Устройство для защиты потребителя от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к устройствам для защиты потребителя. Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности. Изобретение позволяет защитить потребитель 8, например преобразователь пбстоянного напряжения, от воздействия перенапряжений, имеющих длительность от единиц, долей микросекунд до нескольких секунд. Защита обеспечивается путем полного или частичного запирания последовательного защитного транзистора 1. Для того чтобы обеспечить режим открытого и /насыщенного состояния, в устройстве имеется импульсная схема, которая включает задающий генератор 12, переключающий транзистор 11, дроссель 10, конденсатор 7, диод 6, ограничивающий резистор 5, и независимо от величины первичного напряжения и тока, питающего потребитель 8, осуществляет с довольно высоким КПД преобразование напряжения в базовьй ток защитного транзистора 1. Это дает возможность эффективного использования силовых высоковольтных транзисторов, обладающих, как правило, существенно малыми коэффициентами усиления по току. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. (А :о :о Э5 :о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (51)4 Н 02 Н 3/20 7/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4016829/24-07 (22) 05.02.86 (46) 15.08,87. Бюл. 1(- 30 (71) Уральское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (72) Б.С.Сергеев, В.И.Головин и Ю.Г.Кутыев (53) 621.319.925 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 970553, кл. Н 02 Н 7/12, 1981, Моин В.С. и Лаптев Н.Н.Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972, с,436, рис.116 а. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТ61 ПОТРЕБИТЕЛЯ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты потребителя. Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности. Изобретение позволяет защитить потребитель 8, например преобразователь постоянного напряжения, от воздействия перенапряжений, имеющих длительность от единиц, долей микросекунд до нескольких секунд. Защита обеспечивается путем полного или частичного запирания последовательного защитного транзистора 1. Для того чтобы обеспечить режим открытого и

:насыщенного состояния, в устройстве имеется импульсная схема, которая включает задающий генератор 12, переключающнй транзистор 11, дроссель 10 конденсатор 7, диод 6, ограничивающий резистор 5, и независимо от величины первичного напряжения и тока, питающего потребитель 8, осуществляет с довольно высоким КПД преобразованне напряжения в базовый ток защитного транзистора 1. Это дает возможность эффективного использования силовых высоковольтных транзисторов, обладающих, как правило, существенно малыми коэффициентами усиления по току. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1 13

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты потребителя, например преобразователей постоянного напряжения, от различного вида перенапряжений, возникающих в первичной сети, и может быть использовано в системах электролита» ния различных автоматических или радиоэлектронных функциональных узлов.

Целью изобретения является уменьшение рассеиваемой мощности.

На фиг.1 и 2 представлены схемы устройства для защиты потребителя от перенапряжений с узлом запуска; на фиг,3 — схема устройства для защиты с раскрытым в конструктивном отношении согласующем блоком.

30690 циональное назначение, так и связи, аналогичные схеме по фиг.1.

Схема устройства защиты (фиг.3) содержит первый транзистор 18 и-р-и типа проводимости, базой подключенный к выходу компаратора 13, эмиттером — к источнику опорного напряжения U Ä, коллектором через коллекторный резистор 19 — к базе второго транзистора 20 р-и-р типа проводимости, эмиттер которого соединен с катодом выпрямительного диода 6, а коллектор через последовательно включенные базовый резистор 21 и защитный диод 22 — с базой регулирующего транзистора 4.

Устройство работает следующим образом.

Устройство защиты (фиг.1) содержит защитный транзистор 1, коллектор которого соединен с положительным полюсом сети +Е и с одним из контактов замыкающей пусковой кнопки 2, другой контакт которой через пусковой резистор 3 подключен к базе транзистора 1, коллектору регулирующего транзистора

4 и через ограничивающий резистор

5 — к катоду выпрямительного диода 6 и первому выводу конденсатора 7, вторым выводом соединенного с эмиттером транзистора 4, положительным полюсом

+ Е нагрузки 8, одному из выходов и делителя 9 напряжения и через дроссель 10 — к аноду диода 6 и коллектору переключающего транзистора 11.

База транзистора 11 подключена к выходу задающего генератора 12, а эмиттер — к минусовой питающей шине — Ес (- Е„) и другому входу делителя 9 напряжения, выход которого подключен к управляющему входу компаратора 13, на другой вход которого подключен источник опорного напряжения U „ . Выход компаратора 13 через согласующий блок i4 соединен с базой регулирую1цего транзи"тора 4.

Схема устройства зашиты (фиг.2) содержит дополнительно тиристор 15, анодом подключенный к коллектору защитного транзистора 1, катодом — к

его эмиттеру, а управляющим электродом — к коллектору шунтирующего транзистора 16 и через пусковой резистор

3 — к аноду тиристора. Эмиттер транзистора 16 соединен с катодом тиристора, а база через пороговый блок

17 — с катодом выпрямительного диода б. Остальные элементы имеют как функ?и

В первоначальном состоянии защитный транзистор 1 заперт. При подаче первичного напряжения сети Е он также остается запертым, так как напряжение F.„ отсутствует. При кратковременном нажатии пусковой кнопки 2

"Пуск" защитный транзистор 1 открывается. Появляется напряжение Е„ на нагрузке 8. Одновременно с этим при работающем задающем генераторе 12 начинается импульсная работа переключающего транзистора 11. При его открытом состоянии в дросселе 10 накапливается энергия от источника напряженыя Е„.

При закрытом состоянии транзистора

11 накопленная в дросселе 10 энергия тока отдается через выпрямительный диод 6 на заряд (или подзаряд в дальнейших установившихся процессах) конденсатора 7 и на создание открывающего базового тока защитного транзистора 1, ограничиваемого резистором 5.

Когда заряд, накопленный на конденсаторе 7, становится достаточным для обеспечения непрерывного открывающего базового тока транзистора 1, то состояние кнопки 2 уже не влияет на работоспособность схемы, так как защитный транзистор 1 остается открытым за счет наличия напряжения Е„ и импульсной работы переключающего транзистора 11. Таким образом, дальнейшая работа устройства защиты не зависит от того, в каком состоянии находится пусковая кнопка 2. Если перенапряжения на шинах +Е, и -Е отсутствуют, то защитный транзистор 1 остается открытым и насыщенным,, а регулирующий транзистор 4 — запертым эа счет того, что соотношение между вы3 13306 ходным напряжением делителя 9 и напряжением U,„îápàçóå T выходное напряжение компаратора 13 таким, что блок 14 не дает отпирающего сигнала на транзистор 4.

При возникновении перенапряжения и при открытом защитном транзисторе

1 напряжение Е„ повышается, при этом увеличивается и выходное напряжение делителя 9 и, когда оно сравняется с напряжением U«, выходное напряжение компаратора 13 через согласующий блок 14 приоткрывает регулирующий транзистор 4, чем уменьшается базовый ток защитного транзистора 1 и вызывается его призакрывание. Это приводит к тому, что напряжение F. не превышает величины заданной коэффициентом деления делителя 9 и напряжения U „. 1цунтиронание баэоэммиттерного перехода транзистора 1 регулирующим транзистором 4 приводит к уменьшению базового тока транзистора

1, но не вызывает его полного запи— рания до исчеэания напряжения Е„.

Поэтому несмотря на изменение базового тока транзистора 1 .напряжение на конденсаторе 7 изменяется несущественно и при последующем эапирании транзистора 4 напряжения на конденсаторе 7 вполне достаточно для требуемого насыщения защитного транзистора 1.

Таким образом, появление перенапряжения на входе F. вызывает призапис рание защитного транзистора 1, причем напряжение Е„не преньш ает заданного максимального значения.

В предлагаемой схеме выходное нап- 40 ряжение перенапряжения прикладывается лишь к защитному транзистору 1, а к остальным полупроводниковым приборам: переключающемуся транзистору 11, регулирующему транзистору 4, согласую- 4> щему блоку 14 и компаратору 13, прикладывается напряжение E„ защищенное от перенапряжений транзистором 1.

Следовательно в схеме можно применять лишь один высоковольтный транзистор защитный транзистор 1, остальные могут быть достаточно низковольтными.

В частности применение низковольтного, но высокочастотного транзистора в качестве переключающего 11 дает возможность уменьшить массу и габариты дросселя 1О и конденсатора 7.

Схема (фиг.2) работает следующим образом.

-,11ри появлении первичного питающего напряжения и достижении им определенного значения тиристор 15 открывается положительной обратной связью через пусковой резистор 3. Открывание тиристора 15 шунтирует защитный транзистор 1, чем обуславливается появление напряжения Е íà нагрузке 8. Это при п водит к началу импульсной работь| лев реключающего транзистора 11. Далее аналогично, как и н предыдещей схеме, появляется открывающий ток защитного транзистора 1, он открывается и вводится в режим насыщения.. Открывание транзистора 1 приводит к тому, что тиристор 15 запирается, так как его силовые электроды зашунтиронаны этим транзистором. Далее н стационарном режиме тиристор 15 заперт, а транзистор 1 открыт и насыщен и на нагрузке имеется напряжение Е„.

При возникновении перенапряжения на шинах Ес транзистор 1 (фиг.1) запирается. Это обуславливает увеличение падения напряжения на нем. Но тиристор 15 не открывается, так как его упранляющий вход зашунтиронан открытым шунтирующим транзистором 16, который открывается с появлением напряжения на конденсаторе 7. Следовательно, до тех пор пока имеется напряжение на конденсаторе 7, KQTdpoe контролирует наличие напряжения E„ тиристор 15 открыться не может. Этим обеспечивается включение тиристора

15 при появлении перенапряжения на входах F.. Повторное открывание тиристора 15 может произойти только после исчезновения напряжения на конденсаторе 7 или, что равносильно, напряжения Е„ на нагрузке 8. Одновременно с этим использование тиристора 15 обеспечивает нормальное включение устройства защиты без применения пусковой кнопки и только при отсутствии напряжения Е„. Пороговый блок 17, в качестве которого может быть использован низковольтный стабилитрон или прямовключенный диод, предназначен для создания гарантированного открывания защитного транзистора 1 до шунтирования управляющего входа тиристора 15, чем исключается режим паразитных автоколебаний между тиристором 15 и транзистором 1.

Таким образом, тиристор 15 обеспечивает первоначальный пуск устройства защиты и одновременно с этим схемой

1330б обеспечивается запертое состояние тиристора при возникновении перенапряжений. Кроме того, при случайном сбое в схеме, вызвавшем кратковременное пропадание напряжения й»» конденсаторе 7 и, как следствие, исчезание напряжения F,„ схема запускается автоматически.

Схема (фиг,3) показывает работу устройства согласующего блока 14. 1р

Для упрощения рассмотрения работы она изображена в виде устройства с пусковой кнопкой 2, однако работа схемы связи не зависит от того, как осуществляется запуск: кнопкой 2 или тиристором 15.

Схема связи обеспечивает согласование уровней входного напряжения компаратора 13, в качестве которого может использоваться обычный интегральньп» операционный усилитель, с базой регулирующего транзистора 4.

Если выходное напряже»»ие компаратора

13 меньше, чем напряжение U„ то транзистор 18 заперт, следовательно 25 заперты транзисторы 20 и 4. Эта ситуация существует, когда выходное напряжение делителя 9 меньше, чем т.е. при отсутствии на входах

an i

Е перенапряжений и насьпценном защит- 3р ном транзисторе 1. Ре»исторь» 19 и 21 определяют базовые точки транзисторов 20 и 4 соответстве.нно. Защитный диод 22 предназначен для исключения пробоя базо-эмиттерног<1 перехода транзистора 4, а также;;ля уменьшения напряжения перехода база-коллектор транзистора 20.

При возникновении перенапряжения

HQ входах Е выходное напряжение де- 40 лителя 9 достигает вел»»чины 13, выоп ходное напряжение компаратора 13 увеличивается и становится большим, чем

Это вызывает появление базового, а затем и коллекторного тока транзис- 45. тора 18, которьп» является базовым током транзистора 20. Вследствие этого открывается или приоткрывается регулирующий транзистор 4.

Следовательно, применение предлагаемой схемы связи дает возможность обесг<ечить согласование транзистора

4, осуществляющего управление защитным транзистором 1, с выходом компа, 55 ратора, имеющего ненулевые остаточные положительные и отрицательные уровни выходного напряжения, осложняющие в известных схемах согласование транзи-.

90 6 сторных каскадо». Согласование выполняется беэ допог<нительных источников, но защитный транзистор работает в насьпценном режиме, Применение предлагаемого устройства защиты дает возможность обеспечить насыщенный режим работы защитного транзистора без применения активнъ»х резисторов, обу лавливающих потери мощности. Приме »ение источника насыщенного тока в виде импульсного преобра"-,Oâàòåëÿ каскадов, осуществляю-, щего понижение напряжения F.„, обеспечивает достаточно малые потери энергии. При возникновении перенапряжения на шинах Е, защитный транзистор

1 начинает работать в линейном режиме, чем обеспечивается неизменность напряжения F.„ при любых видах перенапряжений — импульсных иди длительных.

Следовательно, использование предлагаемого устрсйства защиты имеет следующие преи» ущества.

Обеспечивается насьш»ение защитного транзистора в стационарном режиме работы при отсутствии перенапряжений.

Имеется возможность вариантного выбора схемы защиты: с пусковой кнопкой или с автоматическим пуском при помощи тиристора.

При заданных перенапряжениях любой длительности обеспечивается защита и неизменность напряжения на потребителе.

На транзисторах схемь» защиты, кроме высоковольтного, рабочее напряжение не превьппает напряжение питания потребителя.

Имеется возможность применения в качестве защитного транзистора с малым коэффициентом усиления по току, так как он в незначительной степени определяет энергетическую эффективность устройства °

Обеспечивается согласование операционного усилителя с регулирующим и защитнчпч транзисторами без применения дополнительных источников вспомогательного напряжения.

Применение импульсного способа для получения насьш»ающего тока базы защитного транзистора обеспечивает достаточно высокую энергетическую эффективность и дает возможности для улучшения массогабаритных характеристик путем повышения частоты преобразования.

1З 1ОЮО

Применение только одного высоковольтного транзистора (и) или тирис— торя удешевляет устроиство.

Обеспечивается независимость автоматического пуска устройства защиты от длительности фронта нарастания первичного напряжения при включении.

Уменьшается мощность, рассеиваемая устройством защиты, что дает возмощность иметь лучшие массогабаритные характеристики.

Увеличивается надежность работы устройства из-за облегчения температурных режимов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Устройство для защиты потребителя от перенапряжений, содержащее включенный в силовую цепь защитный .транзистор и пороговый элемент, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения рассеиваемости мощности, в него введены ограничивающий резистор, делитель напряжения, согласующий блок, регулирующий и переключающий транзисторы, дроссель, выпрямительный диод, конденсатор, задающий генератор и узел запуска, а в качестве порогового элемента использован компаратор, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, причем задающий генератор выходом подключен к базе переключающего транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной и первым входом делителя напряжения, коллектор с анодом выпрямительного диода и через дроссель — с эмиттером защитного транзистора, эмиттером регулирующего транзистора, первым выводом конденсатора и вторым входом делителя напряжения, выход которого подключен к второму входу компаратора, выходом соединенного через согласующий блок

45 с базой регулирующего транзистора, коллектор которого подключен к базе защитного транзистора, первому выводу ограничивающего резистора, второй вывод которого подключен к катоду выпрямительного диода и второму выводу конденсатора, при этом узел запуска одним выводом подключен к входному выводу устройства, а другим включен в цепь управления защитным транзистором.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что узел запуса включает в себя последовательную цепь из замыкающей пусковой кнопки и пускового резистора.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что узел запуска включает в себя тиристор, пусковой резистор, шунтирующий транзистор и пороговый блок, причем шунтирующий транзистор эмиттером соединен с эмиттером защитного транзистора и катодом тиристора, базой через пороговый блок — с катодом выпрямительного диода, а коллектором — с управляющим электродом тиристора и через пусковой резистор — с анолом тиристора и коллектором защитного транзистора, 4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что согласуюп1ий блок выполнен ня двух резисторах, защитном диоде, первом транзисторе п-р-п-типа проводимости и втором транзисторе р-и-р-типа проводимости, причем база первого транзистора соединена с выходом компаратора, эмиттер — с источником опорного напряжения, а коллектор через первый резистор — с базой второго транзистора, эмиттер которого подключен к катоду выпрямительного диода, а коллектор через прямовключенный защитный диод и второй резистор — к базе регулирующего транзистора.

1330690 фиР 2 фыРЗ

Составител О.Мещерякова

Техред Л.Сердюкова Корректор A-Зимокосов

Редактор А.Долинич

Заказ 3587/53 Тираж 617 Подписное

ВНИИПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полигра4>ическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4