напряжение Uвх на входе устройства. (фиг. 2). Первая схема управления 3 связана с ключом 1 и контролирует его открытое или закрытое состояние. В нормальном режиме, когда входное напряжение Uвх, не превышает допустимого уровня V1, первая схема управления 3 поддерживает низкоомный электронный ключ 1 открытым. Электронный ключ 1 имеет низкое сопротивление и обеспечивает протекание токов в нагрузку при нормальном режиме работы с минимально возможным падением напряжения и с формированием на выходе устройства Uвых, соответственно, не превышающим V1.The voltage in the circuit at the input to the device is monitored by the first control circuit 3, the control parameter for which is the voltage Uin at the input of the device. (Fig. 2). The first control circuit 3 is associated with the key 1 and controls its open or closed state. In normal mode, when the input voltage Uin does not exceed the allowable level V1, the first control circuit 3 keeps the low-resistance electronic key 1 open. The electronic key 1 has a low resistance and ensures the flow of currents into the load during normal operation with the lowest possible voltage drop and with the formation of Uout at the output of the device, respectively, not exceeding V1.

В нормальном режиме работы транзисторы стабилизатора 2 также полностью открыты, но, по своим физическим характеристикам, имеют более высокое проходное сопротивление, снижающее протекающий через него ток, благодаря чему основной ток в нагрузку поступает через низкоомный ключ 1, т.е. при уровне входного напряжения Uвх ниже V1 электронный ключ 1 открыт и, имея более низкое сопротивление канала, шунтирует транзисторы стабилизатора 2, так, что ток в основном протекает через электронный ключ 1, при этом стабилизатор 2 также работает в режиме ключа.In normal operation, the transistors of the stabilizer 2 are also fully open, but, according to their physical characteristics, they have a higher resistance, which reduces the current flowing through it, due to which the main current enters the load through the low-resistance switch 1, i.e. when the input voltage Uin is below V1, the electronic key 1 is open and, having a lower channel resistance, shunts the transistors of the stabilizer 2, so that the current mainly flows through the electronic key 1, while the stabilizer 2 also operates in the key mode.

При превышении Uвх допустимого значения V1, первая схема управления 3 закрывает ключ 1, но цепь не разрывается и ток далее идет по цепи только через функционирующий в режиме ключа стабилизатор 2, параметры которого выбраны на получение на выходе безопасного для нагрузки напряжения Uвых, не превышающего уровня V3, которое может быть больше или равно V1, но должно быть обязательно меньше предельного V2.When Uin exceeds the allowable value V1, the first control circuit 3 closes the switch 1, but the circuit does not break and the current then flows through the circuit only through the stabilizer 2 operating in the key mode, the parameters of which are selected to obtain at the output a voltage Uout safe for the load, not exceeding the level V3, which may be greater than or equal to V1, but must necessarily be less than the limit V2.

Уровень выходного напряжения отслеживается и контролируется второй схемой управления 4, которая при повышении выходного напряжения Uвых и приближении его к уровню заданного значения безопасного уровня V3 переводит стабилизатор 2 непосредственно в режим линейной стабилизации напряжения на уровне V3, т.е. работа стабилизатора 2 в режиме стабилизации обеспечивает непрерывное поступление тока в нагрузку и при возрастании входного напряжения до уровня V2 с сохранением уровня Uвых, равного V3. (фиг. 3).The level of the output voltage is monitored and controlled by the second control circuit 4, which, when the output voltage Uout increases and approaches the level of the set value of the safe level V3, switches the stabilizer 2 directly into the mode of linear voltage stabilization at the level V3, i.e. the operation of the stabilizer 2 in the stabilization mode provides a continuous supply of current to the load even with an increase in the input voltage to the level V2 while maintaining the level Uout equal to V3. (Fig. 3).

Таким образом, заявленное устройство защиты обеспечивает бесперебойную работу нагрузки с передачей на выходные шины входного напряжения до уровня V1 в нормальном режиме работы и выходного напряжения Uвых до безопасного для нагрузки уровня V3 при наличии на входе импульса перенапряжения, превышающего уровень V1, и способного достичь уровня V2. Напряжение V3 всегда больше или равно напряжению V1 и меньше напряжения V2.Thus, the claimed protection device ensures uninterrupted operation of the load with the transfer to the output busses of the input voltage up to the level V1 in normal operation and the output voltage Uout to the level V3 that is safe for the load in the presence of an overvoltage pulse at the input that exceeds the level V1 and is capable of reaching the level V2 . The voltage V3 is always greater than or equal to the voltage V1 and less than the voltage V2.

При спадании входного импульса до значения V1 и ниже схема переключается в перечисленные выше режимы в обратном порядке. Отслеживающая Uвых вторая схема управления 4 с понижением напряжения сначала переводит транзисторы стабилизатора 2 из режима линейного стабилизатора в полностью открытое состояние при Uвых на уровне V3 и закрытом электронном ключе 1, и затем Uвых продолжает снижаться вместе со снижением Uвх и по достижении Uвх уровня V1, первая схема управления 3 открывает включенный параллельно стабилизатору 2 электронный ключ 1, который имея более низкое сопротивление канала, шунтирует транзисторы стабилизатора 2, обеспечивая протекание тока в основном через себя.When the input pulse falls to V1 and below, the circuit switches to the modes listed above in the reverse order. Tracking Uout the second control circuit 4 with a decrease in voltage first switches the transistors of the stabilizer 2 from the mode of a linear stabilizer to a fully open state with Uout at the level of V3 and a closed electronic key 1, and then Uout continues to decrease along with a decrease in Uin and when Uin reaches the level V1, the first the control circuit 3 opens the electronic key 1 connected in parallel with the stabilizer 2, which, having a lower channel resistance, shunts the transistors of the stabilizer 2, ensuring the current flow mainly through itself.

Заявленное устройство защиты от перенапряжений предотвращает выход из строя элементов радиоэлектронных приборов или сбоя в работе других радиоэлектронных устройств, вызываемых выбросом достигающих высоких значений напряжений в цепи питания, при этом цепь питания потребителей не разрывается.The claimed overvoltage protection device prevents failure of elements of radio-electronic devices or malfunctions of other radio-electronic devices caused by the release of voltages reaching high values in the power circuit, while the power supply circuit of consumers is not interrupted.

Заявленное устройство защиты от перенапряжений может быть выполнено как в составе защищаемого электронного устройства, так и в виде отдельного прибора.The claimed overvoltage protection device can be made both as part of the protected electronic device and as a separate device.

Claims

A device for limiting the DC output voltage without breaking the power circuit when high-voltage pulses are applied to the input, containing input buses for connecting a DC power source, output power buses for connecting a load, connected in parallel in the gap between the input and output of one of the power buses, an electronic key containing at least one transistor with a low pass resistance, and a stabilizer containing at least one controllable transistor with a higher resistance, as well as a first control circuit that controls the switch and is controlled by the input voltage, and a second control circuit that controls the stabilizer and is controlled by the output voltage, wherein the output of the first control circuit controlled by the input voltage is connected to the control input of the key, and the output of the second control circuit controlled by the output voltage is connected to the control input of the stabilizer.