Устройство для защиты нагрузки от перенапряжений

 

Сущность изобретения1 устройство содержит два ключевых зШиеНт а 1, 2, нагрузку 3, блок управления 4, состоящий из датчика амплитуды напряжения питания 5, порогового элемента 6. двухполупериодного выпрямителя 7 и управляющего транзистора 8. В устройство введены два трансформатора тока 22, 23, а также два дополнительных двухполупериодных выпрямителя 24, 25, силовой трансформатор 26 и

СОЮЗ СО В ЕТС КИ Х

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ С В Иц ЕТ ЕЛ Ь СТВУ. (21) 4844039/07 (22) 02.07.90 (46) 23.07.92, Бюл. 27 (71) Центральное научйо-производственное объединение "Ленинец": (72) В,С.Уманский (56) Авторское свидетельство СССР

М 1374199„кл. 6 05 F 1/44, 1986.

Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1631526, кл. G 05 F 1/44, 1989, Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1501230, кл, Н 02 М 5/27, 1986.

<в) .. Ы««1 749970 А1 (505 Н 02 Н 3/24, 7/10 фЩ. »Ж ° .

9170 ", 2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ НАГРУЗКИ 0Т ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ . (57) Сущность изобретения; устройство содержит два ключевйх элемента 1. 2, нагрузку 3, блок управления 4, состоящий из датчика амплитуды напряжейия питания 5, порогового элемента 6, двухполупериодного выпрямителя 7 и управляющего транзистора 8, В устройство введены два трансформатора тока 22, 23, а также два дополнительных двухполупериодйых выпрямителя 24, 25, силовой трансформатор 26 и

1749970 управляющий транзистор 29 с соответствующими связями. В результате исключается возможность одновременного открытого состояния у первого 1 и второго 2 ключевых

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение преимущественно для защиты различного рода радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений в питающей сети переменного тока, Известно устройство для стабилизации йеременного напряжения, которое содержит первый и второй регулирующиЕ элементы, нагрузку, блок управления в составе двух датчиков амплитуды напряжения и двух пороговых элементов, Основной недостаток данного устройства состоит в пониженном КПД, поскольку силовые транзисторы в регулирующих элементах работают в активном режиме, Известно устройство для стабилизации переменного напряжения, которое еодержит два регулирующих элемента, нагрузку, блок управления в составе датчика амплитуды напряжения питания и порогового элемента, а также датчика действующего значения напряжения, Основной недостаток указанного устройства состоит в пониженном КПД, поскольку транзистор во втором регулирующем элементе работает в активном режиме.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, которое содержит первый и второй ключевые элементы, нагрузку, а также блок управления, включающий в себя датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент,.первый двухполупериодный выпрямитель .и первый управляющий транзистор. При этом первый ключевой элемент включает в себя первый и второй транзисторы, зашунтированные включенными встречно силовыми диодами и трансформатОр, первичная обмотка которого использована в качестве управляюще"" го входа первого ключевого элемента.

Вторичйая обмотка трансформатора снабжена двумя симметричными отводами, к которым подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов, базы которых соединены с крайними выводами той же вторичной обмотки. Коллекторы первого и второго силовых транзисторов использо . ваны в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого ключевого элеэлементов. Кроме того, уменьшается перепад напряжения на первом ключевом элементе при его запирании. В результате повышается КПД устройства. 3 ил. мента. Второй ключевой элемент включает в себя силовой транзистор и диодный мост, выводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых вы5 водов, При этом в диагональ постоянного тока диодного моста включен силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого использован в качестве управляющего входа второго ключевого элемента, При этом

10 первый силовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения к первой шине питания переменного тока, вход датчика амплитуды нэпря>кения питания предназначен для подключения к пер15 вой и второй шинам питания переменного тока, а его выход через пороговый элемент соединен с базой первого управляющего транзистора. Вход первого двухполупериодного выпрямителя подключен к управля20 ющему входу первого ключевого элемента, Параллельно выходу первого двухполупериодного выпрямителя включены последовательно управляющий вход второго ключевого элемента и цепь коллектора пер25 вого управляющего транзистора. Силовые выводы второго ключевого элемента присоединены параллельно нагрузке.

Основным недостатком известного устройства является пониженный КПД ввиду

30 наличия сквозного тока,.который возникает во время переходного процесса запирания первого и отпирания второго ключевых элементов, и наоборот, целью изобретения является повыше35 ние КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, содержащее первый и второй ключевые элементы и блок управления, 40 включающий в себя датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент, первый двухполупериодный выпрямитель и первый управляющий транзистор, при этом первый ключевой элемент включает в себя

45 первый и второй силовые транзисторы, за- .. шунтированные включенными встречно силовыми диодами, а также трансформатор, первичная обмотка которого использована в качестве управляющего входа первого

50 ключевого элемента, вторичная обмотка снабжена двумя симметричными отводами, 1749970 к которым подключены эмиттеры соответст- На фиг,1 показана принципиальная вующих силовых транзисторов, базы кото- электрическая схема устройства для защиты рых соединены с крайними выводами той нагрузкиотперенапряжений; на фиг.2 — экже вторичной обмотки, коллекторы первого вивалентная схема цепи нагрузки при запии второго силовых транзисторов использо- 5 рании первого ключевого элемента и ваны в качестве соответственно первого и отпирании второго; на фиг.3 — временные второго силовых выводов первого ключево- диаграммы напряжений;

ro элемента, второй ключевой элемент Устройство для защиты нагрузки от певключает в себя силовой транзистор и диод- ренапряжений содержит первый 1 и второй ный мост, выводы диагонали переменного 10 2 ключевыеэлементы, нагрузку3(например. тока которого использованы в качестве си- с индуктивной реакцйей), блок 4 управлеловых выводов, при этом в диагональ посто- ния, включающий в себя датчик 5 амплитуды янного тока диодного моста включен напряженияпитания, пороговый элемент6, силовой транзистор, база-эмиттерный пе- первый двухполупериодный выпрямитель реход которото использован в качестве уп- 15 7 и первый управляющий транзистор 8. равляющего входа второго ключевого Датчик 5 содержит трансформатор 9 и двухэлемента, первый силовой вывод первого полупериодный выпрямитель 10, подклюключевого элемента предназначен для под- ченный своим входом к вторичной обмотке ключения к первой шине питания перемен- трансформатора 9. ного тока, вход датчика амплитуды 20 Первый ключевой элемент 1 включает в . напряжения питания предназначен для себя первый 11 и второй 12 силовые транзиподключения к первой и второй шинам пи- сторы, зашунтированные включенными тания переменного тока, а его вь|ход через встречно силовыми диодами 13 и 14, транспороговый элемент соединен с базой перво- форматор 5 с первичной 16 и вторичной 17 гоуправляющеготранзистора,входпервого 25 обмотками, причем первичная обмотка 16 двухполупериодного выпрямителя подклю- использована в качестве управляющего чен к управляющему входу первого ключе- входа первого ключевого элемента 1. Втового элемента, параллельно выходу первого ричная обмотка 17 снабжена двумя симметдвухполупериодного выпрямителя включе- ричными отводами, к кОторым подключены ны последовательно управляющий вход 30 эмиттеры соответствующих силовых транвторого ключевого элемента и цепь коллек- зисторов 11 и 12, базы которых соединены тора первого управляющего транзистора, с крайними выводами вторичной обмотки введены первый и второй трансформаторы 17. Коллекторы первого 11 и второго 12 ситока, второй и третий двухполупериодные ловых транзисторов исйользованы в качествыпрямители, силовой трансформатор и 35 ве соответственно первого и второго второй управляющий транзистор, при этом силовых выводов первого ключевого эле- второй управляющий транзистор включен мента, параллельно управляющему входу второго Второй ключевой элемент 2 включает в ключевого элемента, первый и второй сило- себя силовой транзистор 18 и диодный мост вые выводы которого предназначены для 40 19, выводы диагонали переменного тока коподключения к первому выводу нагрузки и торого использовайы в качестве силовых к второй шине питания соответственно че- выводов, В диагональ постоянного тока дирез вторичную обмотку силового трансфор- одного моста 19 включен силовой транзиматора и первичную обмотку первого стор 18, база-эмиттерный переход которого трансформатора тока, вторичная обмотка 45 использован в качестве управляющего вхопоследнего через второй двухполупериод- да второго ключевого элемента 2, При этом ный выпрямитель включена в цепь базы первый силовой вывод первого ключевого первого управляющего транзистора, второй элемента 1 (коллектор транзистора 11) силовой вывод первого ключевого элемен- предназначен для подключения к первой та подключен к первому выводу нагрузки и 50 шине 20 питания переменного тока. Вход к первому выводу первичной обмотки сило- датчика 5 амплитуды напряжения питания вого трансформатора через первичную об- (первичная обмотка трансформатора 9) мотку второго трансформатора тока, его предназначендля подключения кпервой20 вторичная обмотка через третий двухполу- и второй 21 шинам питания переменного периодный выпрямитель включена в цепь 55 тока с напряжением Еп. Выход датчика 5 базы второго управляющего транзистора, (выход выпрямителя 10) через пороговый при этом второй вывод первичной обмотки элемент 6 (например, в виде стабилитрона) силового трансформатора подключен к соединен с базой первого управляющего первому силовому выводу первого ключево- транзистора 8. Вход первого двухполупериго элемента. одного выпрямителя 7 подключен к управля1749970 ющему входу первого ключевого элемента 1 (т,е. к первичной обмотке 16 трансформатора 15). Параллельно выходу первого двухполупериодного выпрямителя 7 включены последовательно управляющий вход второ- 5 го ключевого элемента 2 (база-эмиттерный переход транзистора 18) и цепь коллектора первого управляющего транзистора 8 (промежуток коллектор-эмиттер).В устройство введены первый 22 и вто- 10 рой 23 трансформаторы тока, второй 24 и третий 25 двухполчпе6иодные выпрямители, силовой трансформатор 26 с первичной

2? и вторичной 28 обмотками и второй управляющий транзистор 29. Трансформатор 15

15 может быть снабжен обмоткой 30 обратной связи, подключенной через резистор 31 к шинам 20 и 21 питания,.Параллельно база-змиттерным переходам транзисторов 8, 18 и 29 включены резисторы 32 — 34. Парал- 20 лельно обмотке 27 трансформатора 26 в ряде случаев может быть включен конденсатор 35, При этом второй управляющий транзистор 29 включен параллельно управляюще- 25 му входу второго ключевого элемента 2, первый и второй силовые выводы которого йредназначенй для подключения к-первому выводу нагрузки 3 и к второй шине 21 питания соответственно через вторичную обмот- 30 ку 28 силового трансформатора 26 и первичную {токовую) обмотку первого трансформатора 22 тока. Вторичная обмотка последнего через второй двухполупериодный выпрямитель 24 включена в цепь 35 базы первого управляющего транзистора 8.

Второй силовой вывод первого ключевого элемента 1 (коллектор транзистора 12) подключен к первому выводу нагрузки 3 и к первому выводу первичной обмотки 27 си- 40 лового трансформатора 26 через первичную (токовую) обмотку второго трансформатора

23 тока. Его вторичная обмотка через третий двухполупериодный выпрямитель 25 включена в цепь базы второго управляющего 45 транзистора 29. При этом второй вывод первичной обмотки 27 силового трансформатора 26 подключен к первому силовому выводу первого ключевого элемента 1 (к коллектору транзистора 11). 50

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения Ел . переменного тока на шины 20 и 21 через обмотку 30 обратной связи у трансформато- 55 ра 15 и резистор 31 начинается протекание тока. Во время положительного полупериода напряжения Еп на крайней левой секции обмотки 17 возникает напряжение, насыщающее транзистор 11 (обмотки 17 и 30 включены согласно), Одновременно на правой секции обмотки 17 возникает напряжение, удерживающее транзистор 12 в запертом состоянии (фиг,Ç а, кривая 1), Ток протекает через транзистор 11, среднюю секцию обмотки 17, диод 14, первичную (токовую) обмотку трансформатора 23 и нагрузку 3. На вь ходе датчика 5 амплитуды образуется напряжение Е5 в виде положительных полуволн синусоиды; амплитуда напряжения Е5 пропорциональна амплитуде напряжения питания Еп. Если напряжение Еп не превышает допустимую величину, то Е5 соответственно не превышает значения Ев отпирания порогового элемента 6 (фиг,Зб, кривая I), Транзистор 8 в этих условиях остается запертым, и к нагрузке 3 прикладывается практически полное напряжение Ез = Е (фиг.3 е, кривая I).

Протекание тока нагрузки 3 через среднюю секцию обмотки 17 поддерживает ток базы транзистора 11 (протекающий через левую крайнюю секцию той же обмотки) пропорциональным текущей величине тока нагрузки. Во время отрицательного полупериода напряжения питания направлениетока через обмотку 30 и резистор 31 изменяется на противоположное: как следствие, насыщается уже транзистор 12, а транзистор 11 запирается. Ток протекает теперь от шины 21 через нагрузку 3, первичную (токовую) обмотку трансформатора 23, транзистор 12, среднюю секцию обмотки 17 трансформатора 15 и диод 13 к шине 20.

При протекании тока нагрузки через токовую обмотку трансформатора 23 на выходе выпрямителя 25 образуется напряжение, обеспечивающее открытое состояние транзистора 29, который шунтирует база-эмиттерный переход транзистора 18. В результате ключевой элемент 2 остается запертым и не влияет на работу устройства, Ток через первичную (токовую) обмотку трансформатора 22 не протекает, а выпрямитель 24 оказывается обесточенным по входу.

При возникновении перенапряжения в питающей сети, когда напряжение Еп возрастает до величины Е» {фиг.3a, кривая II), напряжение Ец в течение интервала времени Т1, Т7 превышает порог Еб срабатывания порогового элемента 6 (фиг,Зб, кривая II).

Элемент 6 отпирается, и на базу транзистора 8 в течение интервала Т1 Т2 подаются отпирающие импульсы Е8 (фиг.Зв) При этом обмотки 16 и 17 у трансформатора 15 эакорачиваются через выпрямитель 7, последовательно с которым включены открытые база-эмиттерный переход транзистора

18, шунтирующий его транзистор 29 и насы1749970

30 (1) Ез Ез 1

А= — =

Еп Яз+пгУз 1 + nã

Для того, чтобы при перенапряжении в сети (когда напряжение в ней достигает величины Е м) амплитуда напряжения на нагрузке

3 не превышала допустимой. величины EgM, согласно соотношению (1) необходимое значение коэффициента трансформации равно:

Г= А „

Ам где AM = E3M/EnM < 1 (фиг,З д).

Таким образом, ток через нагрузку 3 в начале интервала времени T>,Tz не прерывается, поэтому заметных "всплесков" напряжения, вызванных ЭДС самоиндукции, в нагрузке 3 и в элементах устройства не воз- 50 никнет. Подавлению остаточных всплесков способствует наличие конденсатора 35, включенного параллельно первичной obмотке 27 трансформатора 26.

В течение интервалов времени Т1,T2 55 протекание тока через токовую обмотку трансформатора 22 вызывает появление напряжения на выходе выпрямителя 24, которое поддерживает транзистор 8 в открытом состоянии вплоть до момента Т, когда текчщенный транзистор 8. В результате ключевой элемент 1 в течение интервалов времени Т1,Тг надежно запирается. Когда процесс выключения транзистора 11 (или

12) в начале интервала T1, Tz заканчивается, 5 протекание тока через токовую обмотку трансформатора 23 прекращается, чем до стигается обесточивание выпрямителя 25 и запирание транзистора 29. Отпирание транзистора 18 оказывается, таким образом 10 возможным только после полного запирания:силового транзистора 11 (или 12), чем практически исключается воэможность протекания сквозного тока. Напряжение Е1 на запертом ключевом элементе 1 в интервале 15 времени Т1,Т возрастает (фиг,3r, кривая II); оно оказывается приложенным через понижающий трансформатор 26 и ключевой элемент 2 к нагрузке 3, так что напряжение Ез на ней приобретает форму, показанную на 20 фиг.3 д (кривая Ц).

Эквивалентная схема цепи для интервала времени Т>,Т, когда ключевой элемент 1

/ заперт, а ключевой элемент 2 открыт, пока зана на фиг,2, где 2з — полное сопротивле- 25 ние нагрузки 3; n — коэффициент трансформации трансформатора 16. Из эквивалентной схемы фиг.2 следует, что отношение А напряжений Ез и Е равно щая величина напряжения Е, становится вновь равной максимально допустимой величине EgM (фиг.3 б,д). Однако отпирание ключевого элемента 1 в этих условиях окажется возможным только после полного окончания процесса запирания ключевого элемента 2 и прекращения протекания тока через токовую обмотку трансформатора 22.

В результате обеспечивается практически полное исключение возможности для протекания сквозного тока аналогично тому, как это имело место в начале интервала Т,Т, Как следствие повышается КПД устройства, Как видно из фиг.2 и 3 д, перепад напряжения ЛЕ на ключевом элементе 1 оказывается сравнительно небольшим по сравнению с существующим в известном устройстве: величина Л Е определяется из соотношения:

A E1 = Е пм (1 - A) Cos CU T1 = E3M (1 - n), (3) где со- круговая частота напряжения питания; в Т1 = агссоз (Е, /E„M).

Так, полагая согласно нормам для сети 115

В 400 Г Епм = 254 В, Езм = 177 В, откуда из соотношений (2) и (3) получаем и =0,66 и

ЛЕ =-58 В, Уменьшение величины перепада напряжения AF> способствует облегчению режима выключения силовых транзисторов 11, 12 и 18 в ключевых элементах 1 и 2, что способствует повышению надежности, Одновременно уменьшаются коммутационные потери энергии.

Положительный технический эффект от использования предлагаемого устройства состоит в практически полном устранении возможностей для протекания сквозного тока, что дает выигрыш в величине КПД.

Формула изобретения

Устройство для защиты нагрузки от перенапряжений, содержащее первый и второй ключевые элементы, а также блок управления, включающий датчик амплитуды напряжения питания, пороговый элемент, первый двухполупериодный выпрямитель и первый управляющий транзистор, причем первый ключевой элемент включает первый и второй силовые транзисторы, зашунтированные включенными встречно силовыми диодами, трансформатор, первичная обмотка которого использована в качестве управляющего входа первого ключевого элемента, а вторичная обмотка снабжена двумя симметричными отводами, к которым подключены змиттеры соответствующих силовых транзисторов, базы кото1749970

12 рых соединенй с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, коллекторы первого и второго силовых транзисторов использованы в качестве соответственно первого и второго силовых выводов первого 5 ключевого элемента, второй ключевой элемент включает силовой транзистор и диодный мост, вйводы диагонали переменного тока которого использованы в качестве силовых выводов, причем в диагональ посто- 10 янного тока диодного моста включен силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого использован в качестве управляющего входа второго ключевого элемента, при этом первый силовой вывод 15 первого ключевого элемента предназначен для подключения к первой шине питания переменного тока, вход датчика амплитуды напряжения питания предназначен для подключения к первой и второй шинам пи- 20 тания переменного тока, а его выход через пороговый элемент соединен с базой первого управляющего транзистора, выход первого двухполупериодного выпрямителя подключен к управляющему входу первого 25 ключевого элемента, параллельно выходу первбго двухполупериодного вып рямителя включены йоследовательно управляющий вход второго ключевого элемента и цепь коллектора первого управляющего транзи- 30 стора,отл ича ющеес я тем, что, с целью повышения, КПД, в него введены первый и второй трансформаторы тока, второй и третий двухполупериодные выпрямители, силовой трансформатор и второй управляющий транзистор, причем второй управляющий транзистор включен параллельно управляющему входу второго ключевого элемента, первый и второй силовыв выводы которого предназнаяены для подключения к первому выводу нагрузки и к вт6рой шине питания соответственно через вторичную обмотку силового трансформатора и первичную обмотку первого трансформатора тока, вторичная обмотка которого через второй двухполупериодный выпрямитель включена в цепь базы первого управляющего транзистора, второй сиИовой вывод первого ключевого элемента предназначен для подключения к первому выводу нагрузки и подключен к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора через пер-. вичную обмотку второго трансформатора тока, вторичная обмотка которого через третий двухполупериодный выпрямитель включена в цепь базы второго управляющего транзистора, при этом второй вывод первичной обмотки силового трансформатора подключен к первому силовому выводу первого ключевого элемента, 1749970 а) Q

E с) г)

4

Составитель В. Уманский

Редактор B. Петраш Техред М.Моргентал Корректор В. Гирняк

Заказ 2600 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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