КОММУТАТОР ЦЕПИ ПИТАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Данное изобретение относится к области электрической и электронной автоматики и может быть использовано в системах управления для коммутации цепей питания различных типов нагрузки, работающих в импульсном режиме. Преимущества предложенного коммутатора проявляются в системах электропитания и/или управления, в которых нагрузка периодически или спонтанно вызывает кратковременные броски и/или сброс тока в цепях питания. Устройство может быть использовано и на выходе выпрямителя в составе накопителя энергии или в качестве фильтра вторичного источника напряжения.

Известные устройства [1-5], используемые для питания нагрузки (для ее включения/выключения), содержат ключ (переключатель, контакт реле либо транзистор, в том числе в составе цепей первичного источника питания), включающий цепь питания нагрузки. Для борьбы с переменной составляющей напряжения (помехой), возникающей на входе этой нагрузки при протекании через нее токов с импульсной составляющей, устанавливается конденсатор большой емкости - десятки мкФ и более. В устройствах, предназначенных для питания мощных потребителей, например электродвигателей постоянного тока, для борьбы с помехами в цепях питания требуется применение конденсаторов еще большей емкости. Такая нагрузка является характерным представителем устройств, которые при их включении создают броски тока и импульсные помехи в цепях питания, которые проникают в интерфейсные цепи системы управления и приводят к сбоям в системах управления. Особенно подвержены таким помехам малогабаритные передвижные системы управления, в которых невозможно разнести на сколько-нибудь значительное расстояние силовые цепи питания нагрузки и интерфейсные цепи системы управления. Но при включении нагрузки вместе с шунтирующим ее конденсатором возникают броски тока, близкие по амплитуде и длительности к броскам тока короткого замыкания, что может привести к автоматическому выключению только что включенной нагрузки. При этом такую перегрузку по току должны выдерживать и ключ, и источник питания (тем более, если источник питания имеет ограниченную мощность).

Таким образом, указанный недостаток снижает надежность, ресурс работы коммутатора цепи питания и функциональную надежность системы управления, в которой он используется.

Наиболее близким по исполнению техническим решением к предлагаемому устройству (прототипом) может быть признан блок вторичного электропитания [6], содержащий транзисторный ключ, включенный в цепь питания последовательно с нагрузкой (в прототипе - однотактный импульсный преобразователь напряжения на трансформаторе и транзисторе) и конденсатором большой емкости, подключенным параллельно к цепям питания нагрузки [патент №2396684, МПК Н02М 3/335]. Этот конденсатор предназначен для подавления помех в цепях питания нагрузки и подключен к нагрузке постоянно. При включении ключа через него потечет форсированный импульс тока, близкий к току короткого замыкания, но ограниченный искусственно режимом транзистора этого ключа. При импульсных токах и напряжении питания, близком к номинальному, на транзисторе ключа рассеивается большая импульсная мощность, а по цепям питания распространяется помеха. Бросок тока должен выдерживать как ключ, так и источник питания, подключаемый к клеммам нагрузки (тем более, если источник питания имеет ограниченную мощность). Бросок тока будет существенно больше, если в качестве нагрузки используется, например, электродвигатель постоянного тока.

Недостатками прототипа являются экстремальные импульсы тока через ключ при включении устройства (при подаче напряжения на входные клеммы нагрузки) и пониженный КПД в номинальном режиме работы, поскольку расходуется избыточный ток на поддержание транзистора ключа в заданном состоянии при бросках тока в нагрузке, когда транзистор ключа выходит из режима насыщения. Экстремальные импульсы тока через ключ снижают ресурс его работы и всего устройства. Кроме того, несмотря на кажущуюся простоту устройство в целом относительно сложное, что снижает его надежность.

Задача изобретения - увеличение надежности аппаратуры управления, ресурса его работы, снижения уровня помех по цепям питания путем исключения экстремальных пусковых токов, а также упрощение технической реализации устройства.

Решение этой задачи по первому варианту устройства достигается тем, что коммутатор цепи питания, содержащий ключ, включенный в цепь источника питания последовательно с нагрузкой, накопительный конденсатор, подключенный одним выводом к первой цепи питания нагрузки, и полевой транзистор, подключенный ко второй цепи питания нагрузки, при этом накопительный конденсатор своим вторым выводом соединен последовательно с полевым транзистором, кроме того, в него введены стабилитрон, последовательная интегрирующая RC-цепочка, содержащая первый резистор и второй конденсатор, подключенная к цепям питания нагрузки, при этом второй конденсатор и стабилитрон подключены к управляющему входу полевого транзистора.

Кроме того, в него введен дополнительный резистор, подключенный параллельно полевому транзистору.

Кроме того, в него введен диод, подключенный параллельно встречно накопительному конденсатору.

Решение этой задачи по второму варианту устройства достигается тем, что коммутатор цепи питания, содержащий ключ, включенный в цепь источника питания последовательно с нагрузкой, накопительный конденсатор, подключенный одним выводом к первой цепи питания нагрузки, и полевой транзистор, подключенный ко второй цепи питания нагрузки, при этом накопительный конденсатор своим вторым выводом соединен последовательно с полевым транзистором, кроме того, в него введены стабилитрон, последовательная интегрирующая RC-цепочка, содержащая первый резистор и второй конденсатор, второй резистор, при этом второй резистор и последовательная интегрирующая RC-цепочка соединены последовательно и подключены к цепям питания нагрузки, второй конденсатор подключен к управляющему входу полевого транзистора, стабилитрон подключен параллельно последовательной интегрирующей RC-цепочке.

Кроме того, в него введен дополнительный резистор, подключенный параллельно полевому транзистору последовательно с накопительным конденсатором.

Кроме того, в него введен диод, подключенный параллельно встречно накопительному конденсатору.

На фиг.1 приведена схема коммутатора цепи питания по первому варианту, обеспечивающего включение нагрузки и заряд накопительного конденсатора без бросков тока.

На фиг.2 приведена схема коммутатора цепи питания по второму варианту, обеспечивающего включение нагрузки и заряд накопительного конденсатора без бросков тока в широком диапазоне напряжений питания.

На фиг.3 приведена схема коммутатора цепи питания, обеспечивающего включение нагрузки и ускоренный заряд накопительного конденсатора без бросков тока и защиту от смены полярности накопительного конденсатора, зависимая от схемы коммутатора цепи питания по первому варианту.

На фиг.4 приведена схема коммутатора цепи питания, обеспечивающего включение нагрузки и ускоренный заряд накопительного конденсатора без бросков тока в широком диапазоне напряжений питания и защиту от смены полярности накопительного конденсатора, зависимая от схемы коммутатора цепи питания по второму варианту.

На схемах фиг.1 - 4 приняты следующие обозначения:

1 - источник напряжения питания;

2 - ключ;

3 - нагрузка;

4 - накопительный конденсатор С1;

5 - полевой транзистор VT1;

6 - второй конденсатор С2;

7 - первый резистор R1;

8 - стабилитрон VD1;

9 - второй резистор R2;

10 - дополнительный резистор R3;

11 - диод VD2;

12 - первая цепь питания нагрузки;

13 - вторая цепь питания нагрузки.

На фиг.1 приведена схема коммутатора цепи питания нагрузки 3 (по первому варианту), содержащего источник питания 1, ключ 2 (здесь и далее в качестве ключа 2 может быть использован тумблер при ручном управлении нагрузкой, контакт реле - при работе автоматизированной системы управления или транзистор при управлении быстродействующей нагрузкой), включенный последовательно с нагрузкой 3, накопительный конденсатор 4 - С1 большой емкости (конденсатор фильтра) и полевой транзистор 5 - VT1, включенные последовательно и подключенные к цепям питания 12 и 13 нагрузки 3, стабилитрон 8 - VD1, последовательная интегрирующая RC-цепочка, содержащая первый резистор 7 - R1 и второй конденсатор 6 - С2 и подключенная к цепям питания 12 и 13 нагрузки 3, при этом конденсатор 6 - С2 последовательной интегрирующей RC-цепочки и стабилитрон 8 - VD1 подключены к управляющему входу полевого транзистора 5 - VT1.

Кроме того, в него введен (фиг.3) дополнительный резистор R3, подключенный параллельно полевому транзистору VT1 последовательно с накопительным конденсатором С1.

Кроме того, в него введен (фиг.3) диод 11 - VD2, подключенный встречно параллельно накопительному конденсатору 4 - С1.

На фиг.2 приведена схема коммутатора цепи питания нагрузки 3 (по второму варианту), содержащая источник питания 1, ключ 2, включенный последовательно с нагрузкой 3, накопительный конденсатор 4 - С1 большой емкости (конденсатор фильтра) и полевой транзистор 5 - VT1, включенные последовательно и подключенные к цепям питания 12 и 13 нагрузки 3, стабилитрон 8 - VD1, последовательная интегрирующая RC-цепочка, содержащая первый резистор R1 и второй конденсатор С2, второй резистор R2, при этом второй резистор R2 и последовательная интегрирующая RC-цепочка соединены последовательно и подключены к цепям питания 12 и 13 нагрузки 3, второй конденсатор С2 подключен к управляющему входу полевого транзистора, стабилитрон 8 - VD1 подключен параллельно последовательной интегрирующей RC-цепочке.

Кроме того, в него введен (фиг.4) дополнительный резистор 9 - R3, подключенный параллельно полевому транзистору 5 - VT1 последовательно с накопительным конденсатором 4 - С1.

Кроме того, в него введен (фиг.4) диод 11 - VD2, подключенный встречно параллельно накопительному конденсатору 6 - С1.

Работает предложенный коммутатор цепи питания по первому варианту (фиг.1) следующим образом.

В исходном состоянии устройства в целом, когда ключ 2 разомкнут, напряжение на нагрузке 3 и ток через нее, а также напряжения на иных элементах устройства и на управляющем входе полевого транзистора VT1 равны нулю. Полевой транзистор VT1 закрыт.

При наличии напряжения питания на выходе источника питания 1 ключом 2 подается напряжение питания непосредственно на нагрузку 3. Полевой транзистор VT1 еще закрыт (напряжение на его управляющем входе равно нулю), накопительный конденсатор С1 в это время разряжен и отключен от нагрузки 3 и от цепей питания. С этого момента второй конденсатор С2 интегрирующей RC-цепочки через первый резистор R1 на фиг.1 начинает заряжаться. Напряжение на управляющем входе полевого транзистора VT1 возрастает, полевой транзистор начинает открываться в линейном режиме и заряжать накопительный конденсатор С1 увеличивающимся током. По мере увеличения напряжения на накопительном конденсаторе С1 ток заряда начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. В это время напряжение на накопительном конденсаторе С1 становится равным напряжению источника питания 1. Через заданное время, определенное постоянной времени интегрирующей RC-цепочки и напряжением источника питания 1, напряжение на втором конденсаторе С2 достигает значения, при котором полевой транзистор VT1 переходит в режим насыщения с минимальным сопротивлением (его сопротивление составляет единицы мОм) и нижний вывод заряженного накопительного конденсатора С1 подключается практически накоротко к нижней по схеме цепи питания нагрузки 3. На этом процесс подключения нагрузки и накопительного конденсатора С1 к источнику питания 1 завершается и завершается без скачков тока. Далее, в процессе штатной работы нагрузки 3, потребляющей большие импульсы тока, эти импульсы тока обеспечиваются энергией, запасенной в конденсаторе С1. Этот же конденсатор С1, являясь конденсатором фильтра, обеспечивает сглаживание помехи от импульсов тока нагрузки 3, от самого источника питания 1 и от другой аппаратуры, подключенной к этому же источнику питания в управляющей системе, в которой устройство используется (не показано).

При размыкании ключа 2 напряжение с нагрузки 3 снимается не скачком, а за счет энергии накопительного конденсатора С1 уменьшается плавно по мере его разряда, поскольку транзистор VT1 остается открытым напряжением на конденсаторе С2. Таким образом, и при включении, и при выключении нагрузки скачки тока отсутствуют.

Аналогично работает коммутатор цепи питания по второму варианту (фиг.2), а именно:

После включения ключа 2 напряжение питания от источника питания 1 подается непосредственно на нагрузку 3. Полевой транзистор VT1 еще закрыт (напряжение на его управляющем входе равно нулю), накопительный конденсатор С1 в это время разряжен и отключен от нагрузки 3 и от цепей питания. Через резистор R2 напряжение питания подается на стабилитрон VD1 и стабилизированное напряжение с него поступает на последовательную интегрирующую RC-цепочку. С этого момента второй конденсатор С2 интегрирующей RC-цепочки через первый резистор R1 (фиг.2) начинает заряжаться. По мере заряда конденсатора С2 интегрирующей RC-цепочки напряжение на управляющем входе полевого транзистора VT1 возрастает, полевой транзистор начинает открываться в линейном режиме и заряжать накопительный конденсатор С1 увеличивающимся током. По мере увеличения напряжения на накопительном конденсаторе С1 ток заряда начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. В это время напряжение на накопительном конденсаторе С1 становится равным напряжению источника питания 1. Через заданное время, определенное постоянной времени интегрирующей RC-цепочки и стабилизированным напряжением на стабилитроне VD1, напряжение на втором конденсаторе С2 достигает значения, при котором полевой транзистор VT1 переходит в режим насыщения с минимальным сопротивлением (его сопротивление составляет единицы мОм) и нижний вывод заряженного накопительного конденсатора С1 подключается практически накоротко к нижней по схеме цепи питания нагрузки 3. На этом процесс подключения нагрузки 3 и накопительного конденсатора С1 к источнику питания 1 завершается и завершается без скачков тока. Далее, в процессе штатной работы нагрузки 3, потребляющей большие импульсы тока, эти импульсы тока обеспечиваются энергией, запасенной в конденсаторе С1. Этот же конденсатор С1, являясь конденсатором фильтра, обеспечивает сглаживание помехи от импульсов тока нагрузки 3, от самого источника питания 1 и от другой аппаратуры, подключенной к этому же источнику питания в управляющей системе, в которой устройство используется (не показано).

При размыкании ключа 2 напряжение с нагрузки 3 снимается не скачком, а за счет энергии накопительного конденсатора С1 уменьшается плавно по мере его разряда, поскольку транзистор VT1 остается открытым напряжением на конденсаторе С2. Таким образом, и при включении, и при выключении нагрузки скачки тока отсутствуют.

Зависимый коммутатор цепи питания по первому варианту, снабженный дополнительным резистором R3 (фиг.3), работает следующим образом. После включения ключа 2 напряжение питания от источника питания 1 сразу поступает на нагрузку 3, на последовательную интегрирующую RC-цепочку, содержащую первый резистор R1 и второй конденсатор С1, а также - на накопительный конденсатор С1 и дополнительный резистор R3. Накопительный конденсатор С1 сразу начинает заряжаться через этот резистор, минуя закрытый еще транзистор VT1. Одновременно начинает заряжаться конденсатор С2 интегрирующей RC-цепочки. По мере заряда этого конденсатора напряжение на управляющем входе полевого транзистора VT1 возрастает, полевой транзистор начинает открываться в линейном режиме и дополнительно увеличивать зарядный ток, уже текущий в накопительный конденсатор С1 через дополнительный резистор R3 (фиг.3). По мере увеличения напряжения на накопительном конденсаторе С1 суммарный ток заряда начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. В это время напряжение на накопительном конденсаторе С1 становится равным напряжению источника питания 1. Через заданное время, определенное постоянной времени интегрирующей RC-цепочки и напряжением питания, напряжение на втором конденсаторе С2 достигает значения, при котором полевой транзистор VT1 переходит в режим насыщения с минимальным сопротивлением (его сопротивление составляет единицы мОм) и нижний вывод заряженного накопительного конденсатора С1 подключает практически накоротко к нижней по схеме цепи питания нагрузки 3. На этом процесс подключения нагрузки 3 и накопительного конденсатора С1 к источнику питания 1 завершается и завершается без скачков тока. Далее, в процессе штатной работы нагрузки 3, потребляющей большие импульсы тока, эти импульсы тока обеспечиваются энергией, запасенной в конденсаторе С1.

При размыкании ключа 2 напряжение с нагрузки 3 снимается не скачком, а за счет энергии накопительного конденсатора С1 уменьшается плавно по мере его разряда, поскольку транзистор VT1 остается открытым напряжением на конденсаторе С2. Таким образом, ни при включении, ни при выключении нагрузки скачки тока отсутствуют. Вместе с тем при большой энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, разрыв цепи ее питания приводит к тому, что за счет ЭДС самоиндукции на ней возникают предпосылки для скачка напряжения другого знака. Сам скачок напряжения будет погашен емкостью накопительного конденсатора С1, переходный процесс будет плавным, но при этом напряжение на накопительном конденсаторе С1 может поменять знак и достигнуть значительной величины (при большой энергии, накопленной в индуктивности нагрузки 3, и относительно небольшой емкости накопительного конденсатора С1). Диод VD2 и открытый транзистор VT1 зашунтируют такой скачок напряжения, как только он достигнет примерно 1 В - падение напряжения на диоде. Таким образом, диод VD2, предохраняя накопительный конденсатор С1 от обратного напряжения, сохраняет его работоспособность и обеспечивает надежность работы устройства в целом.

Зависимый коммутатор цепи питания по второму варианту, снабженный дополнительным резистором R3 (фиг.4), работает следующим образом. После включения ключа 2 напряжение питания от источника питания 1 сразу поступает на нагрузку 3, через резистор R2 - на стабилитрон VD1 и далее - на последовательную интегрирующую RC-цепочку, содержащую первый резистор R1 и второй конденсатор С1, а также на накопительный конденсатор С1 и дополнительный резистор R3. Накопительный конденсатор сразу начинает заряжаться через этот резистор, минуя закрытый еще транзистор VT1. По включению напряжения питания начинается зарядка конденсатора С2 интегрирующей RC-цепочки от стабилизатора напряжения на стабилитроне VD1. По мере заряда этого конденсатора напряжение на управляющем входе полевого транзистора VT1 возрастает, полевой транзистор начинает открываться в линейном режиме и увеличивать зарядный ток, уже текущий в накопительный конденсатор С1 через дополнительный резистор R3 (фиг.4). По мере увеличения напряжения на накопительном конденсаторе С1 суммарный ток заряда начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. В это время напряжение на накопительном конденсаторе С1 становится равным напряжению источника питания 1. Через заданное время, определенное постоянной времени интегрирующей RC-цепочки и стабилизированным напряжением на стабилитроне VD1, напряжение на втором конденсаторе С2 достигает значения, при котором полевой транзистор VT1 переходит в режим насыщения с минимальным сопротивлением (его сопротивление составляет единицы мОм) и нижний вывод заряженного накопительного конденсатора С1 подключается практически накоротко к нижней по схеме цепи питания нагрузки 3. На этом процесс подключения нагрузки 3 и накопительного конденсатора С1 к источнику питания 1 завершается и завершается без скачков тока. Далее, в процессе штатной работы нагрузки 3, потребляющей большие импульсы тока, эти импульсы тока обеспечиваются энергией, запасенной в конденсаторе С1.

При размыкании ключа 2 напряжение с нагрузки 3 снимается не скачком, а за счет энергии накопительного конденсатора С1 уменьшается плавно по мере его разряда, поскольку транзистор VT1 остается открытым напряжением на конденсаторе С2. Таким образом, и при включении, и при выключении нагрузки скачки тока отсутствуют. Вместе с тем при большой энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, разрыв цепи ее питания приводит к тому, что за счет ЭДС самоиндукции на ней возникают предпосылки для скачка напряжения другого знака. Сам скачок напряжения будет погашен емкостью накопительного конденсатора С1, переходный процесс будет плавным, но при этом напряжение на накопительном конденсаторе С1 может поменять знак и достигнуть значительной величины (при большой энергии, накопленной в индуктивности нагрузки 3, и относительно небольшой емкости накопительного конденсатора С1). Диод VD2 и открытый транзистор VT1 зашунтируют такой скачок напряжения, как только он достигнет примерно 1 В - падение напряжения на диоде. Таким образом, диод VD2, предохраняя накопительный конденсатор С1 от обратного напряжения, сохраняет его работоспособность и обеспечивает надежность работы устройства в целом.

Следует отметить некоторые особенности работы предложенных коммутаторов цепи питания. Поскольку коммутаторы цепи питания (фиг.1 и 2) не содержат дополнительного резистора R3, то заряд накопительного конденсатора С1 в заявленном устройстве произойдет через плавно открывающийся полевой транзистор VT1. Максимальное значение тока через полевой транзистор VT1 будет зависеть от скорости заряда второго конденсатора С2 интегрирующей RC-цепочки. При наличии в устройстве дополнительного резистора R3 (фиг.3 и 4) заряд накопительного конденсатора С1 начинается немедленно по включении ключа 2 и его начальный ток будет определяться напряжением источника питания 1 и сопротивлением дополнительного резистора R3. За счет частичной зарядки накопительного конденсатора С1 к моменту открытия полевого транзистора VT1 напряжение на этом транзисторе будет меньше напряжения источника питания 1 и максимальное значение тока через него будет меньше, чем в устройстве, не содержащем дополнительного резистора R3.

Время выхода на стационарный режим коммутатора цепи питания нагрузки 3 по фиг.1 и 3 зависит от напряжения питания 1, поскольку от этого напряжения зависит скорость заряда конденсатора С2 последовательной интегрирующей RC-цепочки. Это обстоятельство может сказаться на времени готовности быстродействующих систем управления, хотя в большинстве случаев это не принципиально. Вместе с тем, варианты коммутатора цепи питания по фиг.2 и фиг.4 лишены этого недостатка: скорость заряда конденсатора С2 интегрирующей RC-цепочки при любом напряжении питания в пределах заданного допуска будет неизменной, поскольку напряжение на интегрирующей RC-цепочке стабилизировано.

Зависимые коммутаторы цепи питания могут быть выполнены либо только с дополнительным резистором R3, либо только с диодом VD2, либо иметь в своем составе и резистор R3, и диод VD2. Конкретное исполнение коммутатора цепи питания нагрузки будет определяться параметрами нагрузки.

Предлагаемые устройства повышают надежность работы систем управления за счет существенного упрощения схемы и эффективного снижения уровня помех, создаваемых при включении устройства в целом, при работе импульсных сильноточных устройств, зашунтированных конденсатором большой емкости, и при его выключении.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором коммутаторах цепи питания не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень». В качестве элементов для реализации устройств могут быть использованы любого типа резисторы, конденсаторы, стабилитроны. В качестве транзистора VT1 целесообразно использовать полевой транзистор, обладающий малыми утечками по управляющему входу - затвору (доли мкА) и малыми сопротивлениями в открытом состоянии (единицы мОм).

Литература

1. Блатнер С.Г. Промышленная электроника. Москва, Гостоптехиздат, 1963 г., с.326, 327.

2. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. Москва, Солон-пресс, 2006 г. С.232, рис.9.33.

3. Ограничитель тока. Патент РФ №2139620, МПК Н02Н 9/02, Н03К 17/08.

4. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Патент РФ №2397612, ПМК Н03К 17/08, Н02М 3/156.

5. Устройство и способ защиты полупроводникового ключа от короткого замыкания. Заявка №99103302, МПК Н03К 17/0812, Н03К 17/08.

6. Блок вторичного электропитания. Патент РФ №2318290, МПК Н02М 3/335 (прототип).