источник питания с защитой от перегрузок

Формула изобретения

1. Источник питания с защитой от перегрузок, содержащий входной преобразователь переменного тока в постоянный ток, входы которого подключены к входным клеммам источника питания, а выходы через последовательно соединенные усилитель мощности, выходной трансформатор и выпрямитель подключены к входам сглаживающего фильтра, первый выход которого подключен к первому выходному выводу источника питания и первому входу блока управления, второй выход через датчик тока подключен к второму выходному выводу источника питания и второму входу блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами усилителя мощности, а третий вход через диод подключен к выходу усилителя сигнала ошибки, первый и второй входы которого соединены с выходами датчика тока, согласующее устройство, вход которого подключен к первому выходному выводу источника, и источник опорного напряжения, отличающийся тем, что в источник питания с защитой от перегрузок введены аналоговый компаратор, входы которого подключены к выходам датчика тока, устройство задержки времени, входы которого соединены с выходами аналогового компаратора, и аналоговый переключатель напряжения, первый сигнальный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, второй сигнальный вход подключен к выходу согласующего устройства, управляющий вход соединен с выходом устройства задержки, а выход подключен к третьему входу усилителя сигнала ошибки.

2. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что входной преобразователь переменного тока в постоянный ток содержит трехфазный выпрямитель, входы которого являются входами преобразователя переменного тока в постоянный ток, а выходы через терморезистор ограничения пускового тока соединены со входами LC-фильтра, выходы которого являются выходами преобразователя переменного тока в постоянный ток.

3. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что аналоговый переключатель напряжения содержит первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены между собой и являются первым сигнальным входом аналогового переключателя, второй вывод первого резистора соединен с сигнальным входом аналогового коммутатора, выход которого подключен к второму выводу второго резистора, первому выводу третьего резистора и является вторым сигнальным входом и одновременно выходом аналогового переключателя, причем второй вывод третьего резистора является вторым входом-выходом аналогового переключателя, а управляющий вход аналогового коммутатора является управляющим входом аналогового переключателя напряжения.

4. Источник питания по п. 1, отличающийся тем, что усилитель мощности содержит мостовой усилитель на четырех транзисторах, выводы первой диагонали которого являются входами усилителя мощности, выводы второй диагонали являются выходами усилителя мощности, входы транзисторов подключены к выходам драйверов управления, причем входы первого и четвертого драйверов соединены между собой и являются первым управляющим входом усилителя мощности, а входы второго и третьего драйверов соединены между собой и являются вторым управляющим входом усилителя мощности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания, и может быть использовано в системах питания устройств автоматики и вычислительной техники.

Известен преобразователь напряжения с защитой от перегрузок, содержащий блок управления, усилитель мощности, на вход которого подключены последовательно соединенные первичные обмотки трансформатора тока и выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через силовой выпрямитель и фильтр соединена с выходным выводом и через цепь обратной связи - с управляющим входом блока управления, второй вход которого подсоединен к источнику опорного напряжения, и транзистор, эмиттер которого соединен с общим выводом преобразователя, база через резистор и дополнительный выпрямитель - с вторичной обмоткой трансформатора тока, шунтированной нагрузочным резистором, а коллектор через токозадающий резистор соединен с выходным выводом преобразователя и через диод - с управляющим входом блока управления [1].

Недостатком указанного устройства является возрастание тока по вторичной обмотке выходного трансформатора в режиме, близком к короткому замыканию до величины, в 1,5-2 раза превышающей его номинальное значение. Объясняется это тем, что канал ограничения выходного тока работает в следящем режиме и не обеспечивает полного ограничения выходного тока вследствие конечного коэффициента усиления системы стабилизации.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является преобразователь постоянного напряжения с защитой от перегрузок, содержащий блок управления, усилитель мощности, на вход которого подключены последовательно соединенные датчик тока и первичная обмотка выходного трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель и фильтр соединена с выходным выводом и через цепь обратной связи с управляющим входом блока управления, второй вход которого подсоединен к источнику опорного напряжения, и усилитель сигнала рассогласования цепи ограничения выходного тока, вход которого через выпрямитель и RC-фильтр соединен с выходом датчика тока и через корректирующий резистор - к выходному выводу преобразователя, а выход усилителя через диод подключен к управляющему входу преобразователя [2].

Известное устройство обеспечивает надежную защиту источников питания, построенных на основе известного преобразователя постоянного напряжения, от перегрузки и короткого замыкания, но имеет только один порог ее срабатывания, что ограничивает его использование. Наличие более одного порога срабатывания защиты от перегрузки в источниках питания требуется в тех случаях, когда источник питания, рассчитанный по тепловой мощности на определенную (номинальную) выходную мощность, вынужден обеспечивать пусковые токи, которые могут в 1,5-3 раза превышать номинальное значение. В этом случае необходимо иметь один порог срабатывания защиты от перегрузки, рассчитанный на пусковую мощность, но имеющий ограниченное время работы, и второй порог срабатывания защиты от перегрузки, рассчитанный на работу в номинальном режиме в течение неограниченного времени работы. Увеличение допустимой тепловой мощности источника питания до величины, обеспечивающей его работу в режиме пускового тока, неограниченное время приводит к неоправданному увеличению габаритов и массы устройства, что особенно сказывается при больших выходных мощностях источника питания (более 5-10 кВт).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в источник питания с защитой от перегрузок, содержащий входной преобразователь переменного тока в постоянный ток, входы которого подключены ко входным клеммам источника питания, а выходы через последовательно соединенные усилитель мощности, выходной трансформатор и выпрямитель подключены ко входам сглаживающего фильтра, первый выход которого подключен к первому выходному выводу источника питания и первому входу блока управления, второй выход через датчик тока подключен ко второму выходному выводу источника питания и второму входу блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами усилителя мощности, а третий вход которого через диод подключен к выходу усилителя сигнала рассогласования цепи ограничения выходного тока источника питания, первый и второй входы которого соединены с выходами датчика тока, согласующую цепь, вход которой подключен к первому выходному выводу источника питания, и источник опорного напряжения, введены аналоговый компаратор, входы которого подключены к выходам датчика тока, устройство задержки времени, входы которого соединены с выходами аналогового компаратора, и аналоговый переключатель напряжения, первый сигнальный вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, второй сигнальный вход подключен к выходу согласующей цепи, управляющий вход соединен с выходом устройства задержки, а выход подключен ко входу усилителя сигнала рассогласования цепи ограничения выходного тока источника питания.

В состав входного преобразователя переменного тока в постоянный ток входит трехфазный выпрямитель, входы которого являются входами преобразователя, а выходы через терморезистор соединены со входами LC-фильтра, выходы которого являются выходами преобразователя.

В состав аналогового переключателя напряжения входит первый и второй резистор, первые выводы которых соединены между собой и являются первым сигнальным входом аналогового переключателя, второй вывод первого резистора соединен с сигнальным входом аналогового коммутатора, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, первому выводу третьего резистора и является вторым сигнальным входом и одновременно выходом аналогового переключателя, причем второй вывод третьего резистора является вторым входом - выходом аналогового переключателя, а управляющий вход аналогового коммутатора является управляющим входом аналогового переключателя.

В состав усилителя мощности входит мостовой усилитель на четырех транзисторах, выводы первой диагонали которого являются входами усилителя мощности, выводы второй диагонали являются выходами усилителя мощности, входы транзисторов подключены к выходам драйверов управления, причем входы первого и четвертого драйверов соединены между собой и являются первым управляющим входом усилителя мощности, а входы второго и третьего драйверов соединены между собой и являются вторым управляющим входом усилителя мощности.

Предложенное техническое решение позволяет за счет использования двух порогов обеспечить надежную защиту источника питания от перегрузки и короткого замыкания как в режиме пусковых токов, так и в номинальном режиме, при этом не требуется увеличивать массо-габаритные характеристики источника питания, что снижает стоимость изготовления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема источника питания; на фиг.2 - электрическая схема входного преобразователя переменного тока в постоянный ток; на фиг.3 - электрическая схема аналогового переключателя напряжения; на фиг.4 - электрическая схема усилителя мощности.

Источник питания с защитой от перегрузок содержит входной преобразователь 1 переменного тока в постоянный ток, входы 2, 3, 4 которого являются входами источника питания. Выходы входного преобразователя 1 подключены к силовым входам усилителя мощности 5, выходы которого через выходной трансформатор 6 и выпрямитель 7 соединены со входами сглаживающего фильтра 8. Первый выход сглаживающего фильтра подключен к первому выводу 9 источника питания, а второй вывод сглаживающего фильтра через датчик тока 10 соединен со вторым выводом 11 источника питания. Выводы 9, 11 источника питания подключены к первому и второму входам блока 12 управления. Выходы блока управления соединены с управляющими входами усилителя 5 мощности. Выходы датчика 10 тока подключены ко входам аналогового компаратора 13 и к первому и второму входам усилителя 14 сигнала ошибки. Выходы аналогового компаратора 13 через устройство 15 задержки соединены с управляющим входом аналогового переключателя 16 напряжения, первый сигнальный вход которого подключен к выходу источника 17 опорного напряжения, второй сигнальный вход через согласующее устройство 18 соединен с первым выводом 9 источника питания, а выход подключен к третьему входу усилителя 14 сигнала ошибки, выход которого через диод 19 соединен с третьим входом блока 12 управления.

В состав входного преобразователя 1 переменного тока в постоянный ток входят последовательно соединенные трехфазный выпрямитель 20, входы которого являются входами преобразователя переменного тока в постоянный ток, терморезистор 21 и LC-фильтр 22, выходы которого являются выходами преобразователя переменного тока в постоянный ток.

В состав аналогового переключателя 16 напряжения входят первый резистор 23 и второй резистор 24, первые выводы которых соединены между собой и являются первым сигнальным входом аналогового переключателя, второй вывод первого резистора соединен с сигнальным входом аналогового коммутатора 25, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и с первым выводом третьего резистора 26 и является вторым сигнальным входом и одновременно выходом аналогового переключателя, а управляющий вход аналогового коммутатора является управляющим входом аналогового переключателя напряжения.

В состав усилителя 5 мощности входят мостовой усилитель мощности на транзисторах 27...30, первый драйвер 31 управления, второй драйвер 32 управления, третий драйвер 33 управления и четвертый драйвер 34 управления.

Устройство работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на входные клеммы 2...4 источника питания переменное напряжение первичной сети выпрямляется трехфазным выпрямителем 20 входного преобразователя 1 переменного тока в постоянный ток, фильтруется LC-фильтром 22 и поступает на входы усилителя 5 мощности, входы транзисторов 27...30 которого соединены с выходами драйверов 31...34 управления, в качестве которых широкое применение нашли специализированные оптоэлектронные микросхемы, например, типа HCPL-315, HCPL-316. Входы драйверов управления (первый и четвертый, второй и третий) соединены попарно и подключены к выходам блока 12 управления. Терморезистор 21, установленный между трехфазным выпрямителем и LC-фильтром, предназначен для ограничения входного пускового источника питания и имеет отрицательную температурную характеристику.

В холодном состоянии сопротивление терморезистора велико и может составлять единицы и даже десятки ом. За счет большого начального сопротивления терморезистора пусковой (ток заряда конденсатора LC-фильтра 21) ограничивается, что уменьшает нагрузку на первичную сеть. После разогрева терморезистора рабочим током источника питания его сопротивление резко (в десятки раз) уменьшается, в результате чего его влияние на мощностные характеристики источника питания практически исключается.

При отсутствии на выходе источника питания перегрузки или короткого замыкания блок 12 управления производит постоянный контроль величины выходного напряжения источника питания на выходных выводах 9, 11 и сравнение его с напряжением внутреннего источника опорного напряжения. Усиленная разность этих напряжений преобразуется в импульсы напряжения с переменной скважностью, изменяющихся по закону ШИМ или любому другому с целью постоянного поддержания выходного напряжения в допустимых пределах.

Импульсы с переменной скважностью с выходов блока 12 управления поступают на управляющие входы усилителя 5 мощности, где они усиливаются по мощности и при необходимости по напряжению. Переменное двухполярное напряжение прямоугольной формы с переменной скважностью через выходной трансформатор 6 поступает на выпрямитель 7 и сглаживающий фильтр 8, где происходит выделение постоянной составляющей напряжения, которая подается на выходные выводы 9, 11.

Напряжение, пропорциональное току нагрузки, снимается с датчика 10 тока и поступает на входы усилителя 14 сигнала ошибки канала перегрузки и входы аналогового компаратора 13. При отсутствии перегрузки или короткого замыкания выходы усилителя 14 сигнала ошибки и аналогового компаратора находятся в неактивном состоянии и не оказывают влияние на функционирование узлов источника питания.

Рассмотрим два режима работы источника питания: в режиме перегрузки и в режиме короткого замыкания.

В режиме перегрузки, т.е. при выходном токе источника питания, больше номинального значения, но меньше или равном пусковому току напряжением с датчика 10 тока, происходит запуск аналогового компаратора 13. Своим выходным сигналом он запускает устройство 15 задержки. Если период воздействия перегрузки по току на выходе источника питания не превышает заданного при настройке времени срабатывания устройства 15 задержки, то нормально замкнутый контакт аналогового коммутатора 25 аналогового переключателя 16 напряжения остается в замкнутом состоянии, т.к. на выходе устройства 15 задержки на появляется управляющий сигнал. Напряжение опорного сигнала на третьем входе усилителя 14 сигнала ошибки превышает уровень его срабатывания и усилитель 14 сигнала ошибки остается в неактивном состоянии.

Если период воздействия перегрузки по току превышает время срабатывания устройства 15 задержки, то контакт аналогового коммутатора 25 аналогового переключателя 16 напряжения размыкается, уровень сигнала опорного напряжения на входе усилителя 14 сигнала ошибки понижается и усилитель 14 переходит в активный режим. Своим выходным напряжением через диод 19 он управляет блоком 12 управления таким образом, что ограничивает ток источника питания на уровне, соответствующем его номинальному значению. Такой режим удерживается до момента снижения величины тока нагрузки до значения равного или меньше номинального.

В режиме короткого замыкания, то есть при токе нагрузки источника питания больше пускового тока, напряжение, снимаемое с датчика 10 тока, превышает уровень опорного напряжения на третьем входе усилителя 14 сигнала ошибки канала перегрузки, несмотря на замкнутое состояние контакта аналогового коммутатора 25 аналогового переключателя 16 напряжения. Усилитель 14 сигнала ошибки переходит в активный режим работы и своим выходным напряжением через диод 19 управляет блоком 12 управления таким образом, что ограничивает ток источника питания на уровне, соответствующем его пусковому значению.

Одновременно происходит срабатывание аналогового коммутатора 13, который запускает устройство 15 задержки. Через время, задаваемое внутренней схемой устройства 15 задержки, на его выходе появляется управляющий сигнал, который размыкает контакт аналогового коммутатора 25 аналогового переключателя 16, тем самым снижая уровень опорного напряжения на третьем входе усилителя 14 сигнала ошибки. Блок 12 управления переходит в режим ограничения тока в режиме номинального значения, при котором время его непрерывной работы не ограничивается, т. к. тепловые режимы источника питания рассчитываются именно на такой режим. После снятия режима короткого замыкания источник питания возвращается в исходное состояние, т.е. в режим стабилизации выходного напряжения.

Согласующая цепь 18 позволяет получить спадающую нагрузочную характеристику источника питания в режиме короткого замыкания, что снижает токи через узлы источника питания и облегчает рабочие режимы элементов устройства.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 329630, кл. Н 02 М 3/335, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР 1019541, кл. Н 02 М 3/335, 1983.