Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений

Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений

Реферат

Предложенная система электропитания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) относится к области электротехники и может быть использована при питании комплекса приборов РЭА для предохранения их от опасных импульсных перенапряжений. Наиболее эффективно использование предложения в системах и устройствах, коммутирующих большие мощности либо подвергающихся воздействию мощных внешних помех.

Известны устройства, предназначенные для снижения помех, например фильтры нижних частот [1]. В цепях, которые сами создают помехи, применяются нелинейные устройства для снижения генерируемых помех, например диод, подключенный параллельно индуктивности [2]. Эти устройства предельно просты и достаточно эффективно ограничивают помеху, возникающую при выключении индуктивной нагрузки.

Однако они неприменимы для подавления или ограничения импульсной помехи, возникающей в цепях питания коммутационных устройств, когда, например, автоматика отключает перегрузку или (особенно) короткое замыкание в нагрузке. Импульсные помехи в таких цепях возникают за счет ЭДС самоиндукции индуктивностей шин питания. Для гашения импульсных помех в таких случаях требуется мощная элементная база для ограничения выбросов напряжения и в то же время - предельно простая, быстродействующая и максимально надежная: необходимо парировать выбросы напряжений, способные моментально вывести из строя аппаратуру, содержащую полупроводниковые приборы и микросхемы.

Известны системы питания с ограничением импульсных помех, использующие нелинейные сопротивления, стабилитроны либо специальные ограничительные диоды (фактически работающие также по принципу стабилитрона), подключенные параллельно защищаемой цепи либо к шинам питания защищаемого устройства [3]. Для защиты от импульсных помех большой мощности применяются параллельные ограничители напряжения с использованием, например, тиристора, управляющий электрод которого через стабилитрон подключен к шине питания [4].

Наиболее близким по техническому исполнению и достигаемому эффекту может быть признана система электропитания с параллельным регулирующим органом [5], принцип действия которого также основан на ограничении импульсов напряжения в питаемой цепи в месте подключения нагрузки.

Эта система содержит источник электропитания, шины питания, пороговое стабилитронно-резисторное устройство (стабилитрон и последовательный резистор), подключенное параллельно защищаемой аппаратуре (в известном устройстве - через конденсатор), и связанный с его выходом вход управляемого элемента (в известном устройстве - транзистора), выход которого подключен также параллельно защищаемой аппаратуре.

Однако она обладает пониженной функциональной надежностью: при обрыве в цепи порогового устройства или управляемого элемента пропадает функция защиты от импульсных помех, а при коротком замыкании - может выйти из строя система питания. Кроме того, помеха, амплитуда которой менее напряжения стабилизации стабилитрона, не гасится вообще, а при воздействии мощной помехи выходное напряжение питания аппаратуры за счет перехода транзистора в режим, близкий к ключевому, сильно уменьшается (близко к напряжению стабилизации стабилитрона) и питаемая аппаратура может кратковременно потерять работоспособность. Эти обстоятельства исключают ее использование в недоступных для ремонта устройствах с длительным сроком непрерывного функционирования, например на спутниках.

Задача предложения - увеличение надежности защиты путем обеспечения номинального режима работы защищаемой аппаратуры в условиях интенсивных помех по шинам питания и обеспечения резервирования.

Эта задача решается тем, что в систему электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений, содержащую источник питания, первую подключенную к нему через шины питания радиоэлектронную аппаратуру и первое пороговое стабилитронно-резисторное устройство, и управляемый элемент, управляющий вход которого подключен к выходу первого порогового стабилитронно-резисторного устройства, а выход - к защищаемой радиоэлектронной аппаратуре, дополнительно введены второе пороговое стабилитронно-резисторное устройство, подключенное стабилитроном к стабилитрону первого порогового стабилитронно-резисторного устройства, и связанный с его выходом второй управляемый элемент, включенный последовательно с первым управляемым элементом, причем последовательно соединенные управляемые элементы и первое пороговое стабилитронно-резисторное устройство подключены параллельно радиоэлектронной аппаратуре, а резистор второго порогового стабилитронно-резисторного устройства подключен к средней точке последовательно соединенных управляемых элементов. Кроме того, в блок введены два дополнительных резистора, причем каждый управляемый элемент зашунтирован одним из дополнительных резисторов.

На чертеже представлена предлагаемая система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений по цепям питания.

На чертеже показаны:

1 - источник питания G,

2 - приборы защищаемой радиоэлектронной аппаратуры (в общем виде в радиоэлектронной аппаратуре может быть несколько приборов, работающих как самостоятельно, так и в комплексе; на чертеже их показано два - RN и RZ);

3 - блоки включения и защиты приборов радиоэлектронной аппаратуры от перегрузки по току, включенные последовательно с приборами РЭА (по числу приборов);

4 - устройство, обеспечивающее защиту РЭА от импульсных перенапряжений, в котором:

VD1, VD2 - стабилитроны, обеспечивающие необходимое напряжение (порог) срабатывания защиты от перенапряжения;

R1 и R2 - резисторы, на которых выделяется управляющее напряжение. При этом стабилитроны VD1 и VD2 совместно с резисторами R1 и R2 образуют первое и второе пороговые стабилитронно-резисторные устройства VD1-R1 и VD2-R2;

VT1 и VT2 - управляемые элементы;

R3 и R4 - дополнительные резисторы;

U0, U1 и U2 - разные точки системы электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений и потенциалы в этих точках (см. ниже);

L11 и L12 - индуктивности в цепях питания (показаны условно) - это эквивалентные индуктивности проводов, соединяющих источник питания G 1 и защищаемую РЭА. Вместе с тем, такие индуктивности (дроссели) в обоснованных случаях могут быть реально введены в систему электропитания.

Выполнена система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений следующим образом.

Аппаратура РЭА 2-3 через шины питания («+U» - L11 и «-U» - L12) подключена к источнику G 1. Параллельно к этим же шинам подключено устройство 4, содержащее два пороговых стабилитронно-резисторных устройства VD1-R1 и VD2-R2, стабилитроны VD1 и VD2 которых соединены с шиной питания U2, и два соединенных последовательно управляемых элемента (предпочтительно - полевые транзисторы, для высоковольтных цепей - транзисторы типа IGBT; могут быть использованы и биполярные транзисторы, для которых необходимо только дополнительно принять меры по ограничению базовых токов; в «одноразовых» системах могут быть использованы и тиристоры; возможно применение иных, специально разработанных, управляемых элементов). Резистор R1 первого порогового стабилитронно-резисторного устройства VD1-R1 соединен с шиной питания, а резистор R2 второго порогового стабилитронно-резисторного устройства VD2-R2 подключен к общей точке соединенных последовательно управляемых элементов. Выходы пороговых стабилитронно-резисторных устройств соединены с управляющими входами управляемых элементов. Резисторы R3 и R4 подключены параллельно выходам управляемых элементов VT1 и VT2.

Работает система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений в двух режимах:

- при нормальных напряжениях источника питания, не превышающих максимального значения U_{пит.макс},

- в режиме ограничителя (защиты) при возникновении импульсной помехи, превышающей уровень U_з4, заданный устройством 4.

Блоки 3 включения и защиты приборов 2 по заданным командам (или вручную) включают соответствующие приборы. Приборы потребляют токи In и Iz. За счет этих токов в индуктивностях шин питания накапливается энергия. Когда приборы отключаются, то на шинах питания возникает ЭДС самоиндукции, амплитуда которой е=-Ldi/dt зависит от выключаемого тока, скорости срабатывания блока 3 и др. При штатной работе РЭА эти ЭДС не представляют опасности, поскольку они оговариваются в технических условиях на аппаратуру, и в ней принимаются соответствующие меры, обеспечивающие устойчивость этой аппаратуры к таким помехам. Но, если, например, в приборе 2 RZ произошла перегрузка (или короткое замыкание) и ток Iz многократно возрос по сравнению с номинальным (при коротком замыкании - на 1-2 порядка), то энергия, накопленная в индуктивностях L11 и L12 шин питания, возрастает на 2-4 порядка. Блок 3 включения и защиты выключает защищаемый прибор RZ. В этот момент на шинах питания возникает ЭДС самоиндукции, амплитуда которой также возрастает многократно. За счет этого импульса может произойти электрический пробой в любом из оставшихся включенными приборов 2 РЭА, и дополнительная энергия, накопленная в индуктивностях шин питания, может привести к тепловому разрушению места пробоя.

В нормальном режиме, когда напряжение питания источника 1 G находится в заданных пределах и не превышает напряжения стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, стабилитроны закрыты, напряжение на управляющих входах управляемых элементов VT1 и VT2 (или ток через них) равно нулю, напряжение в точке U1 соединения управляемых силовых элементов равно половине напряжения питания (при равенстве сопротивлений резисторов R3 и R4). В этом случае оба последовательно включенных управляемых элемента закрыты, и ток через них отсутствует. Общий ток блока 4 не превышает суммы токов утечки стабилитронов и управляемых элементов плюс ток через последовательно соединенные резисторы R3 и R4. Напряжение на стабилитроне VD1 равно напряжению питания аппаратуры, напряжение на стабилитроне VD2 составляет половину напряжения питания (U2-U1). Напряжение на аппаратуре равно напряжению источника питания (за вычетом падения напряжения на шинах питания, если это необходимо учитывать).

Импульсные помехи возникают в цепях питания коммутационных устройств, когда, например, автоматика отключает сильноточную нагрузку, перегрузку или (особенно) короткое замыкание в нагрузке. Импульсные помехи в таких цепях возникают за счет ЭДС самоиндукции индуктивностей шин питания. Причины возникновения помех в цепях питания могут лежать и вне системы электропитания. Одна из них - электростатические разряды.

При возникновении импульсной помехи счет размыкания сильноточной цепи, при которой сумма напряжения питания и импульса помехи между точками U2 и U0 превышает заданный уровень U_з4, стабилитрон VD1 первого порогового стабилитронно-резисторного устройства VD1-R1 начинает пропускать ток, на резисторе R1 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу управляемого элемента VT1, он открывается, и напряжение в точке U1 уменьшается до нуля, стабилитрон VD2 второго порогового стабилитронно-резисторного устройства VD2-R2 начинает пропускать ток, на резисторе R2 выделяется напряжение, которое прикладывается к управляющему входу управляемого элемента VT2. В этот момент оба управляемых элемента VT1 и VT2 открываются и образуют шунт между шинами питания. При этом чем выше выброс импульса помехи, тем больше управляющие напряжения и тем сильнее открываются управляемые элементы, по которым начинает течь Iz. В этом режиме система электропитания представляет собой параллельный стабилизатор, активную роль которого выполняет устройство 4, а последовательный балласт - индуктивность и активное сопротивление проводов шины питания. По окончании импульса помехи стабилитроны закрываются, напряжение с управляющих входов управляемых элементов снимается, они закрываются, устройство 4 выключается и переходит в дежурный режим. Напряжение питания аппаратуры становится равным напряжению источника питания.

Предлагаемая система электропитания обладает тем преимуществом, что стабилитроны VD1 и VD2 могут устанавливаться с минимальным превышением напряжения стабилизации над максимально возможным напряжением питания защищаемой системы (с необходимым учетом напряжения на управляющих входах управляемых элементов). Это позволяет в условиях любых помех обеспечить нормальный режим работы защищаемой аппаратуры и обеспечить ей расчетный срок службы и ресурс работы.

Следует отметить, что длительный режим работы любых элементов, особенно в условиях космоса с его постоянным радиационным воздействием, особенно при повышенных напряжениях питания, приводит к постепенной деградации параметров этих элементов. Искусственное снижение напряжения на элементах повышает срок их службы. Это обстоятельство приобретает существенное значение в системах с повышенными напряжениями питания. В данном предложении резисторы R3 и R4, шунтирующие управляемые элементы VT1 и VT2, гарантированно снижают напряжение на каждом из них вдвое по сравнению с напряжением источника питания G 1, и только в короткий момент гашения перенапряжения верхний из элементов кратковременно находится под полным напряжением питания.

Поскольку защита от перенапряжения в предложенной системе питания должна срабатывать от импульсов, вызванных размыканием цепей с токами короткого замыкания, вероятность которых чрезвычайно мала, то в параллельном резервировании устройства 4 на случай его отказа типа «обрыв» практически нет необходимости. Вместе с тем, в системах, многократно коммутирующих экстремальные токи, например в автомобилях при запуске стартового электродвигателя, целесообразно параллельно шинам питания включать два таких устройства. При этом будет обеспечена максимальная надежность работы РЭА за счет чрезвычайно низкой вероятности однотипного отказа двух резервирующих друг друга устройств 4.

Предлагаемая совокупность признаков в предложенной автором системе питания не встречалась ранее 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 устройства могут быть использованы стандартные стабилитроны, а в качестве управляемых элементов - мощные полевые транзисторы для низковольтных цепей либо транзисторы типа IGBT - для высоковольтных систем электропитания.

Использованная литература

1. Найвельт Г.С. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. М., «Радио и связь», 1985, с.160, рис.4.19.

2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. Москва, «Радио и связь», 1991 г., с.305, рис.10.7, а.

3. Схема защиты от перенапряжения. Заявка Великобритании №2046539, Н 02 Н 9/04.

4. Быстродействующее устройство защиты, используемое вместе с источником питания. Патент Великобритании №2253956, Н 02 Н 9/00, 9/02.

5. Устройство для защиты от импульсных перенапряжений. Патент РФ №1705947, Н 02 Н 9/04.

1. Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений, содержащая источник питания, подключенные к нему через шины питания радиоэлектронную аппаратуру, последовательно с которой включены блоки включения и защиты приборов радиоэлектронной аппаратуры, по числу приборов, и первое пороговое стабилитронно-резисторное устройство, и управляемый элемент, управляющий вход которого подключен к выходу первого порогового стабилитронно-резисторного устройства, отличающаяся тем, что в нее введены второе пороговое стабилитронно-резисторное устройство, подключенное стабилитроном к стабилитрону первого порогового стабилитронно-резисторного устройства, и связанный с его выходом второй управляемый элемент, включенный последовательно с первым управляемым элементом, причем последовательно соединенные управляемые элементы и первое пороговое стабилитронно-резисторное устройство подключены параллельно радиоэлектронной аппаратуре, а резистор второго порогового стабилитронно-резисторного устройства подключен к средней точке последовательно соединенных управляемых элементов.

2. Система электропитания с защитой радиоэлектронных приборов от импульсных перенапряжений по п.1, отличающаяся тем, что в нее введены два дополнительных резистора, причем каждый управляемый элемент зашунтирован одним из дополнительных резисторов.