Блок живлення із захистом від перенапруги

Реферат: Винахід належить до електротехніки, зокрема - до блоків живлення, що забезпечують захист навантаження від підвищення напруги на вході за рахунок наявності в них обмежувача напруги у вигляді аналогового компаратора і силового транзистора в мінусовому ланцюгу. Блок живлення із захистом від перенапруги за рахунок введення розв'язувального діода, встановленого в прямому включенні в розрив плюсового ланцюга, що з'єднує відповідні виводи двонапівперіодного випрямляча і ємнісного фільтра, а також введення ланцюгів забезпечення гістерезису для зменшення тривалості перехідних процесів при перемиканні прохідного транзистора забезпечує підвищення надійності при стрибкоподібній зміні вхідної напруги. UA 112680 C2 (12) UA 112680 C2 UA 112680 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки, зокрема - до блоків живлення мікропроцесорних пристроїв релейного захисту та автоматики, і може знайти застосування при проектуванні та реалізації блоків живлення для зазначених пристроїв. Раптове збільшення амплітуди напруги живильної мережі може призвести до виходу з ладу складної електронної техніки, наприклад мікропроцесорного реле захисту і автоматики, що може спричинити або відключення систем захистів електричних розподільних пристроїв, або помилкове відключення споживачів від електропостачання. Для підвищення стійкості блоків живлення мікропроцесорних пристроїв до складу їх блоків живлення вводять ланцюги, які забезпечують збереження працездатності блока живлення при перенапрузі. Відомо пристрій (Устройство защиты от перенапряжения (Пристрій захисту від перенапруги) / URL: http://prostoshema.ucoz.com/k_shemam/Ustr_ot_Perenap/1-png) [1]. яке містить вхідний резистивний дільник, аналоговий компаратор на транзисторі і стабілітроні, транзисторний ключ і електромагнітне реле, ланцюги забезпечення гістерезису. При збільшенні вхідної напруги його частина надходить на аналоговий компаратор і, якщо вхідна напруга перевищує поріг спрацьовування аналогового компаратора, то останній спрацьовує, діє на транзисторний ключ і той включає електромагнітне реле. Контактна група реле розмикається і відключає вихід пристрою від живильної електромережі, захищаючи навантаження даного пристрою від перенапруги. Одночасно задіюються ланцюги, що забезпечують гістерезис. При зниженні вхідної напруги нижче порогового рівня спрацьовування аналогового компаратора (з урахуванням гістерезису) аналоговий компаратор перестає впливати на транзисторний ключ, в результаті чого електромагнітне реле знеструмлюється, контактна група реле замикається і на вихід даного пристрою надходить вхідна напруга. Відомий пристрій [1] відрізняється простотою конструкції, проте контакти електромагнітного реле при перемиканні викликають дзенькіт, що в деяких випадках неприпустимо. Відомий пристрій (Пат. 2457596 Російська Федерація Н02 Н3/20. Пристрій захисту від перенапруги) [2], який так само має функцію обмеження напруги, містить ланцюг детектування напруги і блок вимикаючого реле, при цьому можуть мати місце кілька варіантів реалізації блока вимикаючого реле. Проте даному пристрою, як і відомому пристрою [1], притаманний той же недолік - комутація здійснюється за допомогою контактів електромагнітного реле. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого рішення є відомий блок живлення (High AC input voltage limiting circuit. Application note AN2625 // url: http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00171116.pdf) [3], який прийнятий як прототип. Блок живлення [3] містить двонапівперіодний випрямляч, навантажений на ємнісний фільтр, обмежувач напруги у вигляді аналогового компаратора і силового транзистора, включеного між мінусовими шинами випрямляча і ємнісного фільтра. Аналоговий компаратор складається з вхідного резистивного дільника у вигляді послідовно з'єднаних першого і другого резисторів, включеного на вихід двонапівперіодного випрямляча, першого стабілітрона (діода Зенера), катодом з'єднаного з виходом резистивного дільника, транзистора n-р-n типу провідності, база якого з'єднана з анодом першого стабілітрона, емітер - з мінусовою шиною двонапівперіодного випрямляча, а колектор з'єднаний з керуючим електродом силового транзистора і виходом параметричного стабілізатора на другому стабілітроні і струмообмежуючому резисторі. Працює відомий блок живлення [3] наступним чином. При подачі на вхід двонапівперіодного випрямляча напруги мережі з номінальною амплітудою на виході випрямляча з'являється однополярна пульсуюча напруга, амплітуда якої змінюється за синусоїдальним законом. Вихідна напруга двонапівперіодного випрямляча надходить на вхід ємнісного фільтра і на вхід аналогового компаратора. Напругу пробою першого стабілітрона вибрано такою, що вона вище амплітуди напруги на виході резистивного дільника аналогового компаратора, тому перший стабілітрон не пропускає струм в базу транзистора, транзистор закритий і на керуючий електрод силового транзистора надходить відмикаюча напруга з виходу параметричного стабілізатора на другому стабілітроні. В результаті мінусова шина двонапівперіодного випрямляча через відкритий силовий транзистор виявляється з'єднаною з мінусовою шиною ємнісного фільтра. Через ємнісний фільтр протікає струм заряду його конденсаторів і через деякий час на ємнісному фільтрі встановлюється вихідна напруга, досить близька до амплітудного значення вихідної напруги випрямляча. При збільшенні амплітуди напруги на вході двонапівперіодного випрямляча також підвищується напруга на резистивному дільнику аналогового компаратора. У деякий момент часу вихідна напруга резистивного дільника починає перевищувати напругу пробою першого стабілітрона, через нього починає протікати базовий струм транзистора, транзистор базовим струмом відкривається і шунтує своїми електродами колектор і емітер виходу параметричного стабілізатора напруги на другому стабілітроні. В результаті цього 1 UA 112680 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 напруга на керуючому електроді силового транзистора зменшується до рівня залишкової напруги на відкритому транзисторі, що призводить до замикання силового транзистора. Ланцюг протікання зарядного струму ємнісного фільтра переривається, зарядження конденсаторів фільтра припиняється, і напруга на ємнісному фільтрі не збільшується. Таким чином, за допомогою замикання силового транзистора відбувається обмеження напруги на ємнісному фільтрі при збільшенні амплітуди вхідної напруги на блоці живлення. При зменшенні амплітуди вхідної напруги двонапівперіодного випрямляча зменшується і напруга на виході резистивного дільника, і в деякий момент часу вона стає нижче напруги пробою першого стабілітрона, який перестає пропускати струм в базу транзистора. Останній закривається, параметричний стабілізатор напруги знову починає працювати, подаючи на керуючий електрод силового транзистора відмикаючу напругу. Замикається ланцюг заряду конденсаторів ємнісного фільтра, напруга на ємнісному фільтрі починає збільшуватися. Описаний процес повторюється як при збільшенні амплітуди вхідної напруги, так і при її зменшенні, відповідно. Таким чином, у відомому блоці живлення [3] здійснюється обмеження рівня напруги на ємнісному фільтрі при збільшенні амплітуди вхідної напруги за рахунок керованого процесу замикання/розмикання ланцюга заряду конденсаторів ємнісного фільтра. Відомий блок живлення [3] добре справляється з плавними зростаннями амплітуди вхідної напруги. Однак при короткочасному зникненні напруги живлення і подальшому її відновленні зі значенням амплітуди істотно більше номінального значення силовий транзистор виявляється відкритим за рахунок підживлення його керуючого електрода від конденсаторів ємнісного фільтра, внаслідок чого до конденсаторів ємнісного фільтра може бути прикладена напруга, амплітуда якої істотно перевищуватиме їх робочу напругу. Це призведе до появи несправності блока живлення через пробиття конденсаторів, пошкодження силового транзистора і до пошкодження апаратури, яка підключена до даного блока живлення. Крім того, перший стабілітрон за принципом своєї роботи не має гістерезису, тому процес управління силовим транзистором не має чіткої зміни рівня керуючої напруги, а супроводжується деяким дзенькітом, що так само може впливати на працездатність пристрою, підключеного до блока живлення. Задачею пропонованого винаходу є підвищення надійності. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій додатково містить розділовий діод, при цьому плюсовий вивід двонапівперіодного випрямляча з'єднаний зі входом ємнісного фільтра через прямо включений розділовий діод, і може додатково містити ланцюг формування гістерезису, який складається з третього резистора, включеного в резистивний дільник між нижнім виводом другого резистора і негативним полюсом випрямляча, і другого транзистора nр-n типу, база якого через струмообмежуючий резистор з'єднана з електродом силового транзистора, емітер з'єднаний з негативним полюсом випрямляча, а колектор - із загальною точкою з'єднання другого і третього резисторів вхідного резистивного дільника. На кресленні представлена функціональна схема запропонованого блоку живлення. Пропонований пристрій містить (див. креслення) двонапівперіодний випрямляч 1; ємнісний фільтр 2; розділовий діод 3, включений в прямому напрямку між плюсовим виводом випрямляча і плюсовим виводом ємнісного фільтра 2; обмежувач напруги у вигляді аналогового компаратора, в який входять резистивний дільник на першому та другому резисторах 4 і 5 відповідно, стабілітрон 6, який катодом з'єднаний з виходом резистивного дільника, базові резистори 7 і 8, при цьому резистор 7 з'єднаний одним виводом з анодом стабілітрона 6, а другим - з базою n-р-n транзистора 9 і резистором 8, що забезпечує ключовий режим роботи транзистора 9; в обмежувач напруги входить також силовий транзистор 10 з відомим параметричним джерелом напруги зміщення на другому стабілітроні 11 і резисторі 12. Крім того, для забезпечення релейного характеру перемикання аналогового компаратора в пристрій може входити ланцюг формування гістерезису, що складається з третього резистора 13 в резистивному дільнику, включеного між нижнім виводом другого резистора і мінусовим виводом двонапівперіодного випрямляча 1, другого транзистора 14 n-р-n типу і струмообмежувального базового резистора 15, при цьому базовий резистор 15 з'єднаний з керуючим електродом силового транзистора 10, а колектор другого транзистора 14 - з верхнім по малюнку виводом третього резистора 13, емітер - з мінусовим виводом двонапівперіодного випрямляча 1. Двонапівперіодний випрямляч 1 може бути виконаний у вигляді монолітної діодної збірки, яка випускається серійно, наприклад - KBU10M фірми Crownpo Technology; як ємнісний фільтр можуть бути застосовані, наприклад, серійні електролітичні конденсатори типу TKR101M2GL35M фірми Jamicon; як розділовий діод 3 може бути застосований серійний силовий напівпровідниковий діод типу BYV26E фірми Vishay, анод якого з'єднаний з плюсовим виходом двонапівперіодного випрямляча, а катод - з плюсовим виводом електролітичного конденсатора ємнісного фільтра 2; як силовий транзистор 10 може бути застосований 2 UA 112680 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 високовольтний транзистор з низьким значенням прохідного опору, наприклад, STV11NM80 фірми STMicroelectronics. Як інші елементи пропонованого пристрою можуть використовуватися типові, елементи, що серійно випускаються і використовуються за прямим призначенням. Розглядати роботу пристрою будемо виходячи з наявності ланцюга формування гістерезису. Припустимо, що в початковому стані на вхід пропонованого пристрою, тобто на вхід двонапівперіодного випрямляча 1 (див. креслення) подано змінну напругу з номінальним амплітудним значенням 310В (що відповідає чинному значенню 220В). Випрямлена напруга з амплітудою 310В надходить на резистивний дільник з послідовно з'єднаних резисторів 4, 5 і 13. За рахунок вибору номіналів резисторів резистивного дільника напруга на його виході загальній точці резисторів 4 і 5, відносно мінусового виводу двонапівперіодного випрямляча 1, нижче напруги пробою першого стабілітрона 6. Транзистор 9, завдяки резистору 8, що з'єднує базу транзистора з мінусовим виводом двонапівперіодного випрямляча 1, надійно замкнений. При цьому напруга з двонапівперіодного випрямляча 1 надходить також і на параметричний стабілізатор напруги на другому стабілітроні 11 і напруга зміщення надходить на керуючий електрод силового транзистора 10, забезпечуючи його малий прохідний опір. В результаті цього крізь розділовий діод 3 на ємнісний фільтр 2 починає текти зарядний струм, в результаті чого конденсатор ємнісного фільтра заряджається. В той же час напруга зі стабілітрона 11 надходить також через струмообмежуючий резистор 15 на базу транзистора 14, який відкривається і шунтує резистор 13. При збільшенні амплітуди вхідної напруги на виході двонапівперіодного випрямляча 1 так само збільшується випрямлена напруга і в деякий момент часу вихідна напруга резистивного дільника на резисторах 4 і 5 перевищить напругу пробою стабілітрона 6. Це призведе до відкриття транзистора 9 і замикання керуючого електрода силового транзистора 10 з мінусовим виводом двонапівперіодного випрямляча 1 і, як наслідок - до запирання силового транзистора 10. Ланцюг заряду конденсатора ємнісного фільтра 2 перерветься, зарядження фільтра припиниться. Так само закриється транзистор 14, в результаті чого третій резистор 13 резистивного дільника буде дешунтований, опір нижнього плеча резистивного дільника збільшиться, що в свою чергу приведе до збільшення вихідної напруги дільника. Таким чином вводиться позитивний зворотний зв'язок і формується релейний характер перемикання аналогового компаратора. Силовий транзистор 10 закритий, напруга на ємнісному фільтрі 2 не збільшується, незважаючи на збільшення вхідної напруги. При зменшенні вхідної напруги в деякий момент часу вихідна напруга резистивного дільника на резисторах 4, 5 і 13 стане нижче напруги пробою стабілітрона 6, транзистор 9 закриється, на керуючому електроді силового транзистора 10 з'явиться напруга зміщення зі стабілітрона 11 і силовий транзистор 10 перейде у відкритий стан. Так само відкриється транзистор 14 і зашунтує резистор 13, що призведе до стрибкоподібного зменшення вихідної напруги резистивного дільника і забезпечить релейний характер відмикання силового транзистора 10. При зникненні вхідної напруги напруга на ємнісному фільтрі залишиться, однак за рахунок зворотного для напруги на ємнісному фільтрі включення розділового діода 3, ця напруга не надійде на резистивний дільник і параметричний стабілізатор напруги зміщення силового транзистора 10; силовий транзистор 10 перейде в закритий стан. Миттєва поява вхідної напруги з великою амплітудою не приведе до прикладення до ємкісного фільтра 2 аварійного значення амплітуди напруги через закритий силовий транзистора 10. Такий режим роботи запропонованого пристрою принципово відрізняється від роботи в тих же умовах відомого пристрою [3] і забезпечує збереження працездатності блока живлення при перебоях в електропостачанні. Таким чином, пропонований пристрій має істотну перевагу перед прототипом в частині надійності при різкій зміні амплітуди вхідної напруги, завдяки від'єднанню розділовим діодом керуючого ланцюга силового транзистора від відкриваючої напруги, наявної на ємнісному фільтрі під час зникнення вхідної напруги. Джерела інформації: 1. Устройство защиты от перенапряжения (Пристрій захисту від Перенапруги) // URL: http://prostoshema.ucoz.com/k_shemam/Ustr_ot_Perenap/1-.png 2. Пат. 2457596 Російська Федерація Н02 Н3/20. Устройство защиты от перенапряжения (Пристрій захисту від перенапруги) / ЖУ Чунхуі, Хуанг Джингджинг, ЛЛЮ Шуду - Опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21. 3. High AC input voltage limiting circuit. Application note AN2625 // URL: http: //www.st.com/stweb-Ui / static / active / en / resource / technical / document / application_note / CD00171116.pdf 60 3 UA 112680 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Блок живлення із захистом від перенапруги, що містить двонапівперіодний випрямляч, навантажений на ємнісний фільтр, обмежувач напруги у вигляді аналогового компаратора і силового транзистора, включеного між мінусовими шинами випрямляча і ємнісного фільтра, причому аналоговий компаратор складається з вхідного резистивного дільника у вигляді послідовно з'єднаних першого і другого резисторів, включеного на вихід двонапівперіодного випрямляча, першого стабілітрона (діода Зенера), катодом з'єднаного з виходом резистивного дільника, транзистора n-p-n типу провідності, база якого з'єднана з анодом першого стабілітрона, емітер - з мінусовою шиною двонапівперіодного випрямляча, а колектор з'єднаний з керуючим електродом силового транзистора і виходом параметричного стабілізатора на другому стабілітроні і струмообмежувальному резисторі, який відрізняється тим, що додатково містить розділовий діод, при цьому плюсовий вивід двонапівперіодного випрямляча з'єднаний з входом ємнісного фільтра через прямо включений розділовий діод. 2. Блок живлення за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить ланцюг формування гістерезису, що складається з третього резистора, включеного в резистивний дільник між нижнім виводом другого резистора і негативним полюсом випрямляча, і другого транзистора np-n типу, база якого через струмообмежуючий резистор з'єднана з керуючим електродом силового транзистора, емітер з'єднаний з негативним полюсом випрямляча, а колектор - з загальною точкою з'єднання другого і третього резисторів вхідного резистивного дільника. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4