Джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення

Реферат: UA 78747 U UA 78747 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до галузі електротехніки і може бути використана при проектуванні джерел вторинного електроживлення, які одночасно забезпечують захист споживача від перенапруг та резервування живлення споживача. В одному з відомих джерел електроживлення (див. авт. св. СРСР № 1357935, кл. G05F 1/569, 1985р.) для захисту споживача від перенапруг та одночасного резервування живлення споживача застосований захисний елемент, що виконаний по схемі стабілізатора постійної напруги паралельного типу, який ввімкнений поміж вихідними виводами. Суттєвими недоліками даного стабілізатора постійної напруги є значна потужність втрат захисного стабілізатора в аварійних режимах та дещо підвищена вихідна напруга в режимі резервування живлення споживача. В другому відомому джерелі електроживлення (див. В. М. Лейко и С. И. Мигас. Резервированный стабилизатор для защиты нагрузки от перенапряжения. - В сборн. Электронная техника в автоматике. / Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Сов. Радио, 1981. - вып. 12. С.135, рис. 2) для захисту споживача від перенапруг та резервування його живлення застосовані основний та захисний стабілізатори, один з яких (захисний) виконує функцію захисту споживача від перенапруг та резервування його живлення у разі виходу з ладу основного стабілізатора. Недоліками другого відомого джерела електроживлення є складність схемного рішення, підвищений рівень вихідної напруги в режимі резервування живлення споживача, а також підвищений рівень потужності втрат основного та захисного стабілізаторів. Із відомих джерел живлення більш близьким за технічною суттю вибрано за прототип (див. Дремов С.Т., Попко С.М. Быстродействующие схемы защиты потребителей ИВЭП от перенапряжений // сб. Высокоэффективные источники вторичного электропитания РЭА. МДНТП им. Дзержинского, 1986 г. - С. 78-81), є джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, що містить в собі два послідовно ввімкнутих основного та захисного стабілізатори, причому основний стабілізатор виконує функцію живлення підсилювача потужності і складається з регулюючого елемента, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, а також вузла керування з вхідним виводом, з'єднаним зі входом основного стабілізатора, з вихідним виводом, що сполучений з базою керуючого транзистора, з загальним виводом, сполученим з загальною шиною та вимірюючим виводом, підключеним до виходу основного стабілізатора, а захисний стабілізатор виконує функцію захисту підсилювача потужності від перенапруг та його резервування живлення і містить регулюючий елемент, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, і вузол керування, що складається з струмозадавального транзистора, колектор якого з'єднаний з базою керуючого транзистора захисного стабілізатора і через захисний стабілітрон сполучений з загальною шиною, його емітер через перший резистор приєднаний до вхідного виводу та одного з виводів опорного елемента, протилежний вивід якого безпосередньо з'єднаний з базою струмозадавального транзистора, а з загальною шиною з'єднаний через послідовно сполучені другий резистор та перехід колектор-емітер фототранзистора оптоелектронного елемента, світлодіод якого через третій резистор приєднаний до виводу дистанційного ввімкнення. Недоліками відомого джерела живлення, що суттєво обмежують його застосування, є складність при проектуванні, підвищений рівень потужності втрат силових транзисторів основного та захисного стабілізаторів, а також понижений ККД. Складність при проектуванні пояснюється тим, що для отримання вихідної напруги як в нормальному режимі роботи, так і в режимах захисту та резервування живлення потрібен складний вибір величини напруги живлення та елементів, які визначають необхідні величини вихідної напруги, напруги захисту та напруги резервування живлення. Причиною підвищеного рівня потужності втрат силових транзисторів основного та захисного стабілізаторів, а також пониженого ККД джерела живлення, особливо при значній потужності споживача, є значне падіння напруги на силових транзисторах основного та захисного стабілізаторів. Падіння напруги на силовому транзисторі основного стабілізатора та силовому транзисторі захисного стабілізатора складається з суми напруг три-чотириемітерних переходів силових, узгоджуючого та керуючого транзисторів та напруги колекторного переходу узгоджуючого транзистора, яка для кожного силового транзистора складає (4-5)В. Тобто сумарне падіння напруги на двох силових транзисторах складає значну величину - (8-10) В, за рахунок чого потужність втрат, наприклад, при вихідній напрузі12В та струму навантаження 10А досягає значної величини - (80-100) Вт, і ККД при цьому з урахуванням зміни вхідної напруги живлення у відповідних межах не може перевищувати величину (30-40) %. В основу корисної моделі поставлена задача створення джерела живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, в якому за рахунок спрощеного процесу отримання вихідної напруги як в нормальному режимі роботи, так і в режимах захисту та резервування живлення суттєво спростований процес проектування, а за 1 UA 78747 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рахунок пониження падіння напруги на силових транзисторах основного та захисного стабілізаторів транзисторів основного та захисного стабілізаторів до надто мінімальної величини понижений рівень потужності втрат силових транзисторів основного та захисного стабілізаторів, а також підвищений ККД. Поставлена задача вирішується тим, що в джерелі живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, що містить в собі два послідовно ввімкнутих основного та захисного стабілізаторів, причому основний стабілізатор виконує функцію живлення підсилювача потужності і складається з регулюючого елемента, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, а також вузла керування з вхідним виводом, з'єднаним зі входом основного стабілізатора, з вихідним виводом, що сполучений з базою керуючого транзистора, з загальним виводом, сполученим з загальною шиною та вимірюючим виводом, підключеним до виходу основного стабілізатора, а захисний стабілізатор виконує функцію захисту підсилювача потужності від перенапруг та його резервування живлення і містить регулюючий елемент, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, і вузол керування, що складається з струмозадавального транзистора, колектор якого з'єднаний з базою керуючого транзистора захисного стабілізатор і через захисний стабілітрон сполучений з загальною шиною, його емітер через перший резистор приєднаний до вхідного виводу та одного з виводів опорного елемента, протилежний вивід якого безпосередньо з'єднаний з базою струмозадавального транзистора, а з загальною шиною з'єднаний через послідовно сполучені другий резистор та перехід колектор-емітер фототранзистора оптоелектронного елемента, світлодіод якого через третій резистор приєднаний до виводу дистанційного ввімкнення, колектор узгоджуючого транзистора та емітер керуючого транзистора основного стабілізатора через перший напівпровідниковий елемент з'єднаний з виходом джерела живлення, а через перший обмежуючий резистор сполучений з загальною шиною, колектор узгоджуючого транзистора та емітер керуючого транзистора захисного стабілізатора через другий напівпровідниковий елемент з'єднаний з емітером силового транзистора основного стабілізатора та з колектором силового транзистора захисного стабілізатора, а через другий обмежуючий резистор сполучений з загальною шиною. Введення перших та других напівпровідникових елементів та обмежуючих резисторів і відповідне підключення колекторів узгоджуючих транзисторів та емітерів керуючих транзисторів основного та захисного стабілізаторів спростовує процес проектування джерела живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, а також одночасно знижує рівень потужності втрат силових транзисторів основного та захисного стабілізаторів і підвищує загальний ККД. Проведений аналіз науково-технічної та патентної літератури не виявив аналогічних технічних рішень. На кресленні показана запропонована електрична схема джерела живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення. Запропоноване джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення містить в собі вивід 1 для підключення вхідної напруги, вивід 2 для підключення підсилювача потужності, загальну шину 3 два послідовно ввімкнутих основного та захисного стабілізатори, причому основний стабілізатор виконує функцію живлення підсилювача потужності і складається з регулюючого елемента 4, що включає силовий 5, узгоджуючий 6 та керуючий 7 транзистори, подільник напруги, виконаний на першому обмежуючому резисторі 8 та першому напівпровідниковому елементі 9, а також вузла керування 10 з вхідним 11, вихідним 12, загальним 13 та виміруючим 14 виводами, а захисний стабілізатор виконує функцію захисту підсилювача потужності від перенапруг та його резервування живлення і складається з регулюючого елемента 15, що включає силовий 16, узгоджуючий 17 та керуючий 18 транзистори, другому обмежуючому резисторі 19 та другому напівпровідниковому елементі 20 і вузла керування 21, який включає струмозадавальний транзистор 22, опорний елемент 23, перший резистор 24, другий резистор 25, стабілітрон напруги захисту 26 та елемент ввімкнення, що складається з виводу дистанційного ввімкнення 27, третього резистора 28 та оптоелектронного елемента 29, який включає світлодіод30, і фототранзистор 31. Колектор керуючого транзистора 7 регулюючого елементу 4 основного стабілізатора через переходи база-емітер узгоджуючого 6 та силового 5 транзисторів, сполучений з вхідним виводом 11 вузла керування 10, одним із виводів другого напівпровідникового елемента 20 та з колектором силового транзистора 16 регулюючого елемента 15 захисного стабілізатора, емітер керуючого транзистора 7 безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора 6, через перший напівпровідниковий елемент 9 сполучений з колектором силового транзистора 5, вимірюючим виводом 14 вузла керування 10 та виводом 2 для підключення підсилювача 2 UA 78747 U 5 10 15 20 25 30 35 потужності, а через перший обмежуючий резистор 8 сполучений з загальною шиною 3 та загальним виводам 13 вузла керування 10, а база керуючого транзистора 7 з'єднана з вихідним виводам 12 вузла керування 10. Колектор керуючий транзистори 18 регулюючого елемента 15 захисного стабілізатора через переходи база-емітер узгоджуючого 17 та силового 16 транзисторів сполучений з виводом 1 для підключення вхідної напруги, емітер керуючого транзистора 18 безпосередньо з'єднаний з колектором узгоджуючого транзистора 17, через другий напівпровідниковий елемент 20 сполучений з колектором силового транзистора 16, а через другий обмежуючий резистор 19 сполучений з загальною шиною 3, база керуючого транзистора 18 через стабілітрон напруги захисту 26 з'єднана з загальною шиною 3, а через послідовно сполучені перехід колектор-емітер струмозадаючого транзистора 22 і перший резистор 24 з'єднана з виводом 1 для підключення вхідної напруги та одним із виводів опорного елемента 23. Протилежний вивід опорного елемента 23 безпосередньо з'єднаний з базою струмозадавального транзистора 22, а через послідовно сполучені другий резистор 25 та перехід колектор-емітер фототранзистора 31 оптоелектронного елемента 28 з'єднаний з загальною шиною 3. Світлодіод 29 оптоелектронного елемента 28 через третій резистор 30 ввімкнений поміж виводом 27 дистанційного ввімкнення та загальною шиною 3. Запропоноване джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення працює наступним чином. При подачі на вивід 1 вхідної напруги напруга на виходах захисного і основного стабілізаторів, а також напруга на вході підсилювача потужності відсутні. Ввімкнення підсилювача потужності здійснюється за допомогою зовнішнього сигналу. При подачі на вивід 27 зовнішнього сигналу ввімкнення відкривається світлодіод 29 оптоелектронного елемента 28 відкривається, відповідно, фототранзистор 31, і по його колу протікає струм, який за допомогою опорного елемента 23 забезпечує відкриття струмозадавального транзистора 22. В результаті відкривається регулюючий елемент 15 захисного стабілізатора, з'являється напруга на стабілітроні 26 і з'являється напруга, відповідно, на виходах захисного та основного стабілізаторів. Вмикається підсилювач потужності та починає виконувати свою основну функцію в складі відповідного пристрою, наприклад в складі радіолокаційної станції. При цьому необхідна величина вхідної напруги підсилювача потужності визначається вихідною напругою основного стабілізатора та підтримується на відповідному стабільному рівні за допомогою вузла керування 10 основного стабілізатора. Величина вхідної напруги основного стабілізатора одночасно є вихідною напругою захисного стабілізатора, яка визначається величинами напруги другого напівпровідникового елемента 20, напруги переходу емітер-база керуючого транзистора 18 регулюючого елемента 15 захисного стабілізатора та напруги стабілітрона захисту 26. Вихідна напруга захисного стабілізатора для різних підсилювачів потужності може мати різну величину відповідно з технічними умовами на їх експлуатацію і визначається наступною формулою: Uзах  U20  Uеб18  U26 , де: Uзах - величина напруги захисту підсилювачів потужності; 40 U20 - величина напруги другого напівпровідникового елемента 20; Uеб18 - величина напруги переходу емітер-база керуючого транзистора 18; регулюючого елемента 15; U26 - величина напруги стабілітрона захисту 26. 45 50 Суть запропонованої корисної моделі полягає в наступному. Введення подільника напруги, виконаного на першому обмежуючому резисторі 8 та першому напівпровідниковому елементі 9 та підключення емітера керуючого транзистора 7, а також колектора узгоджуючого транзистора 6 до точки їх з'єднання суттєво зменшують мінімальне падіння напруги на силовому транзисторі 5 регулюючого елемента 4, тобто суттєво зменшують мінімальне падіння напруги на самому основному стабілізаторі. Пояснюється це наступним виразом: Uек5  Uеб5  Uеб6  Uкб7  Uбе7  U9 , де: Uек 5 - величина напруги переходу емітер-колектор на силовому транзисторі 5 регулюючого елемента 4 (величина напруги на основному стабілізаторі); Uеб5 - величина напруги на переході емітер-база на силового транзистора 5; 55 Uеб6 -величина напруги на переході емітер-база узгоджуючого транзистора 6; Uкб7 - величина напруги на переході колектор-база керуючого транзистора 7; Uбе7 - величина напруги на переході база-колектор керуючого транзистора 7; 3 UA 78747 U 5 10 U9 - величина напруги на першому напівпровідниковому елементі 9. При умові: U9  Uеб5  Uеб6  Uкб7 - падіння напруги на силовому транзисторі 5 досягає самої мінімальної величини. Введення подільника напруги, виконаного на другому обмежуючому резисторі 19 та другому напівпровідниковому елементі 20 та підключення емітера керуючого транзистора 18, а також колектора узгоджуючого транзистора 17 до точки їх з'єднання суттєво зменшують мінімальне падіння напруги на силовому транзисторі 16 регулюючого елемента 15, тобто суттєво зменшують мінімальне падіння напруги на захисному стабілізаторі. Пояснюється це наступним виразом: Uек16  Uеб16  Uеб17  Uкб18  Uбе18  U20 , де: Uек16 - величина напруги на переході емітер-колектор на силовому транзисторі 16 регулюючого елемента 15 (величина напруги на захисному стабілізаторі); Uеб16 - величина напруги на переході емітер- база на силовому транзисторі 16; 15 Uеб17 - величина напруги на переході емітер-база узгоджуючого транзистора 17; Uкб18 - величина напруги на переході колектор-база керуючого транзистора 18; Uбе18 - величина напруги на переході база-колектор керуючого транзистора 18; U20 - величина напруги на другому напівпровідниковому елементі 20; 20 25 30 35 При умові: U20  Uеб16  Uеб17  Uбе18 - падіння напруги на силовому транзисторі 16 захисного стабілізатора досягає самої мінімальної величини. Слід відзначити, що другий напівпровідниковий елемент 20 одночасно виконує дві функції: з стабілітроном захисту 26 визначає вихідну напругу захисного стабілізатора, тобто величину напруги захисту підсилювача потужності на випадок виходу з ладу основного стабілізатора і одночасно забезпечує зниження падіння напруги на захисному стабілізаторі, що забезпечує суттєве зниження напруги втрат та підвищення ККД джерела живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення. Таким чином отримано джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, в якому за рахунок спрощеного процесу формування вихідної напруги як в нормальному режимі роботи, так і в режимах захисту та резервування живлення суттєво спростований процес проектування, а за рахунок пониження падіння напруги на силових транзисторах основного та захисного стабілізаторів транзисторів основного та захисного стабілізаторів до надто мінімальної величини понижений рівень потужності втрат силових транзисторів основного та захисного стабілізаторів, а також підвищений ККД. Проведені експериментальні дослідження підтвердили роботоздатність та позитивні якості запропонованого джерело живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення. В порівнянні з відомим джерелом живлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення на 50 % спрощений процес проектування, на 30 % підвищений ККД. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 Джерело електроживлення підсилювача потужності з захистом від перенапруг та резервуванням живлення, що містить в собі два послідовно ввімкнутих стабілізатори - основний та захисний, причому основний стабілізатор виконує функцію живлення підсилювача потужності і складається з регулюючого елемента, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, а також вузла керування з вхідним виводом, з'єднаним зі входом основного стабілізатора, з вихідним виводом, що сполучений з базою керуючого транзистора, з загальним виводом, сполученим з загальною шиною та вимірюючим виводом, підключеним до виходу основного стабілізатора, а захисний стабілізатор виконує функцію захисту підсилювача потужності від перенапруг та його резервування живлення і містить регулюючий елемент, що включає силовий, узгоджуючий та керуючий транзистори, і вузол керування, що складається з струмозадавального транзистора, колектор якого з'єднаний з базою керуючого транзистора захисного стабілізатора і через захисний стабілітрон сполучений з загальною шиною, його емітер через перший резистор приєднаний до вхідного виводу та одного з виводів опорного елемента, протилежний вивід якого безпосередньо з'єднаний з базою струмозадавального транзистора, а з загальною шиною з'єднаний через послідовно сполучені другий резистор та перехід колектор-емітер фототранзистора оптоелектронного елемента, світлодіод якого через 4 UA 78747 U 5 третій резистор приєднаний до виводу дистанційного ввімкнення, який відрізняється тим, що колектор узгоджуючого транзистора та емітер керуючого транзистора основного стабілізатора через перший напівпровідниковий елемент з'єднаний з виходом джерела живлення, а через перший обмежуючий резистор сполучений з загальною шиною, колектор узгоджуючого транзистора та емітер керуючого транзистора захисного стабілізатора через другий напівпровідниковий елемент з'єднаний з емітером силового транзистора основного стабілізатора та з колектором силового транзистора захисного стабілізатора, а через другий обмежуючий резистор сполучений з загальною шиною. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5