Источник питания с защитой от перегрузки

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке стабилизированных источников вторичного электропитания с ограничением тока нагрузки и защитой от перегрузок и коротких замыканий. Источник питания с защитой от перегрузки содержит входные клеммы, соединенные со входами усилителя мощности, выход которого через первичную обмотку трансформатора тока подключен к первичной обмотке силового трансформатора, крайние выводы вторичной обмотки которого соединены со входом силового выпрямителя, сглаживающий фильтр, входы которого подключены к выходам силового выпрямителя, выходы сглаживающего фильтра соединены с выходными клеммами и с крайними выводами делителя напряжения, средний вывод делителя напряжения подключен к первому управляющему входу узла управления, первый выход которого соединен с первым управляющим входом усилителя мощности, а второй выход - со вторым управляющим входом усилителя мощности. Крайние выводы вторичной обмотки трансформатора тока соединены с нагрузочным резистором и входами выпрямителя, а средний вывод - со второй выходной клеммой. Выход выпрямителя через фильтрующую цепь и резистор подключены к первому входу усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки и первому выводу резистора. Второй вход усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через диод подключен ко второму управляющему входу узла управления. Второй вывод резистора через стабилитрон соединен с движком потенциометра, крайние выводы которого подключены к выводу изолирующего усилителя 22, вход которого через входной делитель напряжения соединен с входными клеммами. Технический результат - повышение надежности защиты. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке стабилизированных источников вторичного электропитания с ограничением тока нагрузки и защитой от перегрузок и коротких замыканий.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий задающий генератор, генератор пилообразного напряжения, компаратор, усилитель мощности, выпрямитель, фильтр, цепь обратной связи, делитель частоты и два селектора [1].

Недостатком указанного преобразователя является отсутствие режима ограничения тока при перегрузках.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий узел управления с широтно-импульсным модулятором, подключенный к входу усилителя мощности, выход которого соединен с первичной обмоткой выходного трансформатора через первичную обмотку трансформатора тока, причем вторичная обмотка последнего зашунтирована резистором и соединена с выпрямителем, выходом подключенным к входу инвертирующего усилителя на транзисторе, выход которого подключен параллельно опорному элементу со стабилизатором тока и одному из входов узла управления, вторым входом подключенным к выходному выпрямителю с фильтром [2].

Известный преобразователь позволяет обеспечить защиту устройства от перегрузок и короткого замыкания, но имеет существенный недостаток, который заключается в измерении тока нагрузки на входе преобразователя. Как известно, входной ток преобразователя напряжения в режиме стабилизации выходного напряжения задается следующим выражением

где

Рн = выходная мощность преобразователя;

η = коэффициент полезного действия преобразователя;

Uвх = входное напряжение преобразователя, откуда следует, что входной ток преобразователя в режиме стабилизации обратно пропорционален входному напряжению. К примеру, при увеличении входного напряжения в два раза в два раза уменьшается входной ток. Это приводит к изменению порога срабатывания защиты от перегрузки в два раза, что, в общем случае, является недопустимым, так как может привести к перегрузке силовых элементов преобразователя и выходу его из строя.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в источник питания с защитой от перегрузки, содержащий усилитель мощности, входы которого соединены со входными клеммами, а выход через первичную обмотку трансформатора тока подключен к первичной обмотке силового трансформатора, крайние выводы вторичной обмотки которого соединены со входом силового выпрямителя, первый выход которого через сглаживающий фильтр подключен к первой выходной клемме, а второй выход соединен со второй выходной клеммой, выходные клеммы подключены к крайним выводам делителя напряжения, причем средний вывод делителя напряжения подключен к первому управляющему входу узла управления, второй управляющий вход которого через диод соединен с выходом усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки, первый вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, средний вывод вторичной обмотки трансформатора тока соединен со второй выходной клеммой, а крайние выводы подключены к нагрузочному резистору и входам выпрямителя, выход которого соединен со входом фильтрующей цепи, причем первый выход узла управления соединен с первым управляющим входом усилителя мощности, а второй выход - со вторым управляющим входом усилителя мощности, введены входной делитель напряжения, изолирующий усилитель, потенциометр, стабилитрон и два резистора, причем первый вывод первого резистора соединен с выходом фильтрующей цепи, а второй его вывод подключен ко второму входу усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки и первому выводу второго резистора, второй вывод которого через стабилитрон соединен с движком потенциометра, первый крайний вывод которого подключен ко второй выходной клемме и первому выводу изолирующего усилителя, второй крайний вывод соединен со вторым выводом изолирующего усилителя, вход которого подключен к средней точке входного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены со входными клеммами.

В состав усилителя мощности входит мостовой преобразователь напряжения на транзисторах, первая диагональ мостового преобразователя соединена со входами усилителя мощности, вторая диагональ мостового преобразователя через развязывающий конденсатор соединена с выходами усилителя мощности, а управляющие входы транзисторов мостового преобразователя через драйверы управления соединены с управляющими входами усилителя мощности.

В состав узла управления входит задающий генератор, выход которого соединен со входом генератора пилообразного напряжения и входом триггера, выходы которого подключены к первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а второй вход подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, входы которого являются управляющими входами узла управления, причем второй вход усилителя сигнала рассогласования через резистор соединен с выходом источника опорного напряжения, а выходы селекторов являются выходами узла управления.

Предложенное техническое решение позволяет значительно уменьшить влияние входного напряжения на порог срабатывания схемы защиты стабилизированного преобразователя от перегрузки.

На фиг.1 приведена функциональная схема источника питания с защитой от перегрузки, на фиг.2 - временные диаграммы сигналов в различных точках устройства, на фиг.3 - графики зависимости входного напряжения усилителя сигнала ошибки канала защиты от изменения входного напряжения источника питания.

Источник питания с защитой от перегрузки содержит входные клеммы 1 и 2, соединенные со входами усилителя 3 мощности, выход которого через первичную обмотку трансформатора 4 тока подключен к первичной обмотке силового трансформатора 5, крайние выводы вторичной обмотки которого соединены со входом силового выпрямителя 6, сглаживающий фильтр 7, входы которого подключены к выходам силового выпрямителя 6, выходы сглаживающего фильтра 7 соединены с выходными клеммами 8 и 9 и с крайними выводами делителя 10 напряжения, средний вывод делителя 10 напряжения подключен к первому управляющему входу узла 11 управления, первый выход которого соединен с первым управляющим входом усилителя 3 мощности, а второй выход - со вторым управляющим входом усилителя 3 мощности. Крайние выводы вторичной обмотки трансформатора 4 тока соединены с нагрузочным резистором 12 и входами выпрямителя 13, а средний вывод - со второй выходной клеммой 9. Выход выпрямителя 13 через фильтрующую цепь 14 и резистор 15 подключены к первому входу усилителя 16 сигнала ошибки канала защиты от перегрузки и первому выводу резистора 17. Второй вход усилителя 16 сигнала ошибки канала защиты от перегрузки соединен с выходом источника 18 опорного напряжения, а выход через диод 19 подключен ко второму управляющему входу узла 11 управления. Второй вывод резистора 17 через стабилитрон 20 соединен с движком потенциометра 21, крайние выводы которого подключен к выходу изолирующего усилителя 22, вход которого через входной делитель 23 напряжения соединен с входными клеммами 1 и 2.

В состав усилителя 3 мощности канала резервированного источника питания постоянного напряжения входит мостовой преобразователь напряжения на транзисторах 24...27, первая диагональ мостового преобразователя соединена со входами усилителя мощности, вторая диагональ мостового преобразователя через развязывающий конденсатор 28 соединена с выходами усилителя мощности, а управляющие входы транзисторов мостового преобразователя через драйверы 29 и 30 управления соединены с управляющими входами усилителя мощности.

В состав узла 11 управления входит задающий генератор 31, выход которого соединен со входом генератора 32 пилообразного напряжения и входом триггера 33, выходы которого подключены к первым входам селекторов 34 и 35, вторые входы которых соединены с выходом компаратора 36, первый вход которого соединен с выходом генератора 32 пилообразного напряжения, а второй вход подключен к выходу усилителя 37 сигнала рассогласования, входы которого являются управляющими входами узла управления, причем второй вход усилителя сигнала рассогласования через резистор 38 соединен с выходом источника 39 опорного напряжения, а выходы селекторов являются выходами узла управления.

На временных диаграммах фиг.2 приведены сигналы в следующих контрольных точках:

- диаграмма 40 - выходной сигнал задающего генератора 31;

- диаграмма 41 - сигналы на входах компаратора 36;

- диаграмма 42 - сигнал на первом выходе триггера 33;

- диаграмма 43 - сигнал на втором выходе триггера 33;

- диаграмма 44 - сигнал на выходе селектора 34;

- диаграмма 45 - сигнал на выходе селектора 35;

- диаграмма 46 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 5.

Устройство работает следующим образом. При подаче первичного питания на входные клеммы 1 и 2 входное напряжение поступает на входы усилителя 3 мощности и на узел управления 11. Задающий генератор 31 узла 11 управления начинает формировать прямоугольные импульсы положительной полярности (диаграмма 40, фиг.2), частота которых равна удвоенной частоте преобразования усилителя 3 мощности. Импульсы положительной полярности с выхода задающего генератора 31 поступают на вход счетного триггера 33 и вход генератора 32 пилообразного напряжения. На выходе генератора 32 формируются однополярные импульсы пилообразной формы с частотой задающего генератора 31 (диаграмма 41, фиг.2), а на выходах триггера 33 появляются прямоугольные импульсы типа “меандр”, частота которых равна частоте преобразования усилителя 3 мощности (диаграммы 42 и 43, фиг.2). Фаза импульсов на первом выходе триггера 33 равна 0 градусов, фаза импульсов на втором выходе триггера 33 равна 180 градусов. Пилообразные импульсы, формируемые генератором 32 пилообразного напряжения, сравниваются на входе компаратора 36 с сигналом рассогласования усилителя 37 сигнала рассогласования, в результате чего на выходе компаратора 36 образуются прямоугольные импульсы положительной полярности, длительность которых определяется результатами сравнения опорного напряжения источника 39 опорного напряжения и напряжения обратной связи, снимаемого со средней точки делителя напряжения 10. Выходные импульсы компаратора 36 разделяются на два канала с фазами 0 и 180 градусов селекторами 34 и 35 (диаграммы 44 и 45, фиг.2), управляемых триггером 33, и поступают на управляющие входы усилителя 3 мощности. Дальнейшее преобразование импульсов управления в усилителе 3 мощности осуществляется драйверами 29 и 30 управления. Драйверы 29 и 30 управления предназначены для преобразования маломощных входных импульсов усилителя мощности в мощные сигналы управления транзисторами 24...27 и передачи этих сигналов на входы взвешенных транзисторов 24 и 27. Подобные драйверы управления являются типовыми и выпускаются в виде законченных устройств известными фирмами, например Motorola, International Rectifier, SGS Thomson. В качестве примера можно привести микросхемы IR2110, IR2113, HCPL315, HCPL316J. Преобразованные драйверами 29 и 30 управления сигналы поочередно открывают либо транзисторы 24 и 27, либо транзисторы 25 и 26. При этом на первичной обмотке трансформатора 5 наводится переменное прямоугольное напряжение с амплитудой напряжения питания и скважностью прямоугольных импульсов, определяемых узлом 11 управления. Прямоугольное напряжение необходимой амплитуды, определяемое коэффициентом трансформации трансформатора 5 (диаграмма 46, фиг.2), выпрямляется силовым выпрямителем 6 и фильтруется сглаживающим фильтром 7. Постоянное стабилизированное напряжение с выхода сглаживающего фильтра 7 поступает на выходные клеммы 8 и 9 источника питания.

Рассмотрим работу источника питания в динамическом режиме. Предположим выходное напряжение канала в результате воздействия внешних факторов снизилось, в результате чего снизилось и напряжение, снимаемое со средней точки делителя напряжения 10, т.е. стало ниже напряжения уставки источника 39 опорного напряжения. На входах усилителя 37 появляется сигнал рассогласования, в результате чего его выходное напряжение увеличивается, что приводит к увеличению длительности прямоугольных импульсов на выходе компаратора 36, а следовательно, и на управляющих входах усилителя 3 мощности. Выходное напряжение источника питания увеличивается и становится равным номинальному. Аналогично система стабилизации источника питания действует в динамическом режиме и при повышении выходного напряжения.

Канал защиты от перегрузки устройства работает следующим образом. Источник 18 опорного напряжения, подключенный ко второму входу усилителя 16 сигнала ошибки, задает уровень напряжения, относительно которого происходит контроль наличия или отсутствия режима перегрузки на выходе источника питания. При отсутствии перегрузки выходной сигнал на вторичной обмотке трансформатора 4 тока мал и после выпрямления выпрямителем 13 и фильтрации цепью 14 он не превышает величины напряжения источника 18 опорного напряжения, в результате чего усилитель 16 сигнала ошибки заперт и его высокий уровень выходного сигнала отсекается диодом 19. Канал защиты от перегрузки находится в неактивном состоянии и не оказывает влияния на работу устройства.

При возникновении перегрузки на выходе источника питания сигнал, снимаемый со вторичной обмотки трансформатора 4 тока увеличивается. После выпрямления выпрямителем 13 и фильтрации цепью 14 он становится больше, чем выходное напряжение источника 18 опорного напряжения, в результате чего усилитель 16 сигнала ошибки канала защиты от перегрузки переходит в активный режим и его выходное напряжение снижается. Снижение выходного напряжения усилителя 16 сигнала ошибки происходит до тех пор, пока не открывается диод 19. Открытый диод 19 шунтирует второй вход усилителя 37 сигнала рассогласования узла 11 управления, снижая величину напряжения на этом входе. Снижение напряжения на втором входе усилителя 37 сигнала рассогласования приводит к такому изменению его выходного напряжения, при котором длительность импульсов на выходах селекторов 34 и 35 уменьшается, вследствие чего уменьшается и длительность импульсов на вторичной обмотке силового трансформатора 5. Выходное напряжение источника питания снижается, что приводит к снижению выходного тока устройства до допустимого значения, то есть источник питания переходит в режим стабилизатора тока.

Для снижения дополнительной погрешности, вызванной изменением входного напряжения источника питания, на первый вход усилителя 16 сигнала ошибки, кроме выходного сигнала с трансформатора 4 тока подается компенсирующий сигнал с изолирующего усилителя 22. Изолирующий усилитель 22 служит для гальванической развязки между входом источника питания (клеммы 1 и 2) и выходом источника питания (клеммы 8 и 9) и для передачи информации о величине входного напряжения устройства во вторичную цепь и, в общем случае, представляет собой готовый функциональный узел в виде микросхемы, например, типа HCPL7840 фирмы SGS Thomson. Пренебрегая в первом приближении падением напряжения на диодах выпрямителя 13 и учитывая, что величина сопротивления потенциометра 21 и резисторов фильтрующей цепи 14 значительно меньше величины сопротивления резисторов 15 и 17, можно получить следующее выражение для входного напряжения на первом входе усилителя 16 сигнала ошибки:

где U1 - напряжение на первом входе усилителя 16 сигнала ошибки;

Рн - выходная мощность источника питания в диапазоне стабилизации;

η - КПД источника питания;

К4 - коэффициент передачи трансформатора 4 тока;

К23 - коэффициент передачи входного делителя напряжения 23;

К22 - коэффициент передачи изолирующего усилителя 22;

К21 - коэффициент передачи потенциометра 21;

R12 - сопротивление резистора 12;

R15 - сопротивление резистора 15;

R17 - сопротивление резистора 17;

R16 - входное сопротивление усилителя сигнала ошибки 16;

Uвx - входное напряжение источника питания;

U20 - падение напряжения на стабилитроне 20.

Стабилитрон 20 предназначен для отсечки интервала входного напряжения источника питания, при котором у источника питания отсутствует стабилизация выходного напряжения, т.е. диапазона Uвx=0-U0.

Примем, что рабочим диапазоном источника питания в режиме стабилизации является диапазон Uвx=U0-2U0. Путем соответствующего подбора элементов, исходя из вышеприведенного выражения, можно обеспечить нулевую ошибку на концах диапазона (см. фиг.3). Расчеты показывают, что максимальная погрешность в этом случае составляет ±3% при Uвx=1,5U0. Такая погрешность является вполне допустимой и позволяет оптимизировать массогабаритные характеристики источника питания и повысить его надежность.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №568124, кл. Н 02 М 3/335, 1976.

2. Моин B.C., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. “Энергия”, 1972, с.426, рис.11-8.

1. Источник питания с защитой от перегрузки, содержащий усилитель мощности, входы которого соединены со входными клеммами, а выход через первичную обмотку трансформатора тока подключен к первичной обмотке силового трансформатора, крайние выводы вторичной обмотки которого соединены со входом силового выпрямителя, первый выход которого через сглаживающий фильтр подключен к первой выходной клемме, а второй выход соединен со второй выходной клеммой, выходные клеммы подключены к крайним выводам делителя напряжения, причем средний вывод делителя напряжения подключен к первому управляющему входу узла управления, второй управляющий вход которого через диод соединен с выходом усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки, первый вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, средний вывод вторичной обмотки трансформатора тока соединен со второй выходной клеммой, а крайние выводы подключены к нагрузочному резистору и входам выпрямителя, выход которого соединены со входом фильтрующей цепи, причем первый выход узла управления соединен с первым управляющим входом усилителя мощности, а второй выход - со вторым управляющим входом усилителя мощности, отличающийся тем, что в источник питания введены входной делитель напряжения, изолирующий усилитель, потенциометр, стабилитрон и два резистора, причем первый вывод первого резистора соединен с выходом фильтрующей цепи, а второй его вывод подключен ко второму входу усилителя сигнала ошибки канала защиты от перегрузки и первому выводу второго резистора, второй вывод которого через стабилитрон соединен с движком потенциометра, первый крайний вывод которого подключен ко второй выходной клемме и первому выводу изолирующего усилителя, второй крайний вывод соединен со вторым выводом изолирующего усилителя, вход которого подключен к средней точке входного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены со входными клеммами.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что в состав усилителя мощности входит мостовой преобразователь напряжения на транзисторах, первая диагональ мостового преобразователя соединена со входами усилителя мощности, вторая диагональ мостового преобразователя через развязывающий конденсатор соединена с выходами усилителя мощности, а управляющие входы транзисторов мостового преобразователя через драйверы управления соединены с управляющими входами усилителя мощности.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что в состав узла управления входит задающий генератор, выход которого соединен со входом генератора пилообразного напряжения и входом триггера, выходы которого подключены к первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а второй вход подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования, входы которого являются управляющими входами узла управления, причем второй вход усилителя сигнала рассогласования через резистор соединен с выходом источника опорного напряжения, а выходы селекторов являются выходами узла управления.