Пристрій для захисту навантаження від перенапруг

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты от перенапряжений с автоматическим возвратом и преимущественно может быть использовано для защиты от перенапряжения в высоковольтных цепях, в частности, в силовы х и вспомогательных цепях электроподвижного состава. Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для защиты нагр узки от перенапряжений, содержащее первый резистивный делитель напряжения, первый стабилитрон и комплементарно включенную пару транзисторов прямого и обратного типа проводимости, при этом коллектор транзистора прямой проводимости соединен с базой транзистора обратной проводимости и через первый резистор соединен с отрицательной шиной источника питания, с которой соединен также первый вывод первого делителя напряжения и эмиттер транзистора обратной проводимости, коллектор которого соединен с первым выводом исполнительного элемента, второй вывод которого соединен с положительной шпион источника питания, с которой также соединен второй вывод первого делителя напряжения. При этом катод стабилитрона соединен с положительной шиной, а его анод-с эмиттером транзистора прямой проводимости, который через второй резистор соединен с отрицательной шиной. База транзистора прямой проводимости соединена со средней точкой первого делителя напряжения. Основным недостатком данного устройства защиты является низкое контролируемое напряжение из-за того, что это напряжение прикладывается к промежутку к-э первого транзистора и стабилитрону опорного напряжения и соответственно максимальное контролируемое напряжение будет равно или меньше суммы максимально допустимого напряжения к-э первого транзистора и опорного напряжения на стабилитроне. Другим недостатком данного устройства является возможный перегрев транзистора и неустойчивое ("дребезговое") срабатывание исполнительного элемента из-за работы транзисторов в линейной области характеристики вследствие отсутствия положительной обратной связи между каскадами на первом и втором транзисторах. В основу изобретения положена задача создания устройства для защиты нагрузки от перенапряжений преимущественно для использования в высоковольтных цепях, в частности, в силовы х и вспомогательных цепях электроподвижного состава, которое позволит использовать низковольтные транзисторы для работы в данном устройстве, а также снизить возможность перегрева транзисторов и обеспечить устойчивое срабатывание исполнительного элемента. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для защиты нагрузки от перенапряжений, содержащем первый резистивный делитель напряжения, первый стабилитрон и комплементарно включенную пару транзисторов прямого и обратного типа проводимости, при этом коллектор транзистора прямой проводимости соединен с базой транзистора обратной проводимости и через первый резистор соединен с отрицательной шиной источника питания, с которой соединен также первый вывод первого делителя напряжения и эмиттер транзистора обратной проводимости, коллектор которого соединен с первым выводом исполнительного элемента, второй вывод которого соединен с положительной шиной источника питания, с которой также соединен второй вывод первого делителя напряжения, содержит второй резистивный делитель напряжения, первый вывод которого соединен с базой транзистора прямой проводимости, а второй - с положительной шиной, при этом катод первого стабилитрона соединен со средней точкой второго делителя, а анод - с отрицательной шиной, причем средняя точка первого делителя напряжения соединена с эмиттером транзистора прямой проводимости. Кроме того, устройство содержит второй резистор, соединяющий коллектор транзистора обратной проводимости и базу транзистора прямой проводимости. А такжє содержит третий и четвертый резистор, и второй стабилитрон, при этом вторые выводы первого и второго делителей напряжения соединены' с положительной шиной через третий резистор, а второй вывод исполнительного элемента соединен с положительной шиной через четвертый резистор и также соединен с катодом второго стабилитрона, анод которого соединен с отрицательной шиной. Исполнительный элемент представляет собой электромеханическое реле или тиристорную схему и/или последовательно соединенные светодиод и резистор. Тиристорная схема содержит последовательно соединенные тиристор и пятый резистор, а также шестой резистор, при этом первые выводы второго и шестого резисторов соединены с вторым выводом исполнительного элемента, а с первым выводом исполнительного элемента соединен катод тиристора, управляющий электрод которого соединен с вторым выводом шестого резистора. А один із резисторов первого делителя напряжения выполнен переменным. Включение в устройство второго резистивного делителя напряжения с первым стабилитроном, подключенные в цепь базы транзистора прямой проводимости и подключение его эмиттера к первому делителю обеспечивает работу устройства при высоковольтном контролируемом напряжении источника питания с использованием недорогих низковольтных транзисторов, т.к. при такой схеме устройства максимально допустимое напряжение к-э транзистора прямой проводимости будет равным или большее опорного напряжения на первом стабилитроне, который обеспечивает стабильное напряжение на базе первого транзистора. Включение в устройство второго резистора (резистора положительной обратной связи) между коллектором транзистора обратной проводимости и базой транзистора прямой проводимости позволяет обоим транзисторам лавинообразно перейти из закрытого состояния в открытое и наоборот, минуя линейную область работы транзисторов. А это снижает перегрев транзисторов, обеспечивает "бездребезговое" срабатывание исполнительного элемента. Изменяя величину этого резистора можно обеспечить изменение коэффициента возврата устройства (отношение напряжения, при котором устройство отключается к напряжению, при котором устройство включается). Включение в устройство третьего и четвертого резисторов обеспечивает гашение высоковольтного контролируемого напряжения до величины, необходимой для нормальной работы низковольтных транзисторов. При этом раздельное гашение этого напряжения для первого каскада на транзисторе прямой проводимости и для второго каскада на транзисторе обратной проводимости обеспечивает развязку между ними, т.к. для нормальной работы первого каскада требуется изменение его питания вместе с изменением контролируемого напряжения, а для нормальной работы второго каскада с исполнительным элементом требуется стабилизированное напряжение питания, что обеспечивается вторым стабилитроном. Выполнение исполнительного элемента в виде электромеханического реле обеспечивает его автоматическое как включение, так и отключение без снятия напряжения питания. Шунтирующий же обмотку реле диод ограничивает броски напряжения на коллекторе транзистора обратной проводимости. Выполнение же исполнительного элемента в виде тиристорной схемы с включением управляющего электрода тиристорі через шестой резистор с положительной шиной контролируемого напряжения счетчика питания обеспечивает использование более мощного тиристора и более мощного транзистора обратной проводимости для коммутации мощной нагрузки с меньшей инерционностью срабатывания, чем реле. В другом варианте, при малой мощности управления, может использоваться тиристорная схема с включением анода-катода тиристора между положительной и отрицательной шинами источника питания, а его управляющего электрода - к эмиттеру транзистора обратной проводимости. Выполнение исполнительного элемента в виде последовательно соединенного светодиода и резистора обеспечивает индикацию срабатывания устройства и может использоваться как самостоятельно, так и в дополнение к исполнительному элементу в виде электромеханического реле или тиристорной схемы. Выполнение одного из резисторов первого делителя напряжения переменным обеспечивает изменение порога срабатывания устройства. Совокупность существенных признаков позволяет повысить контролируемое напряжение с обеспечением его преимущественного использования в высоковольтных цепях, в частности, в силовых и вспомогательных цепях электроподвижного состава, с использованием в устройстве низковольтных транзисторов, а также снизить возможность перегрева транзисторов и обеспечить устойчивое срабатывание исполнительного элемента. Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлен предпочтительный вариант электрической схемы устройства для защиты нагр узки от перенапряжений. Схема предпочтительного варианта устройства для защиты нагрузки от перенапряжений содержит первый резистивный делитель 1, состоящий из резистора 2 и переменного резистора 3, второй резистизный делитель 4, состоящий из резистора 5 и G, комплементарную пару 7, состоящую из транзистора 8 прямой проводимости типа р-n-р и транзистора 9 обратной проводимости типа n-р-n, первый резистор 10, второй резистор 11, третий резистор 12, четвертый резистор 13. При этом первые выводы резисторов 12 и 13 соединены с положительной шиной 14 контролируемого источника питания (не показан). К второму выводу резистора 12 подсоединены первый делитель 1 резистором 2 и второй делитель 4 резистором 5. К среднему выводу второго делителя 4 подсоединен катод стабилитрона 15, анод которого соединен с отрицательной шиной 16, резистор 6 делителя 4 соединен с базой транзистора 8, эмиттер которого соединен со средней точкой первого делителя 1, резистор 3 которого соединен с отрицательной шиной 16, коллектор транзистора 8 соединен с базой транзистора 9 и через первый резистор 10 соединен с отрицательной шиной 16. с которой соединен и эмиттер транзистора 9 Коллектор транзистора 9 соединен с первым выводом исполнительного элемента, выполненного, в частности, в виде электромеханического реле 17, обмотка которого зашунтирована диодом 18, катод которого вместе с вторым выводом исполнительного элемента (обмотки реле 17) подсоединен к второму выводу резистора 13 и к катоду второго стабилитрона 19, анод которого соединен с отрицательной шиной 16. Анод диода 18 вместе с первым выводом обмотки реле 17 соединен с коллектором транзистора 9 и через второй резистор 11 положительной обратной связи соединен с базой транзистора 8. В другом варианте исполнительный элемент может быть выполнен в виде тиристора или в виде светодиода с резистором. Устройство для защиты нагрузки от перенапряжения работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение контролируемого источника питания постоянного тока (преимущественно высоковольтного порядка 3600 В) подается на положительную шину 14 и отрицательную шину 16. При этом высокое постоянное напряжение гасится резисторами 12 и 13 до уровня, обеспечивающего нормальный режим транзисторов 8 и 9, причем схема на транзисторе 8 запитывается нестабилизированным напряжением, а напряжение питания схемы ні, транзисторе 9 стабилизируется стабилитроном 19. Дальнейшая работа устройства основана на сравнении напряжения, снимаемого с первого резистивного делителя 1 со стабилизированным стабилитроном 15 опорным напряжением на базе транзистора 8. Если уровень контролируемого напряжения ниже порога срабатывания устройства, то транзисторы 8 и 9 комплементарной пары 7 будут закрыты и исполнительный элемент (реле 17) не· срабатывает. При превышении напряжения контролируемого источника питания и соответственно превышении напряжения, снятого с первого делителя 1 на эмиттер транзистора 8, над опорным напряжением на его базе, транзистор 8 приоткрывается и своим коллекторным током приоткрывает транзистор 9 комплементарной пары 7, Потенциал на коллекторе транзистора 9 падает и коллекторный ток его, проходящий через исполнительный элемент (реле 17) увеличивается и одновременно увеличивается и падение напряжения на резисторе 11 положительной обратной связи, которое прикладывается к базе транзистора 8 и смещает опорное напряжение па ней в сторону уменьшения. При этом напряжение с первого делителя 1 становится еще большим по отношению к опорному на базе транзистора 8, что вызывает лавинообразный процесс открывания транзистора 8. Транзистор 8 и соответственно транзистор 9 очень быстро переходят из закрытого состояния в открытое, минуя линейную область работы транзистора 9 (когда на нем изменяется и напряжение и ток), что могло бы привести к перегреву транзистора 9 особенно при плавном нарастании контролируемого напряжения питания и коммутации им большой нагрузки и вызвать неустойчивое срабатывание ("дребезг") исполнительного элемента 17. При снижении контролируемого напряжения ниже порога срабатывания транзисторы 8 и 9 закрываются и исполнительный элемент (реле 17) отключается. Изменяя величину резистора 3 делителя 1 можно изменять порог срабатывания устройства.