Устройство защиты от выбросов входного тока

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы ограничения перенапряжения на входе ИВЭ, возникающего при его включении. Техническим результатом, достигаемым в полезной модели, является ограничение входного пускового тока в момент включения ИВЭ до достижения заданного уровня входного напряжения преобразователя за счет применения компаратора напряжения. К преимуществам данного решения относится то, что огромная пиковая мощность, которая выделяется во время пуска ИВЭ, выделяется на пассивном элементе - резисторе R1, а транзистор VT1 включается и работает на значительно меньших, рабочих токах преобразователя напряжения.

Область техники

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы ограничения перенапряжения на входе ИВЭ, возникающего при его включении.

Уровень техники

Пусковой ток - это пиковый ток, возникающий в цепях ИВЭ при включении. Типовая кривая пускового тока показана на фиг. 1. На ней видны два пиковых скачка тока. Первый скачок пускового тока отмечается при включении источника входного напряжения. Такой пиковый ток протекает через входной конденсатор ИВЭ, заряжая его до уровня, необходимого для устойчивого режима работы. Второй скачок тока наблюдается при включении ИВЭ. Такой пиковый ток течет через силовой трансформатор ИВЭ и выходной конденсатор и, в свою очередь, заряжает их до необходимого для устойчивого режима работы уровня.

Первый пик тока часто называется пусковым током. Его пиковое значение и форма значительно зависят от мощности ИВЭ и времени включения входного напряжения.

Второй пик тока на фиг. 1 также является важной частью пускового тока. Этот скачок отмечается, когда ИВЭ заряжает выходной конденсатор и конденсатор нагрузки.

Для ограничения пускового тока на входе ИВЭ устанавливаются схемы с применением специальных пусковых резисторов. На фиг. 2 показана базовая схема ограничения скачка пускового тока. Последовательный пусковой резистор R1 ограничивает входной ток до момента достаточного заряда силовых конденсаторов ИВЭ. После заряда силовых конденсаторов ИВЭ реле S1 замыкается, и шунтирует пусковой резистор R1.

Другая распространенная схема изображена на фиг. 3. В ней в качестве пускового резистора используется МОП-транзистор VT1. При подаче входного напряжения питание на затвор транзистора VT1 подается через делитель R1, R2 и C1. Время включения транзистора VT1 ограничивается временем заряда конденсатора C1. Значения R1 и C1 подбираются так, чтобы время заряда конденсатора С1 было достаточным для ограничения пускового тока до требуемой величины. Напряжение на конденсаторе C1 подается на затвор транзистора VT1 и ограничивается стабилитроном VD1. Недостатком этой схемы является значительная пусковая мощность, выделяемая на транзисторе VT1.

Данная схема может быть изменена путем подключения транзистора VT1 к плюсу питающего провода. Питание может подаваться так же с помощью использования P-канального МОП-транзистора.

Применение принципа отключения цепи ограничения тока при достижении заданного уровня входного напряжения U_IN =U_INmin позволяет в мощных ИВЭ избежать самопроизвольного включения цепи ограничения тока в режимах короткого замыкания и ограничения выходного тока на выходе ИВЭ, импульсные токи в которых могут достигать значительных величин.

Известно устройство (патент US 5930130 «Inrush protection circuit» с датой приоритета от 29.09.1997 г., МПК H02H 7/125, H02M 5/42, G05F 1/10) в котором ограничение пускового тока производится с помощью пускового резистора 35, который подключен к цепи в течение времени заряда конденсатора 40 через резистор 38. В дальнейшем, когда на затвор транзистора 34 поступает напряжение достаточное для его открытия, ток начинает протекать через транзистор 34, минуя пусковой резистор 35.

Недостатком данного решения является нестабильность времени задержки при изменении температуры окружающей среды от -50°C до +125°C, что может привести к выгоранию транзистора 34 от пускового тока при раннем его включении.

Известно устройство (патент US 6094036 «Electrical power supply with low-loss inrush current limiter and step-up converter circuit», дата приоритета 05.12.1995 г., МПК G05F 1/52, H02H 7/10), в котором для ограничения пускового тока последовательно с входным конденсатором включен токоограничивающий элемент CL1 и в начальный момент времени заряд входного конденсатора C1 осуществляется через токоограничивающий элемент CL1.

Недостатком данного решения является то, что в режиме близкому к режиму короткого замыкания (режим запуска роторного двигателя или работа на большую емкостную нагрузку) импульсные токи, потребляемые ИВЭ, по величине, могут приближаться к значениям ограничения, что приведет к ложным срабатываниям ограничителя пускового тока CL1.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Сущность полезной модели

Цель - ограничение входного пускового тока в момент включения ИВЭ до достижения заданного уровня входного напряжения преобразователя достигается за счет того, что устройство защиты от выбросов входного тока (фиг. 4) содержит: первый транзистор (VT1), подключенный одним выводом через первый конденсатор (Cin) к положительной шине и через первый резистор (R1) к цепи возврата тока, другим выводом к цепи возврата тока, третьим выводом к цепи драйвера; последовательно соединенные между положительной шиной и цепью возврата тока второй (R6) и третий (R7) резисторы, причем цепь драйвера включает: второй транзистор (VT2), соединенный первым выводом с цепью питания (Ucc), через второй конденсатор (C1) с цепью возврата тока, через четвертый резистор (R3) со вторым выводом второго транзистора (VT2), третий вывод соединен с третьим выводом первого транзистора (VT1), через параллельно соединенные пятый резистор (R2) и третий конденсатор (C2) с цепью возврата тока, через последовательно соединенные диод (VD1) и шестой резистор (R5) с общей точкой соединения второго (R6) и третьего (R7) резисторов; микросхему (D1), подключенную одним выводом к цепи возврата тока, другим выводом: к общей точке соединения второго (R6), третьего (R7) и шестого (R5) резисторов, через четвертый конденсатор (C4) к цепи возврата тока, через пятый конденсатор (C3) к третьему выводу микросхемы (D1) и через седьмой резистор (R4) ко второму выводу второго транзистора (VT2).

В заявляемом устройстве защиты от выбросов входного тока (фиг. 4) реализован принцип ограничения входного тока до достижения напряжения на входе преобразователя напряжения минимально допустимого значения U_INmin, как в AC/DC ИВЭ (фиг. 5а), так и в DC/DC ИВЭ (фиг. 5б).

Работа устройства поясняется графиками, приведенными на фиг. 6а и 6б, где: U _R1 - напряжение на резисторе R1, I_VT1 - форма тока через транзистор VT1, I_IN - ток на входе корректора коэффициента мощности (ККМ), U_IN - напряжение на входе преобразователя, I_PFC - ток во время запуска ККМ и преобразователя напряжения.

При включении ИВЭ силовой конденсатор Cin заряжается током I_IN (кривая I_IN фиг. 6а), который проходит через пусковой резистор R1 (кривая U_R1 фиг. 6б), до тех пор, пока напряжение U_IN>U_INmin и на делителе R6, R7 напряжение не превысит порог внутреннего источника опорного напряжения компаратора напряжения D1. Компаратор напряжения D1 открывается, напряжение на базе транзистора VT2 уменьшается, транзистор VT2 открывается, напряжение на затворе транзистора VT1 увеличивается, что приводит к открыванию транзистора VT1 и шунтированию резистора R1. При открывании транзистора VT2, за счет положительной обратной связи через VD1 и R5, напряжение на входе компаратора напряжения D1 резко повышается, что приводит к более резкому включению компаратора напряжения D1, транзисторов VT2 и VT1.

Цепь VD1, R5 и R7 обеспечивает гистерезис и совместно с конденсаторами C3, C4 уменьшают вероятность «дребезга» при включении и выключении компаратора напряжения D1. Конденсатор C1 шунтирует схему по питанию Ucc, конденсатор C2 регулирует скорость включения транзистора VT1.

Напряжение U_INmin (фиг. 6а), при котором открывается транзистор VT1, выбирается из следующих условий:

- U_INmin должен быть меньше минимального напряжения, при котором включается преобразователь напряжения и корректор коэффициента мощности;

- U_INmin выбирается таким, при котором U_R1 <<R_VT1·I_VT1max,

где: U_R1 - напряжение на резисторе R1 в момент включения транзистора VT1, R_VT1 - сопротивление транзистора VT1 в насыщенном режиме, I_VT1max - максимальный импульсный ток транзистора VT1, который должен быть в 1020 раз больше входного импульсного тока преобразователя напряжения.

Скорость нарастания напряжения на входе преобразователя напряжения зависит от величины сопротивления R1 и должна обеспечивать требуемое время включения ИВЭ (t1+t2). В то же самое время, после включения VT1 нужна пауза (t2) до включения корректора коэффициента мощности и преобразователя напряжения. Изменяя величину резистора R1, изменяют время t1 и в итоге - время включения ИВЭ.

За счет применения в устройстве защиты от выбросов входного тока компаратора напряжения D1, достигаются следующие результаты:

- хорошая стабильность включения по напряжению U_INmin в широком температурном диапазоне окружающей среды от минус 50°C до +125°C, чем гарантируется надежность работы устройства защиты;

- отсутствуют ложные срабатывания при работе ИВЭ в режиме близкому к режиму короткого замыкания (режим запуска роторного двигателя или работа на большую емкостную нагрузку).

В результате проведенных экспериментов было установлено, что для AC/DC ИВЭ мощностью 3000 Вт значение напряжения U _INmin - соответствует 75 В, время включения ИВЭ не превышает 0,8 с и пиковая мощность, которая в момент пуска выделяется в виде тепла на резисторе R1 составляет 170 Вт в течении 100 мс. Резистор R1 был выбран мощностью 50 Вт в корпусе ТО-247, который установлен на общее с ИВЭ основание.

Преимуществом данного устройства является то, что огромная пиковая мощность, которая выделяется во время пуска ИВЭ, выделяется на пассивном элементе - резисторе R1, а транзистор VT1 включается и работает на значительно меньших, рабочих токах преобразователя напряжения.

Устройство защиты от выбросов входного тока, содержащее первый транзистор, подключенный одним выводом через первый конденсатор к положительной шине и через первый резистор - к цепи возврата тока, другим выводом - к цепи возврата тока, третьим выводом - к цепи драйвера; последовательно соединенные между положительной шиной и цепью возврата тока второй и третий резисторы, отличающееся тем, что цепь драйвера включает: второй транзистор, соединенный первым выводом с цепью питания, через второй конденсатор - с цепью возврата тока и через четвертый резистор - со вторым выводом второго транзистора, третий вывод соединен с третьим выводом первого транзистора, через параллельно соединенные пятый резистор и третий конденсатор - с цепью возврата тока, через последовательно соединенные диод и шестой резистор - с общей точкой соединения второго и третьего резисторов; микросхему, подключенную одним выводом к цепи возврата тока, другим выводом - к общей точке соединения второго, третьего и шестого резисторов, через четвертый конденсатор - к цепи возврата тока, через пятый конденсатор - к третьему выводу микросхемы и через седьмой резистор - ко второму выводу второго транзистора.