Устройство для токовой защиты источника вторичного электропитания постоянного тока

 

Изобретение относится к чектоотехнике. в част ноет и к источникам Бторим. огоэлектропи эния радиоэлектронной агтаратуры. Цель - повышение стабильности порога срабатывания при изменении температуры окружающей среды. Б устройстве используИзобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты стабилизаторов и преобразователей напряжения постоянного тока от перегрузки по току. Известны линейные стабилизаторы напряжения постоянного тока с устройствами защиты от перегрузок по току. Недостаток этих устройств заключается в большом дрейфе порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды. ется токовая защита, настроенная по классическому принципу с применением резистивчого датчика тока и защитного транзистора, воспринимающего выходной сигнал датчика и шунтирующего при своем открытии бззэ-эмиттернь и перевод регулирующего транзистора, закрывая последний. В устройство введены дополнительный полупроводниковый переход, одноименный по проводимости с переходом бзза-змиттер защитно о т р нзистрра. и узел прямого смещения . экг..1 последовательно с дополнительным переходом. Пг.и этом выходной сигнал датчика y jt/a суммируется спадением напряжения н дс-псп-ч -ельном переходе. Б услориях одпнакориго температурного дрейфа нзпряжениг г.с. тсгните-ьнг.гс перехода и перед-од бззз-зг-н .ттер .зщи г огл гранлисторз за соответстсу- Ю1,Јй ксмпьнсации г-;ш. йенно улучшается стабильность ПОРОГЕ срабать:вгкия защити. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. Известны также импульсные стабилизаторы и преобразователи напряжения постоянного тока с встроенной защитой от перегрузок потоку. Источники питания, выполненные с известной защитой, также имеют нестабильный порог срабатывания защиты, особенно при изменении температуры окружающей среды. Наиболее близким к предлагаемому является устройство защиты от пеоегрузок по току, в котором сравнивается падение напряжения на переходе база-эмиттер регулиЬл С XI О XI о ;о

С OY 3 СС BF ii.i:ÈÕ

СОЦИАЛИС1ИЧЕСКИХ

РЕСГТУ6ЛИК (Я>s G 05 F 1/573

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗО6РЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,О,> (21) 4777748/07 (22) 04.01.90 (46) 23.01.92, Бюл. М 3 (75) В.И.Колбин (53) 621.3 . 6.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 851619, кл. Н 02 Н 7/10, 1979.

Аьторское ca«äåòåëücòâî СССР

U 920944, кл. Н 02 Н 7/10, 1980.

Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянно;о напряжения и тока, M.: Советское радио, 1980, с.265-271, рис.10,5в (54) УСТРОЙСТВО ДПЯ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЬ ИСТОЧНИКА ВТОРИ НОГО Э,ПЕКТРОПИТАН 1Р ПОСТОЯННОГО ОКА (57) Иэс б рс-."сн ",е стнссится к ""ектсстехниКЕ. В ЧаСтно=т« К СтО 1«ИКа.: Втср1.i,;ÃСЭЛЕКтропи-ания радиоэлектронной аппаратуры.

Цель — поеь ьцение стабильности порога срабатывания при изменении температуры окружа ощей среды. В устройстве используИзобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты стабилизаторов и преобразователей напряжения постоянного тока от перегрузки по току.

Известны линейные стабилизаторы напряжения постоянного тока с устройствами защиты от перегрузок по току.

Недостаток этих устройств заключается в большогл дрейфе порога срабатывания защиты при из1ленении температуры окружающей среды.... SU „„1707610A 1 ется токовая защита, настроенная по классическому принципу с применением резистивного датчика тока и защитного транзистора, восприн«мающего выходной сигнал датчика и 1цунтирующегс при с сем открыт11 база-э. «тернь 11 г1ере сд р гул1рующего транэ1>стора, за1; ыеа последний.

В устрс1лство введены дополн11тельны11 полупроводниковый переход, однсимен;ь:й по проводимости с переходом база-зl. «ттер

Эав.Итнп С Р?Н?1 Ст Ра, И УЭЕЛ ПРЯМОГОСМЕщения . вк;.ючен-ь > последсеэ епьно с дсполнительным перехс дом. г» эом

ВЫХОДНОЙ С«ГНаЛ Дат 1.à Ji a С,t МИР,i Tt„ s с падением напряжен«я н; д=пo. ° -.aüнсм переходе. F. "слс1иях сд1, а сг .." тем-,врат> рнсго,рейфа а; ряжен11 .-,1a.lã:- «Tе.,ь1 С го ГГЕ-; ЕХС.; 1 ПЕРЕлОД-...ЭЭ.-.-:,:1.;«ттСР ц ., с;. "ан«с-,срэ зa;ч т;с«тает" тс ую!»= и 1:.L пеtlсa ц . » ", сцг . ее нно улYчц1аеTся, абиль ность и" с; г i.p?ба >ге=,." 1",Я э.-..ц; ы. 3 Э.п. ф- ы, 3 1 л, Иэг>естны также «лпу-ьс1;" е =табил«заторы и преобразавател«напряжения flccTQянногс тока с встроенной защитой от перегрузск по току, i4ñTcчн«ки пvTaívя, еыполненнь е с vзвестной эа,цитой, также имеют нестаб«льный порог срабатывания эащ«ты, особенно при изменении температуры окру:каю цей среды, Наиболее близким к предлагаемому является устройство защ1;ты ст песегру ск по току, в KQTopoM сравнивается падение напряжения на переходе база-эм«ттер регули1707610

15

25

35

45

55 рующего транзистора и на датчике тока с падением напряжения на резисторе. включенном между базами регулирующего транзистора и транзистора защиты. и переходе база-эмиттер транзистора защиты.

Недостаток этого устройства заключается в том, что при стабильных резисторах датчика тока и делителя напряжения, к которому подключена база транзистора защиты, стабильность порога срабатывания защиты при изменении температуры окружающей среды зависит от температурного дрейфа переходов база-эмиттер регулирующего транзистора и транзистора защиты.

Так как в качестве регулирующего транзистора и транзистора защиты используются транзисторы, разные по типу и по мощноти, то из-за разного температурного дрейфа переходов база-эмиттер этих транзисторов порог срабатывания от перегрузки пс току значительно меняется при иэ:ленении температуры окружающей среды.

Кроме того, отсутствует возможность использования этого устройства в источниках питания, у которых одна шина питания

Рвлается общей для подключения входного нап яжениа питания и нагрузки. При изменении температуры окружающей среды изменяется ток, подаваемый в цепь усpa(Inc «ll регул рующего транзистора, л ечяетса ток, протекающий через эащитнь и транзистор в режиме перегр, эки, меняется падение напряжения на резисторе, BKЛЮчЕННСМ В ЦЕПЬ ЗаЩИТНсгс ТРаНЗИСТОРа, изменяется порог срабатывания защиты.

Целью изобретения является повышен е стабильности псрога срабатывания при изменении температуры окружающей среды

Пос-.гвленнэя цель достигается тем, что в уст рсйcT Во длР тсксэсй 33 щиты источника втсричнсго зле> трспи ения псстсянноготока, содержащее,пзтчик така, включенный последовательно в одну из выходных шин для подключения источника электропитания, защитный транзистор, эмиттер которогс через узел сбсатнпгс смещения соединен с первых, выводом дэ(«.ка тока, а коллектор — с цепью блок. рсвки управляющего органа ис счника электропитания, делитель напряжения, первый краиний вывод которого псдключен к другой выходной шине для подключения ис счника электропитания, а промежуточный — к базе защитного транзистора, в него введ -:нь! г слупссводниковый переход, одноименный пс проводимости с переходом база-эмиттер защитного транзистора, и уэе; пра сгс смещения, включенный послед-.:.-3Tp.льно с полупроводниковым переходом, один из выводов которого соединен с вторым крайним выводом делителя напряжения, а другой — с вторым выводом датчика тока.

На фиг.1 — 3 показаны схемы включения предлагаемого устройства соответственно в линейном стабилизаторе, в импульсном стабилизаторе и в преобразователе напряжения.

Стабилизатор (фиг.1) содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, узел 3 обратного смещения. выполненный на резисторе. делитель напряжения на резисторах 4 и 5, полупроводниковый переход б, узел 7 прямого смещения и управляющий орган, включающий в себя схему В сравнения и регулирующий элемент на транзисторе 9. B качестве полупроводникового перехода б используется переход база-эмиттер транзистора.

Импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока (фиг.2) содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, узел 3 обратного смещения, выполненный на резисторе, делитель напряжения на резисторах 4 и 5, полупроводниковый переход б. выполненный на диоде, узел 7 прямого смещения и управляющий орган, включающий в себя широтно-импульсный модулятор 8, транзистор 9. дроссель 10. диод 11. конденсатор

12. На узел 3 обратного смещения падается ток от стабилизатора тока, выполненного на транзисторе 13, стабилитроне 14 и резисторах 15 и 1б.

Преобразователь напряжения постоянного тока (фиг.3) содержит датчик 1 тока, защитный транзистор 2, узел 3 обратного смещения, делитель напряжения на резисторах 4 и 5, полупроводниковый переход 6, узел 7 прямого смещения, выполненный с использованием стабилизатора тока, и управляющий орган. включающий в себя широтно-импульсный модулятор 8, преобразователь напряжения на конденсаторах 9 и 10, трансформаторе 11, транзисторах 12 и 13 и выпрямитель 14, Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Сравниваются суммы напряжений на датчике 1 тока и переходе 6 и на резисторе

4, переходе база-эмиттер защитного транзистора 2 и узле 3 обратно о смещения. При отсутствии перегрузки по току защитный транзистор 2 закрыт и не влияет на работу стабилизатора.

При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения нэ датчике 1 тока, через резистор 4 на базу транзистора 2 защиты подается открывающий потенциал, транзистор 2 открывается, при незначительном падении напряжения на узле 3 обратного смещения шунтируется переход база-зл1иттер транзи Тора 9, транзистор 9 закрывается, уменьшаются выходное напряжение О, и закрывающий потенциал, г!одаваемый чеерз резистор 5 на базу транзистора 2, транзистор 2 удерживается в открытом состоянии при небольшом токе нагрузки.

Включение узла 3 обратного смещения в цепь эмиттера транзистора 2 позволяет получить небольшое обратное для транзистора 2 смещение, при этом падение напряжения на резисторе 4, переходе база-эл1иттер транзи тора 2 и узла 3 обратного смещения поддерживается несколько больше, че: напряжение на дополнительном переходе 6, !Со!да га,г,ение напряжения на резисторе 4, пере оде база-эл1иттер транзистора 2 и узле 3 оСратного смещения становится равным падению напряжения на переходе 6 и датчике 1 токa, происходит ограничение тока, гротека о!цего через защитный траviзистор 2, ча ть Tска управлен!,я 1ур всегда подается на транзистор 9.

Э1ого HeÄольJ..oro тока ул,- —.-; =-.Нмя;.С.-.таточно для открывания T!,з н.".i1ст . рa 9 !1 еоас1а- .",аления вых.:л! о-о н:-и я:Ke:i-; "- 1-.з вьхс„-е ста.! ли-а;с;а г .пе снятия и регрузки пс тск

-".r.aë..г!! !чо, е,",ои e i - . .! .! T .: . I

ЛИ"=> 0РЧ ПСРВЫ г г - -""1, - 1.;it транз!!стор 2 -,.р ;. с;rve: " .- .-0>;-.-"."..

4 r,e-0 o„-. Fa.a:,,"„,-т.; 1 .-,, -т„--.а ." . г Н уз1е 3 of paTt,о с сл г-щ, ", -..-;:--:;я а!1;- жения, равного наг;я ке> ю "рех..-, i, И д-.т ИКЕ 1 ТОла, гр ".С 0 .,;,-л! .-,,Е

-ола .!врез тра»аистon, час- тека уг!р ieленив поступает на транзис-.=p 9, транзиС!Ор 9 Orv:1ыeaeT0 ра:.,-. a- ояжвнив на выходе таб ; изат; 1а, ч=" -. ре,1cTop 5 нз л базу Tpavlзи:тера . г,,". .-= .-:" рыва, потенциал,транзист:p. зз рь веется. и с;абилизатор вход!1т e p=-ж,1м ста !1лизац!1и напряжения.

Напряжение источника осратного сме.щения определяется из формулы

Осм Ог! Огзэз, (1) где О. — напряжен 1е узла o ратного сл1ещен .я;

О, — падение напряжения на переходе 6;

Ue — напряже: ие перехода база-эмиттер защитного транзистора 2.

Если в качестве уз la 3 обратного смещения используется резистор, то номинал резистора определяется из соотношения (2) где lytp — ток управления, пос-y,:aê; v1!1 от схел;ы 8 упр-.е;.ения на регу !ирак щий элемент.

5 Уст p:йство (фиг.2) рЯзтаст с! едующим образом, Сразнивэ отся суммb! 1-,апряжен!1й на переходе 6 и датчике 1 тока и нз р=зисторе

4, переходе база-змиттер защ!1тi.ог= rpall10 зистора 2 и узел 3 обратной связи. Зг ц! .тный транзистор 2 включается I1 работает, как правило, при очень малы;: токах бзы и коллектора, Р соответсвии с eKog! I el!.1и характер1стиками транзисторов на !ряжен! е

15 ПЕрЕХОда баЗа-ЭМИТ-Ор За Ьц 1тНО! О ТОЗНЗ ;стора 2, при котором открывается зтот1ранзистор 2, может Сыть меньше, чем напряжение на пере",.оде 6. Вкл!очение узла

3 обратного с.".е ценил позвсляет r!pi1 еКп о20 чении стаЬ лизатора удфж!!вать защитный транзистор 2 r! закрь том состон!1и и обеспечи-,l аыход с абил!.затора в рож!1K! стабилизаци!! наг!ряжен1:,я, (.:aäeíèe на,1рлъ.е;!ия IIa уз1е 3 пар=-но-!

o et. c i! I" »< ÿ в! !1pae ся г о ядка О, 1,3 Р. ! I;,;1 - 0".ТотI!r 1; ере !к!! по Toку пе

Овхе .<-.-ъ!! ЕР -,.= ..1 " -, 1-",Ч;! r;-г;

2 t 2хс;. с д !».aTI- t : !- еще л трэнat,0 op z з рыт !! не Р ч, 1 1!

П"!" у a a 1 »!1 " " ° г

:: „:.—.т-.. 1 т г- т,1-!

:! х .д, -; !!э-1-;. » с,-,. -. по е:-,, г да.аг» .йче. з р=з1;;1 р.1 на 0 1p $ - p, Tрл зl а ор 2 у с«! сь. ся е

СС С . =. н;!1-, ши„ T HO-.I л 1Ул- Сны;1 мaRe iой д "I 1 ° eносT!», у! ьц!а 1с. !oтц

1-:::-,ь;: . «-,a!1,1я ма Tpa.- -:1: т = l!ocae с!aтия перегрузки уменьшаетс- падение нагp7æe» "n H да!чике ". ToKa, трг;з!.стор 2 за!ц!1ты закрь!ьается за сче! !!апр". е» ". обре но!о смс!цения от узла 3 ш; poTI!c-имг,у,льсн&i t.1oä yt1P Top 8, 1 с аб 1"!1. аТор

50 ьксд:.1 е „."жи т Taб!1л!1зац,;;1 наг ряжения, вы .о„. се н;"гряжен!1е с-аб1. иза10ра восСтдн вл! ьдется.

¹opÿêåI èa источ!!! ка обратного смещен!1я оп,.еделяе;ся по фо луле (1).

55 Устрсйство гоказзнное на +!1-.3, рaáoтает анэлогичH0 устройству на ф!1г.2.

Cpaаниваются суммы на.;ряж" л! !! t;зa переходе б и датчике 1 тока и роз!.сторе 4, 1707610 переходе база-эмиттер защитного транзистора 2 и узле 3 обратного смещения. В момент подачи на стабилизированный преобразователь напряжения защитный транзистор 2 эа счет напряжения узла 3 обратного смещения закрыт и не влияет на работу rреобрэзователя.

При отсутствии перегрузки по току защитный транзистор 2 также закрыт, и преобразователь работает в режиме стабилизации напряжения. При увеличении тока нагрузки выше заданного значения увеличивается падение напряжения на датчике 1 тока, защитный транзистор 2 открывается, сигнал с транзистора 2 подается на широтно-импульсный модулятор 8, уменьшается ширина рабочих импульсов, подаваемых на транзисторы 12 и 13, уменьшаются выходное напряг,ение Up и закрывающий потенциал, подаваемый через резистор 5 на транзистор 2, транзистор 2 удерживается в .,ткрыто л состо;нии, î .еспе ивая минимальную ширину упрэвляющ11: импульсов широтно-импуль" ного модулятора 8, мини1альный ток нагp,зки и минимальнуio мощчость на преобразователе, Пр« снятии

ПЕРЕГРУЗК«УМЕнЬШавтСЯ ПЭДЕН1«Е НаПРЯжЕния на дат ике 1 тока, транзистор 2 закрысг eTñÿ за счет напр;женил узла 3 обратного

С ЛЕЩЕН1Я, ШИРСтНЭ Иь ПУЛЬСНЫй МОДУЛЯТОР

8 и преобрэзсвэтель входят в режим стабилизации Hàпряжен«я, нэп(яж ние на выходе стабилизатора восстанавливается.

Таким образом. обе;пе ь вэются надежное включение стэбил 1з,ровэнного преобразователя, ограничение тока и мощность рассеяния на преобразователе при перегрузке по току и восстановление режима стабилизации выходного напряжения после снятия перегрузки.

Напряжение узла 3 обратного смещения определяе1ся по 4 орм„ле (1).

Узел 7 прямого смещения обеспечивает стабилизированный ток. достато ный для делителя напряжен я на резисторах 4 и 5 и питания перехода б.

S линейнсм стабилизаторе, выполненном с устройством защиты по схеме фиг,1, при изменении температуры окружающей среды ток срабатывания защиты зменяется в пределах 10;6 от значения, установленного в нор -1эльньх условиях, что значительно точнее в сравнении с известными схемами.

Схемы защиты, пр«вед нные на фиг.2 и

3, обеспсчивэют повышен.:е очности порога срабатыван«я зэ.ц«ты в не;колько раз по сравнению с иэвестнь»ли схемами защиты, поэтому надежность l.ìn ëüñíûõ стабилиЗатОРОВ И ПРЕОг!РЭЗЕ . тЕ."el1 НЭПРЯ:КЕНИЯ

55 также повышается. Надежность импульсных стабилизаторов и преобразователей напряжения с предложенной схемой защиты выше и в связи с тем, что предлагаемая схема защиты обеспечивает уменьшение мощности рассеяния на ключевых элементах в режиме короткого замыкания на выходе источника питания в сравнении с известными схемами.

При подаче смещения на переход б через резистор (фиг.1 и 2) и изменении напряжения питающей сети напряжение на дополнительном переходе 6 может незначительно меняться. При подключении перехода б к стабилизатору тока (фиг.3) и обеспечении на этом переходе 6 стабилизированного тока смещения напряжение на переходе 6 сохраняется стабильным. Поэтому порог срабатывания защиты в схеме на фиг.3более стабилен,,чем в схемах на фиг.1 и 2.

При стабилизации напряжения узла 3 обратного смещения (фиг.2) за счет подачи тока на резистор 3 от стабилизатора тока на транзисторе 13. стабилитроне 14 и резисторах 15 и 16. стабильность порога срабатывания эащ«ты также улучшается, При использовании в качестве перехода

6 перехода бээа-эмиттер транзистора, однотипного с защитным транз стором 2 (фиг.1), обеспечивается примерно одинаковый температурный дрейф перехода 6 и перехода баэз-ЗМИттЕр ЗащИтНОГО трачЗ 1СтОра 2. Таким образом, при сд«наковых температурных дрейфах 1эпряжений перехода 6 и перехода база-эмиттер защитного транзистора 2 улучшается стабильность порога срабатывания устройства.

Размещение дополнительного перехода, однотипного с переходом база-эмиттер защитного транзисторг, в одном корпусе с защитным ipàH3;" tñpc;ì позв Iяет обеcïåчивать одинаковый температурный режим полупроводHèKîвого перехода и перехода база-эглиттер защ11тного транзистора, уменьш> ть разброс температурного дрейфа между э1ими nepexnpar «, за счет этого улучшается стабильность порога срабатывания устройства и псьышаст" я надежность вторичного источника п«Tàíèÿ, За счет бол е стабильного порога срабатыван;1я устройства в широком диапазоне температур и уме,ьшения мощности рассеивания на регулирующем элементе при перегрузке по току значительно повышается надежность сточников вторичного электропитания постсянного тока.

Эффективность предложенной схемы по сравнению с известными заключается и в том, что она универсальна, применима с

1707610

10 любыми типами регулирующих транзисторов в линейных и импульсных стабилизаторах и в преобразователях напряжения, в том числе и в источниках электропитания, имеющих общую шину для подключения входного напряжения питания и нагрузки.

Ни одна из указанных схем защиты не обладает такой универсальностью.

Формула изобретения

1. Устройство для токовой защиты источника вторичного электропитания постоянного тока, содержащее датчик тока, включенный в одну из выходных шин для подключения источника электропитания, защитный транзистор, эмиттер которого через узел обратного смещения соединен с первым выводом датчика тока, а коллектор — с цепью блокировки управляющего органа источника электропитания, делитель напряжения, первый крайний вывод которого подключен к другой выходной шине для подключения источника электропитания, а промежуточный вывод — к базе защитного транзистора, о т л и ч я ю щ е е с я тем, что, с целью повышения стабильности порога срабатывания при изменении температуры окружающей среды, в него введены полу5 проводниковый переход, од оименный по проводимости с переходом база-змиттер защитного транзистора, и узел прямого смещения, включенный последовательно с полупроводниковым переходом, один иэ

10 выводов которого соединен с вторым крайним выводом делителя напряжения, а другой — с в горим выводом датчика тока.

2, Устройство поп.1, отл ич а ющее15 с я тем, что узел прямого смещения выполнен с использованием стабилизатора тока.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полупроводниковый переход и переход база-эмиттер защитного транзи20 стора однотипны по конструкции.

4. Устоойство по п.1. о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полупроводниковый переход и защитный транзистор размещены в одном корпусе.

1707610 и г 2

ФОс 3

Составитель В. Колбин

Техред M.Уоргентал Корректор Н Ревская

Редактор Л. Гратилло

Производственно-издательский комбинат "Патент, r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 268 Тираж Подписное

ВНИИГ1И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Mocraa. Ж-35, РаушскаЯ наб., 4/5