SU1669040A1 - Устройство дл защиты источника посто нного напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано дл  защиты источника вторичного электропитани , включающего преобразователь. Цель изобретени  - повышение надежности. После включени  вспомогательного источника 34 питани  и источника 7 напр жени  возбуждени  происходит запуск преобразовател  контролируемого источника 1 вследствие формировани  последовательности пр моугольных импульсов операционным усилителем 9, а после окончани  зар да конденсатора 33 - компаратором 8 на входе усилител  14 мощности. Контроль выходного напр жени  источника 1 осуществл етс  путем сравнени  на компараторе 8 его выходного напр жени  с опорным напр жением, представл ющим сумму посто нного напр жени , поступающего от источника 2 опорного напр жени , запитанного через выпр митель с фильтром 25 от обмотки 23 трансформатора 21, и пр моугольных импульсов источника 1. За пределами, ограниченными размахом этих пр моугольных импульсов, прекращаетс  формирование напр жени  возбуждени  на обмотке 24, и источник 1 отключаетс . Предлагаема  структура устройства обеспечивает отключение источника 1 в случае неисправности большинства элементов устройства. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты источника вторичного электропитания, включающего преобразователь напряжения.

Цель изобретения - повышение надежности устройства.

На фиг.1 изображена схема устройства для защиты источника постоянного напряжения; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для защиты источника 1 постоянного напряжения содержит источник 2 опорного напряжения с токоограничительным элементом 3, первым 4 и вторым 5 стабилитронами и диодом 6, источник 7 возбуждения, компаратор 8. операционный усилитель 9, резистивные делители 10-12, транзистор 13, усилитель 14 мощности, включающий в себя транзисторы 15 и 16, транзисторы 17-19, емкостный делитель 20, трансформатор 21 с первой 22, второй 23 и третьей 24 обмотками, выпрямитель с фильтром 25, резисторы 26-30, RC-цепь 31, выполненную на шестом резисторе 32 и конденсаторе 33, а также вспомогательный источник 34 питания, к которому подключены цепи питания операционного усилителя 9, усилителя 14 мощности, ёмкостной делитель 20 и источник 1 питания. В источнике 2 опорного напряжения токоограничительный элемент 3, диод 6, второй 5 и первый 4 стабилитроны включены последовательно, при этом общие точки токоограничительного элемента 3 с диодом 6, стабилитрона 4 со стабилитроном 5 образуют соответственно первый, второй и третий выходы источника 2 опорного напряжения. Выход защищаемого источника 1 и первый выход источника 2 опорного напряжения подключены к первому и второму входам компаратора 8 соответственно через резистивные делители 10 и 11, причем делитель 11 связан с общей шиной схемы через переход коллекторэмиттер транзистора 13. Между положительной шиной питания от источника 34 и вторым выходом источника 2 опорного напряжения включена RC-цепь 31, выход которой подключен к второму входу операционного усилителя 9. Первый вход операционного усилителя 9 подключен к коллектору транзистора 18 и к выходу резистивного делителя 12, один из входных выводов которого подключен к положительной шине вспомогательного источника питания, а второй - к общей шине схемы через базоэмиттерный переход транзистора 13 и коллектор-эмиттерный переход транзистора 17, база которого через резистор 26 подключена к источнику 7 возбуждения. Эмиттер транзистора 18 подключен к третьему выходу источника 2 опорного напряжения, а база через резистор 27 - к коллектору транзистора 13, соединенному с делителем 11. Выход операционного усилителя 9 через резистор 28 подключен к коллектору транзистора 19 и к входу усилителя 14 мощности, образованному соединенными между собой базами транзисторов 15 и 16. К базоэмиттерному переходу транзистора 19 подключен резистор 29. и через резистор 30 - выход компаратора 8. Коллекторы транзисторов 15 и 16 подключены к противоположным выводам источника 34 служебного питания, а эмиттеры, соединенные между собой, образуют выход усилителя мощности. Между выходом усилителя 14 мощности и выходом емкостного делителя 20 включена первичная обмотка 22 трансформатора 21, вторичная обмотка 23 которого через выпрямитель 25 подключена к входу источника 2 опорного напряжения. Третья обмотка 24 трансформатора 21 подключена к управляющим цепям контролируемого источника 1 постоянного напряжения.

На диаграммах (фиг.2) показаны напряжение 35 на выходе RC-цепи 31 (второй вход операционного усилителя 9); напряжение 36 на первом входе операционного усилителя 9; напряжение 37 на выходе операционного усилителя 9; напряжение 38 на обмотках 22-24 трансформатора 21: напряжение 39 на первом выходе источника 2 опорного напряжения; напряжение 40 на втором входе компаратора 8; напряжение 41 на первом входе компаратора 8; напряжение 42 на выходе компаратора 8; момент 43 появления неисправности в контролируемом источнике 1 питания ( превышение его напряжения выше граничного значения).

Масштаб эпюр 37-42 составляет относительно эпюр 35 и 36 1:3.

Устройство работает следующим образом.

В момент включения источника 34 служебного питания и источника 7 возбуждения, который может быть включен предварительно, начинается заряд конденсатора 33 RC-цепи 31 - эпюра 35. Начальное напряжение выхода этой RC-цепи равно напряжению стабилизации стабилитрона 4. Это напряжение, действующее на втором входе операционного усилителя 9. по условиям работы схемы устройства должно быть меньшим, чем напряжение на втором его входе, определяемое коэффициентом деления резистивного делителя 12. Выходное напряжение этого делителя модулируется прямоугольным напряжением (типа меандр), подаваемым от источника 7 возбуж дения в цепь базы транзистора 17. Ток делителя 12 проходит через базоэмиттерный переход транзистора 13, а в течение положительного полупериода напряжения источника 7 возбуждения через переход коллектор-эмиттер транзистора 17. Вследствие того, что падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер и база-эмиттер однотипных маломощных транзисторов существенно различается (не менее, чем в 4 раза), напряжение на первом входе операционного усилителя 9 имеет переменную (прямоугольную) составляющую (примерно 0,5 В) - эпюра 36 (фиг.2). Как только нарастающее напряжение RC-цепи 31 (эпюра 35, фиг.2), стремясь к величине напряжения питания, достигнет нижнего уровня напряжения модуляции, напряжения на обоих входах в такт смены полупериодов источника 7 возбуждения будут менять свое соотношение по амплитуде и на выходе операционного усилителя 9 появится (эпюра 37) прямоугольное напряжение (частоты модуляции), близкое по размеру к напряжению источника 34 служебного питания. Усилитель 14 мощности, являющийся двухполярным эмиттерным повторителем, вместе с емкостным делителем 20 образует полумостовой усилитель мощности, формирующий на первой обмотке 22 трансформатора 21 двухполярное прямоугольное напряжение (эпюра 38). Этот процесс, базирующийся на сравнении операционным усилителем выходных напряжений RC-цепи 31 и резистивного делителя 12, имеет малую продолжительность (несколько миллисекунд), определяемую длительностью прохождения экспоненциальным напряжением RC-цепи 31 участка, равного переменной составляющей напряжения'делителя 12, По окончании этого процесса напряжение на втором (неинвертирующем) входе операционного усилителя 9 станет большим напряжения первого (инвертирующего) входа, и напряжение на выходе операционного усилителя 9 станет постоянным, близким к напряжению питания. На данном этапе работы устройства компаратор 8 не работает, его выходное напряжение близко к нулю, так как напряжение на неинвертирующем входе равно нулю, а напряжение инвертирующего входа является положительным за счет передачи части потенциала от стабилитрона 4 на второй вход компаратора 8 по цепи: стабилитрон 5 в прямом направлении, переход эмиттер-база транзистора 18, резистор 27, резистивный делитель 11. Коммутация переходом коллектор-эмиттер транзистора 13 общей точки резистора 27 и делителя 11 не снижает до нуля положи тельный потенциал на втором входе компаратора 8. Транзистор 19 находится в закрытом состоянии, так как резисторами 30 и 29 остаточное напряжение компаратора 8 доводится до базы этого транзистора меньшим, чем уровень напряжения перехода база-эмиттер, соответствующий состоянию проводимости.

С появлением напряжения на обмотке 23 трансформатора 21 начинает поступать постоянное напряжение с выпрямителем с фильтром 25 на вход источника 2 опорного напряжения, что обусловит появление опорного напряжения - эпюра 39, формирование модулированного опорного напряжения на втором входе компаратора 8 за счет ввода в действие резистивного делителя 11 (эпюры 38 и 40) посредством транзистора 13 только на один (отрицательный) полупериод напряжения источника 7 возбуждения; кроме того, резко увеличит размах прямоугольного напряжения на втором входе операционного усилителя 9, так как начнет работать транзистор 18. Напряжение на его эмиттере равно сумме напряжений обоих стабилитронов > (10-15 В), а напряжение общей точки резистора 27, коллектора транзистора 13 и резистивного делителя 11 изменяется по полупериодам от уровня, большего, чем напряжение эмиттера транзистора 18, на величину падения напряжения на диоде 6 (в это время транзистор 18 запирается) до уровня падения напряжения на коллектор-эмиттерном переходе транзистора 13. близкого к нулю (в данном полупериоде транзистор 18 открывается). Размах прямоугольного напряжения на втором входе операционного усилителя 9 становится равным разности между общим напряжением стабилитронов 4 и 5. уменьшенным на величину падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора 18 в состоянии его насыщения, и исходном напряжением делителя 12 в положительном полупериоде напряжения источника 7 возбуждения, т.е. возрастает примерно в 10 раз. Фаза прямоугольного напряжения возросшей амплитуды на втором входе операционного усилителя 9 та же, что и у исходного, т.е. малой амплитуды. В отрицательный (положительный) полупериод напряжения источника 7 возбуждения транзистор закрывается (открывается),что приводит к повышению (понижению) напряжения делителя 12, а транзисторы 13 и 18 открываются (закрываются), что также ведет к повышению (понижению напряжения на втором входе операционного усилителя 9. Смена знака разности напряжений на входах операционного усилителя 9 продолжит7 ся до тех пор, пока напряжение конденсатора 33 не превысит верхнюю кромку глубоко модулированного напряжения на втором входе операционного усилителя 9.

Одновременно с индуцированием переменного напряжения в обмотки 22 и 23 трансформатора 21 начинает активироваться от обмотки 24 контролируемый источник 1 питания, на выходе которого, а значит, на выходе резистивного делителя 10, появляется с плавным расстоянием напряжение (эпюра 41).

Формирование прямоугольного напряжения на выходе операционного усилителя 9 и соответственно на обмотках трансформатора 21 будет продлено, причем без перерыва. Общее время действия операционного усилителя 9, как формирователя пачки прямоугольного напряжения, устанавливают выбором постоянной времени RC-цепи и глубиной модуляции напряжения на втором входе операционного усилителя 9 таким образом, чтобы оно было не меньшим времени выхода контролируемого источника 1 питания на режим.

Начинается сравнение напряжений на входах компаратора 8 - постоянного от источника 1 (эпюра 39), снимаемого с резистивного делителя 10, и модулированного опорного, поступающего от резистивного делителя 11 (эпюра 40). Фаза модуляции совладает с фазой исходного напряжения возбуждения: в положительный (отрицательный) его полулериод транзистор 17 открыт (закрыт), а транзистор 13 закрыт (открыт), в результате чего напряжение с первого выхода источника 2 опорного напряжения полностью передается на выход делителя 11 (делится им). В полупериоды, когда деления нет. резисторы делителя 11 используются для подачи через резистор 27 на базу транзистора 18 запирающего напряжения от диода 6. Глубина модуляции опорного напряжения, определяемая коэффициентом деления резистивного делителя 11. выбирается равной частному от деления величины зоны допустимых изменений напряжения источника 1 и коэффициента деления резистивного делителя 10. Выходное напряжение этого делителя находится между максимальным и минимальным уровнями прямоугольного напряжения на вторам входе компаратора 8. В результате на его выходе появится прямоугольное напряжение (эпюра 42) с размахом, близким к напряжению питания, попеременно открывающее в ходе смены полупериодов напряжения возбуждения транзистор 19, начинающий наряду с операционным усилителем 9 формировать входное напряже ние для усилителя 14 мощности. Пачка прямоугольного напряжения на выходе операционного усилителя 9 перейдет в постоянный уровень напряжения, близкий к напряжению питания. Транзистор 19 станет модулировать его на входе усилителя 14 мощности, выполняя, по существу, функцию ключевого усилителя, для которого выходное (постоянное) напряжение на выходе операционного усилителя 9 является напряжением его питания, а резистор 28 выступает в качестве нагрузочного. Усилитель 14 мощности продолжит работу а прежнем режиме, несмотря на окончание пачки (эпюра 37), в силу того, что вступит в действие компаратор 8, осуществляющий метрологическую оценку выходного напряжения контролируемого источника 1 питания.

Плавный переход управления усилителем 14 мощности от операционного усилителя 9 на транзистор 19, коммутируемый компаратором 8, стал возможным благодаря тому, что пачки прямоугольных импульсов операционного усилителя 9 формируются с перекрытием относительно устанавливающейся впоследствии непрерывной последовательности таких импульсов на выходе компаратора 8 и благодаря совпадению фаз отрицательных (положительных) полупериодов операционного усилителя 9 и моментов появления состояний проводимости (запертых состояний) транзистора 19 на этапе перекрытия прямоугольных напряжений, формируемых обоими операционными усилителями. Схемотехническое обеспечение такого положения доказывается наличием одинаковой четности инверсий сигнала от источника возбуждения по каналу формирования пачек (транзистор 17, операционный усилитель 9 - две инверсии) и по каналу формирования установившейся непрерывной последовательности (транзисторы 17 и 13. компаратор 8, транзистор 19 - четыре инверсии). Выполняется таким образом функция логического сложения по ИЛИ прямоугольного напряжения пачки и непрерывной последовательности при условии, что установившееся напряжение операционного усилителя 9 после окончания пачки характеризуется логической единицей, а начальное напряжение компаратора 8 - логическим нулем. Напряжение обмотки 24, являясь управляющим для источника 1 питания, продолжает стимулировать его работу. Например, если он является стабилизированным преобразователем, то от обмотки 24 может приводиться в действие его преобразователь (усилитель мощности). Следовательно, источник 1 питания вводится в работу сна чала принудительно на этапе формирования пачки прямоугольных импульсов операционным усилителем 9, а затем поддерживается в рабочем состоянии путем непрерывного измерения его выходного напряжения по принципу граничных допусков.

Если напряжение источника 1 после его деления делителем 10 станет меньшим минимального уровня опорного напряжения в отрицательном полупериоде модуляции или большим его максимального уровня в положительном полупериоде, компаратор 8 прекратит формировать непрерывную последовательность прямоугольных импульсов, из-за чего исчезают прямоугольное напряжение на обмотках трансформатора 21 и опорное напряжение, в том числе в виде модулированного, на втором входе компаратора 8, а также управляющее напряжение для контролируемого источника 1. Независимо от того, в какую сторону отклонится контролируемое напряжение, произойдет самовыключение системы. Поскольку прекратит работу источник опорного напряжения, то в этом состоянии она будет находиться при прохождении им номинального значения по ходу спада напряжения источника 1 питания (эпюра 41) после момента 43 времени, если срабатывание защиты было вызвано сверхдопустимым его повышением.

Следующий цикл работы возможен только после того, как будет разряжен конденсатор 33 RC-цепи 31, например, шунтированием его разрядным резистором с помощью механического или электронного коммутатора. То же может быть достигнуто обесточиванием устройства путем выключения источника 34 служебного питания.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Устройство для защиты источника постоянного напряжения, включающего преобразователя напряжения, содержащее вспомогательный источник питания, к выходу которого подключены цепи питания операционного усилителя и усилителя мощности, снабженного выходным трансформатором с первичной и первой вторичной обмотками, первый резистивный делитель напряжения, предназначенный для подключения к выходу защищаемого ис точника, источник напряжения возбуждения, выход которого связан с базой первого транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор через первый резистор подключен к первому входу операционного усилителя,соединенному с первым выводом второго резистора, источник опорного напряжения, включающий в себя первый стабилизатор, стабилитрон, анодом соединенный с общей шиной, и токоограничительный элемент, второй резистивный делитель напряжения, третий и четвертый резисторы, отличающееся тем. что. с целью повышения надежности, введены компаратор, диод, конденсатор, второй стабилитрон, второй, третий и четвертый транзисторы, пятый, шестой и седьмой резисторы и выпрямитель с фильтром, выходной трансформатор снабжен второй вторичной обмоткой, подключенной к входу выпрямителя с фильтром, к выходу которого через токоограничительный элемент подключены диод, первый и второй стабилитроны, второй вход операционного усилителя через конденсатор подключен к катоду первого и аноду второго стабилитронов, через третий резистор соединен с положительным полюсом вспомогательного источника питания, подключенным к второму выводу второго резистора, выход операционного усилителя через четвертый резистор соединен с входом усилителя мощности и коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, а база через пятый и шестой резисторы подключена соответственно к общей шине и выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, а второй вход - с выходом второго резистивного делителя напряжения, вход которого включен между анодом диода и коллектором третьего транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, база - с коллектором первого транзистора, а коллектор через седьмой резистор подключен к базе четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с катодами диода и второго стабилитрона, а коллектор подключен к первому входу операционного усилителя, при этом первая вторичная обмотка выходного трансформатора предназначена для подключения к входу возбуждения защищаемого источника.

   Редактор Л.Гратилло Составитель В.Широков Техред М.Моргентал Корректор М.Пожо

   Заказ 2658 Тираж Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

   Производственно-издательский комбинат Патент’, г. Ужгород, ул.Гагарина. 101