Структура и алгоритмы работы ограничителей пускового тока для бортовых систем электропитания

Ограничители пускового тока (ОПТ) широко применяются для построения систем электропитания бортовой РЭА, первичный источник электропитания которых ограничен по мощности и не допускает бросков потребляемого тока. К таковым относятся, например, системы вторичного электропитания (СВЭП) космических аппаратов, первичный источник питания которых (аккумуляторная батарея) имеет ограниченные энерго­ресурсы. Обычно ОПТ включается на входе СВЭП, ограничивая зарядный ток конденсаторов входных фильтров всей группы модулей электропитания и защищая заодно контакты электромеханического силового контактора, коммутационный ресурс которых невелик.

На рис. 1 приведена функциональная схема ОПТ с «минусовой» общей шиной, регулирующий элемент (РЭ) которого работает в режиме непрерывного регулирования [1]. Обозначим эту структуру как ОПТ1. Она содержит регулирующий элемент РЭ, резисторный датчик тока R_ДТ, источник опорного напряжения U_ОП и регулирующий усилитель У.

Рис. 1. Функциональная схема ОПТ1 с регулирующим элементом в режиме непрерывного регулирования

Максимальное значение тока ОПТ1 I_ОПТ.max устанавливается номиналом резистора — датчика тока R_ДТ: I_ОПТ.max = U_ОП/R_ДТ. Выходной конденсатор С имеет небольшую емкость и играет роль корректирующего во время работы ОПТ в режиме ограничения тока. При токе регулирующего элемента РЭ I_РЭ< I_РЭ.max сигнал на выходе усилителя У максимален и регулирующий элемент РЭ открыт. При увеличении тока нагрузки до значения I_РЭ.max сигнал на выходе усилителя У уменьшается, переводя регулирующий элемент РЭ в линейный режим и ограничивая тем самым ток через него и в нагрузке значением I_РЭ.max. Установившееся значение выходного напряжения ОПТ при этом U_ВЫХ = R_Н×I_РЭ.max, где R_Н — эквивалентное активное сопротивление нагрузки. На РЭ в этом режиме выделяется мощность Р_РЭ = (U_ВХ–U_ВЫХ) ×I_РЭ.max, а при коротком замыкании на выходе — Р_РЭ.max = U_ВХ × I_РЭ.max!

Недостатком рассмотренного ОПТ является увеличенная мощность, выделяемая на РЭ во время запуска СВЭП или при коротком замыкании на его выходе, что влечет за собой перегрев регулирующего элемента и ограничивает время действия перегрузки на уровне сотен микросекунд —  единиц миллисекунд. Поэтому ОПТ с непрерывным режимом регулирования РЭ применяется только при малых токах нагрузки (до 1–2 А). Но даже в этом случае необходимо предусмотреть ограничение длительности перегрузки РЭ во время КЗ в нагрузке включением в схему специального таймера, принудительно выключающего РЭ по истечении указанного времени (на рис. 1 не показан).

Другой путь решения этой проблемы — перевод РЭ при перегрузке в импульсный режим работы. В [1] приведена электрическая схема одного из вариантов ОПТ с «импульсным» алгоритмом работы РЭ. На рис. 2 показана его функциональная схема. Назовем эту структуру ОПТ2.

Рис. 2. Функциональная схема ОПТ2 с импульсным режимом работы РЭ при перегрузках

Усилитель У измеряет ток в «минусовой» шине питания с помощью резистора — датчика тока R_ДТ и управляет работой регулирующего элемента РЭ. Драйвер Др преобразует выходной сигнал У в управляющее напряжение U_У.РЭ формата, требуемого для быстрого открывания и запирания РЭ. Для устойчивой работы ОПТ в режиме переключения РЭ усилитель У охвачен положительной обратной связью на резисторах R1R2.

В установившемся режиме работы ОПТ2 справедливо соотношение I_Н = I_L = I_ДТ, на выходе У напряжение близко к нулю — U_У.ВКЛ ≈ 0, на выходе драйвера Др — напряжение U_РЭ.ВКЛ, обеспечивающее открывание РЭ. Рабочий ток протекает от источника входного напряжения через открытый РЭ, дроссель L, нагрузку и резистор — датчик тока R_ДТ. На рис. 3 показаны эпюры сигналов во время включения ОПТ при запуске на емкостную нагрузку.

Рис. 3. Эпюры сигналов ОПТ2 при запуске на емкостную нагрузку

При включении ОПТ, когда происходит зарядка конденсатора С и конденсаторов входных фильтров подключенных на выход ОПТ модулей питания СВЭП, ток нагрузки увеличивается, и при напряжении на датчике тока U_{ДТ.ВЫКЛ} = U_ОП×(1+R1/R2) на выходе У скачкообразно устанавливается напряжение U_У.ВЫХ, на выходе драйвера Др — 0 и РЭ закрывается. Это выражение справедливо при условии, когда R1, R2 >> R_ДТ, что легко выполняется во всех практических реализациях ОПТ. Ток в дросселе L начинает уменьшаться, протекая теперь через замыкающий диод VD, нагрузку и R_ДТ. При напряжении на R_ДТ U_ДТ.ВКЛ = U_ОП × (1+R2/R1)–U_У.ВЫХ × R2/R1 напряжение на выходе У вновь устанавливается на уровне 0, на выходе Др — напряжение U_РЭ.ВКЛ, РЭ вновь открывается и процесс повторяется. Таким образом, резисторами R1R2 реализован гистерезис напряжения на датчике тока R_ДТ:

ΔU_ДТ = U_ДТ.ВКЛ–U_{ДТ.ВЫКЛ} = U_У.ВЫХ × R2/R1.

От выражений напряжения переключения U_ДТ.ВКЛ, U_{ДТ.ВЫКЛ} через R_ДТ просто перейти к соответствующим значениям токов I_ДТ.ВКЛ, I_{ДТ.ВЫКЛ}:

I_ДТ.ВКЛ = U_ДТ.ВКЛ/R_ДТ;

I_{ДТ.ВЫКЛ} = U_{ДТ.ВЫКЛ}/R_ДТ.

С каждым периодом работы напряжение на выходе ОПТ увеличивается до тех пор, пока на очередном периоде работы ток I_ДТ уже не достигает значения I_{ДТ.ВЫКЛ}. РЭ остается открытым и переходный процесс включения заканчивается. ОПТ на этапе запуска работает как импульсный преобразователь релейного типа, у которого меняется как длительность открытого состояния РЭ, так и длительность его закрытого состояния. Такой алгоритм включения обеспечивает минимальное время переходного процесса нарастания выходного напряжения ОПТ при фиксированном потребляемом токе среди всех других импульсных способов управления РЭ (ШИМ, ЧИМ).

РЭ в режиме перегрузки или запуска ОПТ2 работает в импульсном режиме. Мощность, выделяющаяся на нем, многократно меньше аналогичного показателя структуры ОПТ1, поэтому длительность перегрузки значения не имеет. Он, фактически, теперь является не ограничителем пускового тока, а просто ограничителем тока (ОТ), защищая узлы СВЭП во всех режимах работы, а не только при запуске. Так, например, при выходе из строя одного из модулей питания СВЭП, ОПТ2 ограничивает потребляемый им ток и защищает его от полного разрушения. Кроме того, в установившемся режиме LC-элементы устройства работают как помехоподавляющий фильтр с эффективным диапазоном фильтрации до нескольких десятков мегагерц.

В установившемся режиме суммарное падение напряжения на открытом РЭ, L и ДТ практически не отличается от аналогичного параметра ОПТ1 и составляет для современных элементов доли вольт. Кроме того, необходимо учитывать, что нагрузка должна выбираться на максимальное значение среднего выходного тока I_ВЫХ.max = (I_ДТ.ВКЛ+I_{ДТ.ВЫКЛ})/2, хотя в импульсный режим ОПТ2 переходит при максимальном значении тока I_ВЫХ. = I_{ДТ.ВЫКЛ}.

Особенностью рассмотренного ОПТ является отсутствие общего для входа и выхода провода, что ограничивает его функциональные возможности и сужает область применения. Этот недостаток устранен в ОПТ, функциональная схема которого показана на рис. 4 [2]. Здесь, кроме перечисленных выше узлов, в состав ОПТ включен одновибратор Од. Назовем эту структуру ОПТ3.

Рис. 4. Функциональная схема ОПТ3 с общей шиной и импульсным режимом работы РЭ при перегрузках

Максимальное значение тока через регулирующий элемент РЭ и датчик тока R_ДТ устанавливается так же, как и в ОПТ2. В установившемся режиме работы при токе регулирующего элемента РЭ I_РЭ< I_РЭ.max сигнал на выходе усилителя У максимален. Одновибратором Од он дискриминируется как логическая единица и на его выходе удерживается сигнал логического нуля. При этом РЭ открыт. При увеличении тока через него до значения I_РЭ.max сигнал на выходе усилителя У уменьшается. Когда его значение достигнет уровня логического нуля, одновибратор Од запускается. Напряжение на его выходе скачкообразно устанавливается на уровне логической единицы и удерживается в этом состоянии в течение времени задержки t_ЗАД, запирая РЭ на указанное время. Таким способом в ОПТ3 формируется пауза в работе РЭ, за время которой ток в дросселе L уменьшается. По окончании паузы усилитель У и одновибратор Од возвращаются в исходное состояние, РЭ открывается и ток через РЭ, L и С вновь начинает увеличиваться. В итоге, при перегрузке по току на выходе ОПТ3, аналогично ОПТ2, переходит в импульсный режим работы, ограничивая максимальное значение тока через РЭ и нагрузку на уровне I_РЭ.max. При этом РЭ также работает в режиме переключения с минимальной рассеиваемой на нем мощностью. Полезно также во время длительной перегрузки на выходе переводить ОПТ в прерывистый режим работы, когда интервал времени, отведенного на запуск t_ЗАП, чередуется с интервалом выключенного состояния РЭ t_ВЫКЛ, причем t_ЗАП<< t_ВЫКЛ.
В этом случае перегрев РЭ уменьшается в t_ВЫКЛ/t_ЗАП раз.

После окончания переходного процесса заряда выходного конденсатора С параметры структур ОПТ2 и ОПТ3 по постоянному току практически эквивалентны. Все преимущества структуры ОПТ2 являются таковыми же и для структуры ОПТ3. Относительно небольшая мощность рассеивания на РЭ во время запуска и перегрузки позволяет проектировать на основе этих структур ОПТ на токи в десятки ампер.

При фиксированном значении I_РЭ.max максимальная выходная мощность ОПТ в установившемся режиме работы изменяется пропорционально изменению выходного (входного) напряжения, что сужает его функциональные возможности. Чтобы этот параметр оставался неизменным, в схему ОПТ необходимо ввести дополнительные цепи, реализующие обратно пропорциональную зависимость изменения U_ОП от входного напряжения в диапазоне U_ВХ.min ≤ U_ВХ ≤ U_ВХ.max, как это предложено в [3]. Реализуя же кратковременное увеличение U_ОП на этапе включения, можно пропорционально уменьшать время включения ОПТ.