RU2030782C1

RU2030782C1 - Functional converter

Info

Publication number: RU2030782C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Сергеевич Мальцев; Виктор Дмитриевич Шевченко
Original assignee: Юрий Сергеевич Мальцев; Виктор Дмитриевич Шевченко
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1995-03-10

Abstract

FIELD: analog computer engineering. SUBSTANCE: functional converter has reference-signal source whose power buses function as converter input terminals, error amplifier, and adjustable dummy load; reference-signal source output is connected to error signal input whose output is connected to control input of adjustable dummy load; power circuits of error amplifier and adjustable dummy load are combined and connected to power buses of reference-signal source. Functional converter may be provided with rectifier inserted between input and power buses of converter. Functional converter may be provided, in addition, with heat-transfer line having thermal contact with adjustable dummy load and functioning as output of functional converter alarm signal. EFFECT: improved dissipation power, enlarged functional capabilities. 5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности к устройствам для функционального преобразования электрических сигналов, моделирующих функцию ограничителя напряжения. The invention relates to analog computing, in particular to devices for the functional conversion of electrical signals simulating the function of a voltage limiter.

Известны функциональные преобразователи типа ограничителя напряжения, выполненные в виде полупроводникового стабилитрона, применяемые при построении аналоговых вычислительных устройств, а также для защиты электронной аппаратуры от воздействия случайных помех и выбросов напряжения, связанных с переходными процессами в системе электропитания аппаратуры. Functional converters of the type of voltage limiter, made in the form of a semiconductor zener diode, are used in the construction of analog computing devices, as well as for protecting electronic equipment from the effects of random noise and voltage surges associated with transients in the power supply system of the equipment.

Однако такие устройства могут применяться только в маломощных (слаботочных) цепях. However, such devices can only be used in low-power (low-current) circuits.

В аппаратуре, питаемой от автономного источника питания, например от электрического генератора, приводимого во вращение двигателем, в случае коммутации в цепи питания мощной нагрузки, ток в выходной цепи генератора не может измениться мгновенно вследствие инерционности электромеханического генератора. Это вызывает в момент отключения мощной нагрузки скачок напряжения в цепи питания аппаратуры, что может привести к выходу из строя электронной аппаратуры. Характерным переходным процессом для системы питания аппаратуры от электромеханического генератора мощностью порядка 1 кВт с номинальным напряжением 12 В является экспоненциальный процесс с начальным броском напряжения до уровня 140-150 В и с длительностью переходного процесса порядка 300 мс. При этом бросок тока в цепи питания достигает значений 50 А и более, т.е. мгновенная мощность броска достигает сотен ватт. При использовании более мощного генератора соответственно увеличивается и мощность, выделяемая при переходных процессах. In equipment powered by an autonomous power source, for example, from an electric generator driven by a motor, in case of switching in a power supply circuit of a heavy load, the current in the output circuit of the generator cannot change instantly due to the inertia of the electromechanical generator. This causes a voltage surge in the power supply circuit of the equipment at the time of disconnecting a powerful load, which can lead to failure of electronic equipment. A characteristic transient process for the equipment power supply system from an electromechanical generator with a power of the order of 1 kW with a nominal voltage of 12 V is an exponential process with an initial voltage surge to the level of 140-150 V and with a transition process duration of about 300 ms. In this case, the current surge in the power circuit reaches 50 A or more, i.e. instantaneous throw power reaches hundreds of watts. When using a more powerful generator, the power released during transients increases accordingly.

Известны также функциональные преобразователи, содержащие источник опорного сигнала и тиристорный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, а цепи питания источника опорного сигнала и тиристорного ключа объединены и служат входными зажимами функционального преобразователя. Functional converters are also known containing a reference signal source and a thyristor switch, the control input of which is connected to the output of the reference signal source, and the power supply circuits of the reference signal source and thyristor switch are combined and serve as input terminals of the functional converter.

Такой функциональный преобразователь включается входными зажимами параллельно выходу источника питания и моделирует функцию ограничителя напряжения. Если напряжение на шинах питания превышает напряжение опорного источника функционального преобразователя, то тиристорный ключ открывается и шунтирует шины питания. При этом в цепи питания необходимо иметь токоограничительный резистор, предохраняющий источник питания от короткого замыкания, либо плавкий предохранитель, перегорающий при срабатывании тиристорного ключа. Such a functional converter is connected by input terminals parallel to the output of the power source and models the function of the voltage limiter. If the voltage on the supply lines exceeds the voltage of the reference source of the functional converter, then the thyristor switch opens and shunts the supply lines. At the same time, it is necessary to have a current-limiting resistor in the power circuit, which protects the power source from short circuit, or a fuse that blows out when the thyristor key is triggered.

Недостатки такого технического решения состоят в том, что после каждого срабатывания тиристорного ключа (после каждого перенапряжения на шинах питания) необходимо отключать напряжение источника питания для приведения схемы в исходное состояние, что не всегда приемлемо по условиям эксплуатации аппаратуры (например, в тех случаях, когда аппаратура содержит элементы памяти, не допускающие перерывы в цепях питания). The disadvantages of this technical solution are that after each tripping of the thyristor switch (after each overvoltage on the power buses), it is necessary to disconnect the voltage of the power source to bring the circuit to its initial state, which is not always acceptable according to the operating conditions of the equipment (for example, in those cases when the equipment contains memory elements that do not allow interruptions in the power supply circuit).

Наиболее близким к изобретению является функциональный преобразователь, выполняющий функцию активного стабилитрона. Closest to the invention is a functional converter that performs the function of an active zener diode.

Прототип моделирует функцию ограничителя напряжения и имеет достаточно мощный выходной каскад. Прототип содержит источник опорного сигнала, выполненный в виде параметрического стабили- затора на полупроводниковом стабилитроне, выход которого соединен с усилителем тока на полупроводниковом транзисторе. Коллектор и эмиттер транзистора и входные клеммы источника опорного сигнала объединены и служат входными зажимами функционального преобразователя. The prototype models the function of the voltage limiter and has a fairly powerful output stage. The prototype contains a reference signal source made in the form of a parametric stabilizer on a semiconductor zener diode, the output of which is connected to a current amplifier on a semiconductor transistor. The collector and emitter of the transistor and the input terminals of the reference signal source are combined and serve as input terminals of the functional converter.

Недостатки прототипа состоят в следующем. В случае превышения напряжением в цепи питания напряжения источника опорного сигнала через выходной транзистор функционального преобразователя протекает ток, который разогревает выходной транзистор. Мощность, выделяемая на транзисторе, при напряжении ограничения порядка 20 В и броске тока 50 А равна 1000 Вт. Это показывает, что практическая реализация прототипа на мощности порядка 1 кВт и более невозможна из-за отсутствия мощных транзисторов, способных рассеивать такие мощности. The disadvantages of the prototype are as follows. If the voltage in the power supply circuit exceeds the voltage of the reference signal source, a current flows through the output transistor of the functional converter, which heats the output transistor. The power allocated to the transistor, with a voltage limit of about 20 V and an inrush current of 50 A, is 1000 watts. This shows that the practical implementation of the prototype at a power of the order of 1 kW or more is impossible due to the lack of powerful transistors capable of dissipating such power.

Кроме того, при использовании прототипа обязательным является включение токоограничительного резистора последо- вательно в цепь источника питания, что приводит к нежелательным последствиям из-за увеличения внутреннего сопротивления источника питания как с точки зрения КПД источника, так и с точки зрения защиты от возможного самовозбуждения аппаратуры. In addition, when using the prototype, it is mandatory to include a current-limiting resistor sequentially in the power supply circuit, which leads to undesirable consequences due to an increase in the internal resistance of the power source both in terms of the source efficiency and in terms of protection against possible self-excitation of the equipment.

Целью изобретения является повышение мощности функционального преобразователя, а также расширение его функциональных возможностей. The aim of the invention is to increase the power of the functional Converter, as well as the expansion of its functionality.

Поставленная цель достигается тем, что функциональный преобразователь, содержащий источник опорного сигнала, шины питания которого служат входными зажимами функционального преобразователя, дополнительно снабжен усилителем рассогласования и управляемым эквивалентом нагрузки, причем выход источника опорного сигнала соединен с управляющим входом управляемого эквивалента нагрузки, цепи питания усилителя рассогласования и управляемого эквивалента нагрузки объединены и присоединены к шинам питания источника опорного сигнала. This goal is achieved in that a functional converter containing a reference signal source, the power bus of which serves as input terminals of the functional converter, is additionally equipped with a mismatch amplifier and a controlled load equivalent, the output of the reference signal being connected to a control input of a controlled load equivalent, a power supply circuit of the mismatch amplifier and controlled equivalent loads are combined and connected to the power supply lines of the reference signal source.

Кроме того, в функциональном преобразователе управляемый эквивалент нагрузки может быть выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового управляемого сопротивления, причем вход АЦП служит управляющим входом управляемого эквивалента нагрузки, выходы АЦП соединены с соответствующими входами цифрового управляемого сопротивления, выходы которого подключены к соответствующим шинам питания управляемого эквивалента нагрузки. In addition, in the functional converter, the controlled load equivalent can be made in the form of an analog-to-digital converter (ADC) and digital controlled resistance, the ADC input serving as the control input of the controlled load equivalent, the ADC outputs are connected to the corresponding inputs of the digital controlled resistance, the outputs of which are connected to corresponding busbars of the controlled equivalent load.

В функциональном преобразователе управляемый эквивалент нагрузки может быть выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя и ключа с резистивной нагрузкой, причем вход широтно-импульсного преобразователя служит управляющим входом управляемого эквивалента нагрузки, выход широтно-импульсного преобразователя соединен с управляющим входом ключа, резистивная нагрузка которого подключена к шинам питания управляемого эквивалента нагрузки. In a functional converter, the controlled load equivalent can be made in the form of a pulse-width converter and a switch with a resistive load, and the input of the pulse-width converter serves as the control input of the controlled load equivalent, the output of the pulse-width converter is connected to the control input of the switch, the resistive load of which is connected to Power Bus Drives Equivalent Load Equivalent.

Кроме того, функциональный преобразователь может быть снабжен выпрямителем, включенным между входом и шинами питания функционального преобразователя. In addition, the functional converter may be provided with a rectifier connected between the input and power lines of the functional converter.

Функциональный преобразователь может быть снабжен также теплопроводом, имеющим тепловой контакт с управляемым эквивалентом нагрузки и служащим выходом аварийного сигнала функционального преобразователя. The functional converter may also be provided with a heat conductor having thermal contact with a controlled load equivalent and serving as the alarm output of the functional converter.

На фиг. 1 показан возможный вариант исполнения схемы предложенного функционального преобразователя; на фиг. 2 показан другой возможный вариант реализации предложенного функционального преобразователя; на фиг. 3 показан возможный вариант реализации управляемого эквивалента нагрузки, входящего в состав функционального преобразователя; на фиг. 4 показан другой возможный вариант реализации управляемого эквивалента нагрузки, входящего в состав функционального преобразователя; на фиг. 5 показан возможный вариант включения функционального преобразователя в цепь питания аппаратуры автоматики; на фиг. 6 показана вольт-амперная характеристика функционального преобразователя в варианте исполнения согласно фиг. 1; на фиг. 7 показана вольт-амперная характеристика функционального преобразователя в варианте исполнения согласно фиг. 2. In FIG. 1 shows a possible embodiment of a circuit of the proposed functional converter; in FIG. 2 shows another possible implementation of the proposed functional converter; in FIG. Figure 3 shows a possible implementation of a controlled load equivalent, which is part of a functional converter; in FIG. 4 shows another possible implementation of the controlled equivalent load included in the functional converter; in FIG. 5 shows a possible embodiment of a functional converter in the power circuit of automation equipment; in FIG. 6 shows the current-voltage characteristic of the functional converter in the embodiment according to FIG. 1; in FIG. 7 shows the current-voltage characteristic of the functional converter in the embodiment according to FIG. 2.

Функциональный преобразователь 1 согласно фиг. 1 содержит источник 2 опорного сигнала, усилитель 3 рассогласования, управляемый эквивалент нагрузки 4. Выход 5 источника 2 опорного сигнала соединен с входом 6 усилителя 3, выход 7 которого соединен с управляющим входом 8 управляемого эквивалента нагрузки 4. Шины питания 9, 10, и 11 блоков 2, 3 и 4 объединены и подключены к зажиму 12 функционального преобразователя 1. Вторые шины питания 13, 14 и 15 блоков 2, 3 и 4 также объединены и подключены к зажиму 16 функционального преобразователя 1. The functional converter 1 according to FIG. 1 contains a reference signal source 2, a mismatch amplifier 3, a controlled equivalent load 4. Output 5 of a reference signal source 2 is connected to an input 6 of an amplifier 3, an output 7 of which is connected to a control input 8 of a controlled equivalent load 4. Power buses 9, 10, and 11 blocks 2, 3 and 4 are combined and connected to terminal 12 of functional converter 1. Second power buses 13, 14 and 15 of blocks 2, 3 and 4 are also combined and connected to terminal 16 of functional converter 1.

Функциональный преобразователь 1 может быть снабжен теплопроводом 17, имеющим тепловой контакт с элементами управляемого эквивалента нагрузки 4 и служащим выходом 18 аварийного сигнала функционального преобразователя 1. The functional Converter 1 may be provided with a heat pipe 17 having thermal contact with the elements of the controlled load equivalent 4 and serving as the alarm output 18 of the functional Converter 1.

Источник 2 опорного сигнала может быть выполнен в виде стабилизатора напряжения, например в виде параметрического стабилизатора, содержащего стабилитрон 19 и резистор 20, включенный между шиной питания 9 и одним из выводов стабилитрона 19. Второй вывод стабилитрона 19 соединен с шиной питания 13. Общая точка соединения стабилитрона 19 и резистора 20 служит выходом 5 источника 2 опорного сигнала. Источник 2 опорного сигнала может быть снабжен регулировочным резистором 21, включенным параллельно стабилитрону 19. В этом варианте исполнения вывод подвижного контакта резистора 21 служит выходом 5 источника 2. The reference signal source 2 can be made in the form of a voltage stabilizer, for example, in the form of a parametric stabilizer containing a zener diode 19 and a resistor 20 connected between the power bus 9 and one of the terminals of the zener diode 19. The second output of the zener diode 19 is connected to the power bus 13. General connection point the zener diode 19 and the resistor 20 serves as the output 5 of the reference signal source 2. The reference signal source 2 can be equipped with an adjustment resistor 21 connected in parallel with the zener diode 19. In this embodiment, the output of the movable contact of the resistor 21 serves as the output 5 of the source 2.

Усилитель рассогласования 3 может быть выполнен в виде дифференциального усилителя 22 постоянного тока, выход которого служит выходом 7 усилителя 3. Один из входов дифференциального усилителя 22 служит входом 6 усилителя 3 рассогласования, второй вход усилителя 22 присоединен к выходу делителя напряжения 23, выполненного в виде двух резисторов. Входы делителя напряжения 23 присоединены соответственно к шинам 10 и 14 блока 3. Один из резисторов делителя напряжения 23 может быть выполнен в виде переменного (регулировочного) резистора. The mismatch amplifier 3 can be made in the form of a DC differential amplifier 22, the output of which serves as the output 7 of the amplifier 3. One of the inputs of the differential amplifier 22 serves as input 6 of the mismatch amplifier 3, the second input of the amplifier 22 is connected to the output of the voltage divider 23, made in the form of two resistors. The inputs of the voltage divider 23 are connected respectively to the buses 10 and 14 of block 3. One of the resistors of the voltage divider 23 can be made in the form of a variable (adjustment) resistor.

Возможные варианты исполнения управляемого эквивалента нагрузки 4 будут рассмотрены ниже при описании фиг. 3 и 4. Possible embodiments of the controlled load equivalent 4 will be discussed below with reference to FIG. 3 and 4.

Функциональный преобразователь 1 согласно фиг. 2 содержит блоки 2, 3, 4, а также выпрямитель 24. Выпрямитель 24, входом подключенный к зажимам 12 и 16 функционального преобразователя 1, а выходом - к шинам питания 9, 10, 11 и 13, 14, 15 соответственно блоков 2, 3, 4. В остальном схема фиг. 2 не отличается от схемы фиг. 1. Выпрямитель 24 может быть выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя. The functional converter 1 according to FIG. 2 contains blocks 2, 3, 4, and also a rectifier 24. The rectifier 24, connected to the terminals 12 and 16 of the functional converter 1 by the input, and to the power buses 9, 10, 11 and 13, 14, 15 of blocks 2, 3, respectively 4. Otherwise, the circuit of FIG. 2 does not differ from the circuit of FIG. 1. The rectifier 24 may be made in the form of a half-wave rectifier.

Управляемый эквивалент нагрузки 4 функционального преобразователя 1 может быть выполнен согласно фиг. 3. В этом варианте он содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 25 и цифровое управляемое сопротивление 26. Вход АЦП 25 служит входом 8 блока 4, выходы 2⁰, 2¹, 2²,...,2ⁿ АЦП 25 соединены с соответствующими входами 2^о, 2¹, 2²,...,2ⁿ цифрового управляемого сопротивления 26. При необходимости между выходами АЦП 25 и входами цифрового управляемого сопротивления 26 могут быть включены усилители 27 (согласователи уровня) и резисторы 28 (эти элементы могут быть в составе АЦП 25) для согласования уровней выходных сигналов АЦП 25 с необходимыми уровнями входных сигналов цифрового управляемого сопротивления 26.The controllable load equivalent 4 of the functional converter 1 can be made according to FIG. 3. In this embodiment, it contains an analog-to-digital converter (ADC) 25 and a digital controlled resistance 26. The input of the ADC 25 serves as the input 8 of block 4, the outputs 2 ⁰ , 2 ¹ , 2 ² , ..., 2 ^{n of the} ADC 25 are connected to the corresponding inputs 2 ^o , 2 ¹ , 2 ² , ..., 2 ⁿ digital controlled resistance 26. If necessary, between the outputs of the ADC 25 and the inputs of the digital controlled resistance 26 can be included amplifiers 27 (level matching) and resistors 28 (these elements can be part of the ADC 25) to match the output levels of the ADC 25 with the necessary input levels with digital controlled resistance ignals 26.

Цифровое управляемое сопротивление 26 может быть выполнено в виде полупроводниковых ключей 29 по числу выходов АЦП 25 и резисторов 30, включенных в цепь коллектора ключей 29. Вторые выводы резисторов 30 подключены к шине питания 11 блока 4. Выводы питания АЦП 25 подключены соответственно к шинам питания 11 и 15. При наличии усилителей 27 шины питания этих усилителей также подключены к шинам 11 и 15 блока 4 (на схеме не показано). Выводы базы транзисторов 29 служат входами 2⁰, 2¹, 2²,...,2ⁿ цифрового управляемого сопротивления 26.The digital controlled resistance 26 can be made in the form of semiconductor switches 29 according to the number of ADC outputs 25 and resistors 30 included in the key collector circuit 29. The second outputs of the resistors 30 are connected to the power bus 11 of block 4. The power terminals of the ADC 25 are connected respectively to the power buses 11 and 15. If there are amplifiers 27, the power buses of these amplifiers are also connected to the buses 11 and 15 of block 4 (not shown in the diagram). The findings of the base of transistors 29 serve as inputs 2 ⁰ , 2 ¹ , 2 ² , ..., 2 ⁿ digital controlled resistance 26.

Тепловыделяющие элементы 29 и 30 цифрового управляемого сопротивления 26 могут быть размещены на теплопроводящей подложке 31, выполненной в виде пластины из диэлектрического теплопроводного материала, например из ситалла, поликора. Теплопровод 17 имеет тепловой контакт с теплопроводной подложкой 31. Теплопровод 17 может быть выполнен из ситалла или поликора. Одна из поверхностей теплопровода 17 служит выходом 18 функционального преобразователя 1. The heat-generating elements 29 and 30 of the digital controlled resistance 26 can be placed on a heat-conducting substrate 31 made in the form of a plate of a dielectric heat-conducting material, for example, ceramic, polycor. The heat conduit 17 has thermal contact with the heat-conducting substrate 31. The heat conduit 17 may be made of ceramic or polycor. One of the surfaces of the heat pipe 17 serves as the output 18 of the functional Converter 1.

В варианте исполнения управляемого эквивалента нагрузки 4 согласно фиг. 4 он содержит широтно-импульсный преобразователь 32. Усилитель (согласователь уровня) 27, резистор 28, ключ 29 (или несколько ключей 29), резистор 30 (или несколько резисторов 30). In an embodiment of the controlled load equivalent 4 of FIG. 4 it contains a pulse-width converter 32. An amplifier (level equalizer) 27, a resistor 28, a key 29 (or several keys 29), a resistor 30 (or several resistors 30).

Вход широтно-импульсного преобразователя 32 служит входом 8 блока 4, выход широтно-импульсного преобразователя 32 соединен с цепью базы транзистора 29 (ключа 29) либо непосредственно, либо через согласователь уровня 27 и резистор 28. Резистор 30 включен в цепь коллектора транзистора 29 и вторым выводом подключен к шине питания 11, эмиттер транзистора 29 соединен с шиной питания 15. Выводы питания широтно-импульсного преобразователя 32 и усилителя 27 подключены к шинам питания 11 и 15 соответственно. The input of the pulse-width converter 32 serves as the input 8 of block 4, the output of the pulse-width converter 32 is connected to the base circuit of the transistor 29 (key 29) either directly or through a level matcher 27 and resistor 28. The resistor 30 is connected to the collector circuit of the transistor 29 and the second the output is connected to the power bus 11, the emitter of the transistor 29 is connected to the power bus 15. The power outputs of the pulse-width converter 32 and the amplifier 27 are connected to the power buses 11 and 15, respectively.

Тепловыделяющие элементы 29, 30 могут быть размещены на теплопроводной пластине (подложке) 31, имеющей тепловой контакт с теплопроводом 17, одна из поверхностей которого служит выходом 18 блока 1. The fuel elements 29, 30 can be placed on a heat-conducting plate (substrate) 31 having thermal contact with the heat conductor 17, one of the surfaces of which serves as the output 18 of block 1.

Пример схемы включения функционального преобразователя 1 в схему аппаратуры автоматики или вычислительной техники показан на фиг. 5. Схема содержит источник питания 33 в виде генератора 34 с регулятором напряжения 35, воздействующим на обмотку возбуждения генератора 34, нагрузку 36, 37 (блоки и узлы аппаратуры автоматики), выключатели 38, 39 нагрузки, аварийный выключатель 40, шины питания 41, 42, конденсатор 43, а также функциональный преобразователь 1. An example of a circuit for including a functional converter 1 in a circuit of automation equipment or computer equipment is shown in FIG. 5. The circuit contains a power source 33 in the form of a generator 34 with a voltage regulator 35 acting on the excitation winding of the generator 34, load 36, 37 (blocks and components of automation equipment), load switches 38, 39, emergency switch 40, power buses 41, 42 , capacitor 43, as well as functional converter 1.

Выводы источника питания 33 соединены через аварийный выключатель 40 с шинами питания 41, 42. Нагрузка 36, 37 через выключатели 38,39 подключена к шинам питания 41, 42. Выводы 12 и 16 функционального преобразователя 1 подключены соответственно к шинам питания 41, 42. Выход 18 блока 1 имеет тепловую связь с аварийным выключателем 40 (аварийный выключатель 40 может быть установлен в тепловом контакте с выходом 18 блока 1). Конденсатор 43 включен параллельно шинам питания 41, 42. The terminals of the power source 33 are connected through an emergency switch 40 to the power buses 41, 42. The load 36, 37 through the switches 38.39 is connected to the power buses 41, 42. The terminals 12 and 16 of the functional converter 1 are connected to the power buses 41, 42, respectively. Output 18 of block 1 is in thermal communication with the emergency switch 40 (emergency switch 40 can be installed in thermal contact with the output 18 of block 1). The capacitor 43 is connected in parallel with the power buses 41, 42.

Функциональный преобразователь 1 работает следующим образом. Выходное напряжение источника 2 опорного сигнала регулируется так, чтобы оно равнялось предельно допустимому значению напряжения питания на шинах 41, 42. Эта регулировка выполняется либо выбором стабилитрона 19 с соответствующим напряжением стабилизации, либо регулировкой резистора 21. Делитель напряжения 23 усилителя 3 рассогласования регулируется так, чтобы при равенстве выходного напряжения делителя выходному напряжению источника 2 опорного сигнала на выходе усилителя 3 сигнал был равен нулю, а при превышении выходного сигнала делителя 23, напряжения источника 2 - выходной сигнал на выходе 7 усилителя 3 пропорционально увеличивался на величину рассогласования. Functional Converter 1 operates as follows. The output voltage of the reference signal source 2 is regulated so that it is equal to the maximum permissible value of the supply voltage on the buses 41, 42. This adjustment is performed either by selecting a zener diode 19 with the corresponding stabilization voltage, or by adjusting the resistor 21. The voltage divider 23 of the mismatch amplifier 3 is adjusted so that when the output voltage of the divider is equal to the output voltage of the reference signal source 2 at the output of amplifier 3, the signal was zero, and when the output signal of the divider was exceeded 23, the voltage of the source 2 - the output signal at the output 7 of the amplifier 3 was proportionally increased by the amount of the mismatch.

До тех пор, пока напряжение на шинах питания 41, 42 не превышает предельно допустимого значения, выходной сигнал на выходе 7 усилителя 3 равен нулю, управляемый эквивалент нагрузки 4 выключен, ток потребления функционального преобразователя 1 от источника питания весьма мал (порядка нескольких миллиампер, определяется потреблением тока стабилитроном 19, усилителем 22, делителем напряжения 23). As long as the voltage on the supply buses 41, 42 does not exceed the maximum permissible value, the output signal at the output 7 of the amplifier 3 is zero, the controlled load equivalent 4 is turned off, the current consumption of the functional converter 1 from the power source is very small (of the order of several milliamps, it is determined current consumption by a zener diode 19, an amplifier 22, a voltage divider 23).

В момент коммутации какой-либо нагрузки 36 или 37 выключателем 38 или 39 ток нагрузки генератора 34 резко изменяется, регулятор напряжения 35 изменяет ток возбуждения генератора 34 для поддержания неизменным напряжения в питающей сети. Однако вследствие инерционности электромеханического генератора 34 напряжение на выходе этого генератора начинает возрастать и в какой-то момент времени превысит предельно допустимое значение. В этот момент времени на выходе 7 усилителя 3 рассогласования появляется выходной сигнал, равный разности текущего значения напряжения сети питания и выходного напряжения источника 2. Этот разностный сигнал управляет по входу 8 эквивалентом нагрузки 4, который изменяет свое внутреннее сопротивление так, чтобы скомпенсировать воздействие выключенной нагрузки 36 (или 37) на генератор 34. Вследствие этого через управляемый эквивалент нагрузки 4 начинает протекать ток, эквивалентный току, ранее протекавшему через выключенную нагрузку 36 (37). При этом напряжение на выходе генератора 34 (на зажимах 12, 16 функционального преобразователя 1) уменьшается до уровня предельно допустимого значения. Затем по мере затухания переходных процессов в генераторе 34 напряжение на его выходе возвращается к номинальному значению, выходной сигнал на выходе 7 усилителя 3 становится равным нулю, эквивалент нагрузки 4 выключается, функциональный преобразователь 1 перестает воздействовать на генератор 34. At the moment of switching any load 36 or 37 by the switch 38 or 39, the load current of the generator 34 changes sharply, the voltage regulator 35 changes the excitation current of the generator 34 to maintain the voltage in the supply network unchanged. However, due to the inertia of the electromechanical generator 34, the voltage at the output of this generator begins to increase and at some point in time will exceed the maximum permissible value. At this point in time, an output signal appears at the output 7 of the mismatch amplifier 3, which is equal to the difference between the current value of the power supply voltage and the output voltage of the source 2. This differential signal controls input equivalent to load 4, which changes its internal resistance so as to compensate for the effect of the off load 36 (or 37) to the generator 34. As a result, a current equivalent to the current previously flowing through the off load 36 (37) begins to flow through the controlled equivalent of load 4. In this case, the voltage at the output of the generator 34 (at the terminals 12, 16 of the functional converter 1) decreases to the level of the maximum permissible value. Then, as the transient attenuation in the generator 34 attenuates, the voltage at its output returns to the nominal value, the output signal at the output 7 of the amplifier 3 becomes zero, the load equivalent 4 is turned off, the functional converter 1 ceases to affect the generator 34.

В случае отказа в системе электропитания, приводящего к длительному повышению напряжения на шинах 41, 42 сверх предельно допустимого значения эквивалент нагрузки 4 блока 1 включается на длительное время. Длительное протекание тока через эквивалент нагрузки приводит к разогреву его элементов, тепловой поток от нагретых элементов эквивалента нагрузки 4 передается по теплопроводу 17 на выход 18 блока 1. Так как аварийный выключатель 40 находится в тепловом контакте с выходом 18 и выполнен в виде теплового выключателя (в виде биметаллического контакта), то разогрев выключателя 40 приводит к его размыканию и выключению напряжения на нагрузке 36, 37. После устранения неисправности выключатель 40 замыкают. In the event of a failure in the power supply system, leading to a prolonged increase in voltage on the tires 41, 42 in excess of the maximum permissible value, the load equivalent 4 of unit 1 is turned on for a long time. A long flow of current through the load equivalent leads to heating of its elements, the heat flux from the heated elements of the load equivalent 4 is transmitted through the heat pipe 17 to the output 18 of unit 1. Since the emergency switch 40 is in thermal contact with the output 18 and is made in the form of a thermal switch (in in the form of a bimetallic contact), heating the switch 40 leads to its opening and turning off the voltage at the load 36, 37. After eliminating the malfunction, the switch 40 is closed.

При выполнении функционального преобразователя 1 согласно фиг. 2 он работает аналогичным образом. Броски напряжения в сети питания как в сторону увеличения от номинального значения, так и в сторону уменьшения (провалы напряжения питания) выпрямляются выпрямителем 24 и в виде напряжения постоянного тока поступают в цепь питания блоков 2, 3, 4. Поэтому функциональный преобразователь согласно фиг. 2 одинаково реагирует на броски напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. When the functional converter 1 according to FIG. 2 it works in a similar way. Voltage surges in the power supply network, both in the direction of increasing from the nominal value, and in the direction of decreasing (voltage dips) are rectified by the rectifier 24 and are supplied to the power supply circuit of blocks 2, 3, 4 as a DC voltage. Therefore, the functional converter according to FIG. 2 reacts equally to surges of both positive and negative polarity.

Управляемый эквивалент нагрузки согласно фиг. 3 работает в составе функционального преобразователя 1 следующим образом. The controllable load equivalent of FIG. 3 operates as part of the functional Converter 1 as follows.

Сигнал рассогласования, поступающий на вход 8 блока 4, пропорциональный разности между текущим значением напряжения, питающей сети и предельно допустимым значением напряжения, преобразуется АЦП 25 в цифровой код. Выходной сигнал АЦП 25 в виде двоичного кода с выходов 2⁰, 2¹,...,2ⁿ поступает на соответствующие входы цифрового управляемого сопротивления 26. Соответствующие ключи 29 открываются и подключают к шинам питания 11 и 15 соответствующие резисторы 30. Номиналы резисторов 30 выбраны следующим образом. Резистор 30, управляемый ключом 29 со входа 2^о, имеет сопротивление, равное (пропорциональное) 1/2^о Ом, резистор, управляемый со входа 2¹, имеет сопротивление 1/2¹ Ом, и так далее до сопротивления 1/2ⁿ Ом. Таким образом, чем больше сигнал рассогласования (чем выше бросок напряжения в сети питания), тем меньше сопротивление эквивалента нагрузки. Следовательно, эквивалент нагрузки приспосабливается (адаптируется) к сопротивлению внешней нагрузки, коммутируемой в сети питания (к нагрузке 36, 37). Так как сопротивление отключаемой нагрузки 36, 37 и сопротивление подключаемого к сети питания эквивалента нагрузки равны друг другу, то бросок напряжения генератора практически мгновенно компенсируется и не превышает предельно допустимого значения, установленного при регулировке аппаратуры. Так как функциональный преобразователь 1 имеет какую-то инерционность (время срабатывания блоков, входящих в его состав), то в схеме фиг.5 желательно предусмотреть конденсатор 43, который в начальный момент после броска напряжения сглаживает этот бросок до момента включения функционального преобразователя 1.The mismatch signal supplied to the input 8 of block 4, which is proportional to the difference between the current voltage value, the supply network and the maximum voltage value, is converted by the ADC 25 into a digital code. The output of the ADC 25 in the form of a binary code from the outputs 2 ⁰ , 2 ¹ , ..., 2 ^{n is} supplied to the corresponding inputs of the digital controlled resistance 26. The corresponding keys 29 are opened and the corresponding resistors 30 are connected to the power buses 11 and 15. The values of the resistors 30 selected as follows. The resistor 30 controlled by the key 29 from the input 2 ^o has a resistance equal to (proportional) 1/2 ^o Ohm, the resistor controlled from the input 2 ¹ has a resistance 1/2 ¹ Ohm, and so on to a resistance 1/2 ⁿ Ohm . Thus, the larger the error signal (the higher the voltage surge in the power supply), the lower the resistance of the load equivalent. Consequently, the load equivalent is adapted (adapted) to the resistance of the external load switched in the power supply network (to the load 36, 37). Since the resistance of the disconnected load 36, 37 and the resistance of the equivalent load connected to the power supply network are equal to each other, the surge voltage of the generator is almost instantly compensated and does not exceed the maximum permissible value established when adjusting the equipment. Since the functional converter 1 has some kind of inertia (the response time of the units included in its composition), it is desirable to provide a capacitor 43 in the circuit of Fig. 5, which at the initial moment after a voltage surge smooths this surge until the moment the functional converter 1 is turned on.

Управляемый эквивалент нагрузки согласно фиг. 4 работает следующим образом. При появлении на входе 8 блока 4 сигнала рассогласования этот сигнал преобразуется широтно-импульсным преобразователем 32 в импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна сигналу на входе 8. Этот импульсный сигнал через согласователь уровня 27 поступает на вход ключа 29 (на базу транзистора 29). Транзистор 29 открывается на время действия длительности импульса и закрывается на время паузы между импульсами. Ток, протекающий через резистор 30, подключенный между шинами 11, 15, пропорционален длительности открытого состояния ключа 29. Чем больше сигнал рассогласования на входе 8, тем больше средний ток, протекающий через резистор 30. Так как сигнал рассогласования на входе 8 пропорционален величине тока нагрузки, коммутируемой в сети питания, то и в этом варианте исполнения управляемый эквивалент нагрузки 4 адаптируется к внешней нагрузке источника питания. В остальном работа функционального преобразователя 1 с использованием управляемого эквивалента нагрузки согласно фиг. 4 не отличается от ранее описанного варианта. The controllable load equivalent of FIG. 4 works as follows. When a mismatch signal appears at the input 8 of block 4, this signal is converted by a pulse-width converter 32 into a pulse signal, the duration of which is proportional to the signal at input 8. This pulse signal, through a level matching device 27, is input to key 29 (to the base of transistor 29). The transistor 29 opens for the duration of the pulse duration and closes for a pause between pulses. The current flowing through the resistor 30 connected between the buses 11, 15 is proportional to the duration of the open state of the key 29. The larger the error signal at the input 8, the greater the average current flowing through the resistor 30. Since the error signal at the input 8 is proportional to the magnitude of the load current , switched in the power network, then in this embodiment, the managed equivalent load 4 is adapted to the external load of the power source. Otherwise, the operation of the functional converter 1 using the controlled load equivalent according to FIG. 4 does not differ from the previously described embodiment.

Если ток, коммутируемый во внешней нагрузке, не может быть скомпенсирован эквивалентом нагрузки, выполненным на одном ключе 29 и одном резисторе 30 (см. фиг. 4) из-за ограниченной мощности применяемого полупроводникового ключа 29, то можно использовать дополнительный ключ 29 с дополнительным резистором 30 (или несколько дополнительных ключей), включенный аналогично основному ключу 29 и резистору 30. If the current switched in the external load cannot be compensated by the load equivalent made on one key 29 and one resistor 30 (see Fig. 4) due to the limited power of the applied semiconductor switch 29, then an additional switch 29 with an additional resistor can be used 30 (or several additional keys) included similarly to the main key 29 and the resistor 30.

Использование того или иного варианта исполнения блока 4 определяется следующими соображениям. При использовании эквивалента нагрузки согласно фиг. 3 этот эквивалент практически не создает пульсаций на источнике питания, однако отличается большей сложностью в сравнении с вариантом согласно фиг. 4. The use of a particular embodiment of block 4 is determined by the following considerations. When using the load equivalent of FIG. 3, this equivalent practically does not create ripples on the power source, however, it is more complex in comparison with the embodiment according to FIG. 4.

Вариант по фиг. 4 может создать дополнительную пульсацию на источнике питания, так как ключ 29 постоянно включается и выключается (во все время перегрузки по сети питания), но этот вариант достаточно прост в реализации. The embodiment of FIG. 4 can create additional ripple on the power source, since the key 29 is constantly turned on and off (at the time of overload on the power supply network), but this option is quite simple to implement.

Реализованный на практике макет функционального преобразователя, выполненный согласно фиг. 1, имел вольт-амперную характеристику, показанную на фиг. 6. При напряжениях на выводах функционального преобразователя менее напряжения опорного сигнала (выбранного в данном варианте 21 В) ток, протекающий через функциональный преобразователь, не превышал 0,05 А. При повышении напряжения выше этого значения ток линейно возрастал до значений порядка 50 А (предельно допустимое значение для выбранного типа транзисторных ключей управляемого эквивалента нагрузки). Таким образом, предложенный функциональный преобразователь представляет собой модель ограничителя напряжения с характеристикой типа стабилитрона. Мощность рассеивания данного варианта исполнения составила 21 В х 50 А=1050 Вт. A practical mock-up of a functional converter made in accordance with FIG. 1, had a current-voltage characteristic shown in FIG. 6. At voltages at the terminals of the functional converter less than the voltage of the reference signal (21 V selected in this embodiment), the current flowing through the functional converter did not exceed 0.05 A. When the voltage increased above this value, the current increased linearly to values of the order of 50 A (maximum allowable value for the selected type of transistor switches managed load equivalent). Thus, the proposed functional converter is a voltage limiter model with a zener diode type characteristic. The dissipation power of this embodiment was 21 V x 50 A = 1050 W.

Вольт-амперная характеристика функционального преобразователя, выполненного согласно фиг. 2, представлена на фиг. 7. В данном варианте функциональный преобразователь моделирует двухполярный ограничитель напряжения, одинаково реагирующий на напряжение любой полярности как положительной, так и отрицательной. The current-voltage characteristic of the functional converter according to FIG. 2 is shown in FIG. 7. In this embodiment, the functional converter simulates a bipolar voltage limiter that responds equally to voltage of any polarity, both positive and negative.

В прототипе на полупроводниковом транзисторе (усилителе мощности) рассеивается мощность, равная произведению тока, протекающего через транзистор, на напряжение ограничителя. При пороге ограничения 21 В и токе 50 А на транзисторе прототипа рассеивается мощность 1050 Вт. Такие значения мощности на практике не дают возможность реализовать прототип на мощности 1 кВт и выше из-за отсутствия полупроводниковых транзисторов, способных работать при таких значениях мощности. In the prototype, a power equal to the product of the current flowing through the transistor and the voltage of the limiter is dissipated on a semiconductor transistor (power amplifier). With a threshold threshold of 21 V and a current of 50 A, a power of 1050 W is dissipated on the transistor of the prototype. Such power values in practice do not make it possible to implement a prototype at a power of 1 kW or higher due to the lack of semiconductor transistors capable of operating at such power values.

В предложенном устройстве при тех же самых значениях тока и напряжения на транзисторных ключах управляемого эквивалента нагрузки рассеивается мощность порядка 50 А х 1 В (величина остаточного напряжения на транзисторе, работающем в ключевом режиме) = 50 Вт. Остальная мощность рассеивается на резисторах управляемого эквивалента нагрузки. Это дает возможность конструировать функциональные преобразователи практически на любые мощности, увеличивая число ключей в эквиваленте нагрузки и обеспечивая теплоотвод от резисторов эквивалента нагрузки. In the proposed device, at the same current and voltage values on the transistor switches of the controlled load equivalent, a power of about 50 A x 1 V is dissipated (the value of the residual voltage on the transistor operating in the key mode) = 50 W. The remaining power is dissipated on the resistors of the controlled load equivalent. This makes it possible to design functional converters for almost any power, increasing the number of keys in the equivalent load and providing heat dissipation from the equivalent load resistors.

Таким образом, предложенный функциональный преобразователь отличается от прототипа следующим. Thus, the proposed functional Converter differs from the prototype as follows.

Во-первых, рассеиваемая на преобразователе мощность значительно превосходит допустимые значения для прототипа и составляет значения в 1 кВт и более. Firstly, the power dissipated on the converter significantly exceeds the permissible values for the prototype and amounts to 1 kW or more.

Во-вторых, предложенный функциональный преобразователь обладает свойством адаптации к внешним условиям, что проявляется в автоматическом изменении его внутреннего сопротивления в функции напряжения, приложенного к выводам преобразователя. Secondly, the proposed functional converter has the property of adapting to external conditions, which is manifested in the automatic change of its internal resistance as a function of the voltage applied to the terminals of the converter.

Кроме того, предложенный функциональный преобразователь имеет дополнительный выходной сигнал в виде теплового потока, который может быть использован для приведения в действие устройств аварийной защиты или аварийной сигнализации, в частности для приведения в действие исполнительных устройств аварийной защиты типа тепловых выключателей. In addition, the proposed functional converter has an additional output signal in the form of a heat flux, which can be used to actuate emergency protection or alarm devices, in particular, to actuate emergency protection actuators such as thermal switches.

Предложенный функциональный преобразователь может ограничивать напряжения любой полярности, в то время как прототип - только напряжение одной полярности. The proposed functional converter can limit the voltage of any polarity, while the prototype is only the voltage of one polarity.

Указанные свойства расширяют функциональные возможности предложенного преобразователя и увеличивают допустимую мощность, рассеиваемую преобразователем. These properties expand the functionality of the proposed Converter and increase the allowable power dissipated by the Converter.

Предложенный функциональный преобразователь может быть использован как модель мощного ограничителя напряжения при моделировании устройств автоматики, вычислительной техники, а также в качестве устройства защиты блоков автоматики от случайных бросков напряжения или тока в цепях питания, вызванных переходными процессами в системе энергоснабжения, или от случайных наводок, вызванных воздействием мощных источников помех на аппаратуру автоматики. The proposed functional converter can be used as a model of a powerful voltage limiter for modeling automation devices, computer equipment, and also as a device for protecting automation units from accidental surges of voltage or current in power circuits caused by transients in the power supply system, or from accidental interference caused by the impact of powerful sources of interference on automation equipment.

Claims

1. FUNCTIONAL CONVERTER containing a reference signal source, the power supply bus of which serves as input terminals of a functional converter, characterized in that a mismatch amplifier and a controlled load equivalent are introduced into it, the output of a reference signal source is connected to the input of a mismatch amplifier, the output of which is connected to the control input of a controlled load equivalent, the power circuit of the mismatch amplifier and the controlled load equivalent are combined and connected to the corresponding busbars reference source.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the controlled load equivalent is made in the form of an analog-to-digital converter and digital controlled resistance, the input of the analog-to-digital converter serves as the control input of the controlled load equivalent, the output of the analog-to-digital converter is connected to the corresponding digital inputs digital controlled resistance, the analog outputs of which are connected to the corresponding power supply busbars of the controlled equivalent load.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the controllable load equivalent is made in the form of a pulse-width converter and a switch with a resistive load, and the pulse-width converter input serves as the control input of the controlled load equivalent, the pulse-width converter output is connected to the control input a key whose resistive load is connected to the busbars of the managed equivalent load.

4. The Converter according to claim 1, characterized in that it further comprises a rectifier connected between the input and power buses of the functional converter.

5. The Converter according to claim 1, characterized in that it further comprises a heat conductor having thermal contact with a controlled load equivalent and serving as the alarm output of the functional converter.