Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания и для коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока с защитой от перегрузки по току и перегреву электронного ключа в бесконтактных коммутирующих устройствах (БКУ), контроллерах нагрузки и электронных реле времени.

Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1], содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки, первый и второй релейные элементы, ждущий мультивибратор (одновибратор), элемент И, триггер и элемент ИЛИ.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и область применения, невозможность контроля текущего состояния тока нагрузки, температуры электронного ключа, отсутствие индикации неправильного функционирования коммутатора напряжения: обрыва нагрузки, режима перегрузки по току, отключения блока нагрузки при перегреве электронного ключа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, описанный в патенте RU 2258302 [2], содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, эталонный резистор, транзистор и ограничительный резистор, первый и второй релейные элементы, одновибратор, элемент И, триггер и элемент ИЛИ, индикатор, задатчик напряжения и операционный усилитель.

Недостатками предложенного устройства также являются ограничение функциональных возможностей и области применения, кроме того, низкая надежность, обусловленная большим энергопотреблением, так как включенные последовательно с нагрузкой датчик тока, электронный ключ, эталонный резистор, транзистор и токоограничительный резистор имеют большое сопротивление в режиме насыщения электронного ключа; отсутствие защиты коммутатора от перегрева, невозможность контроля текущего состояния тока нагрузки, температуры электронного ключа и обрыва цепи блока нагрузки коммутатора.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей, области применения и повышение надежности коммутатора напряжения за счет снижения энергопотребления, оперативного контроля тока нагрузки, температуры коммутатора и обрыва в цепи нагрузки, а также введения защиты коммутатора от перегрева электронного ключа.

Для решения этой задачи в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, первый и второй релейные элементы, одновибратор, элемент И, триггер, элемент ИЛИ, индикатор, задатчик напряжения и операционный усилитель (при этом датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки соединены последовательно и подключены к источнику коммутируемого напряжения), дополнительно введены третий и четвертый релейные элементы, датчик температуры, представляющий собой двухполюсник, состоящий из кремневого транзистора VT1 р-n-р или n-р-n типа и трех последовательно соединенных резисторов R1-R3, причем, первый вывод резистора R1 подключен к положительной шине второго источника напряжения питания Е, второй вывод резистора R1 соединен с первым выводом резистора R2, выходом датчика температуры и эмиттером транзистора VT1, база которого подключена к точке соединения резисторов R1, R2, а коллектор подключен к отрицательной шине второго источника напряжения питания Е и второму выводу резистора R3, второй одновибратор и узел гальванической развязки, входы которого являются входами включения/выключения коммутатора напряжения, а выход соединен с первым входом элемента И и входом второго одновибратора. Выход второго одновибратора соединен с R-входом триггера, выход которого соединен со вторым входом элемента И, а третий вход элемента И соединен с выходом четвертого релейного элемента, при этом выход элемента И подключен к входу электронного ключа. Входы операционного усилителя подключены к датчику тока, а выход соединен с выводом коммутатора, на котором формируется напряжение, пропорциональное току нагрузки, а также с первыми входами первого, второго и третьего релейных элементов, вторые входы которых соответственно соединены с первым, вторым и третьим выходами задатчика напряжения, четвертый выход которого соединен с первым входом четвертого релейного элемента, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры и выводом коммутатора, на котором формируется напряжение, пропорциональное температуре электронного ключа, причем, выходы первого, второго и третьего релейных элементов соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого одновибратора, выход его соединен с S-входом триггера, вход блока индикации соединен с выходом третьего релейного элемента и входом элемента ИЛИ.

На чертеже приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току.

На чертеже: 1, 2 - входы включения/выключения коммутатора напряжения, 3 - датчик тока, 4 - электронный ключ, 5 - блок нагрузки, 6 - триггер, 7 - элемент ИЛИ, 8 - первый одновибратор, 9 - элемент И, 10 - первый релейный элемент, 11 - второй релейный элемент, 12 - третий релейный элемент, 13 - четвертый релейный элемент, 14 - операционный усилитель, 15 - задатчик напряжения, 16 - блок индикации, 17 - второй одновибратор, 18 - узел гальванической развязки, 19 - датчик температуры, 20 - вывод коммутатора, напряжение на котором пропорционально току нагрузки, 21 - вывод коммутатора, напряжение на котором пропорционально температуре электронного ключа.

На чертеже приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь непринципиальные отличия. Так, узел гальванической развязки 18 может быть выполнен как с помощью оптоэлектронного элемента, так и трансформатора. В качестве датчика тока нагрузки 3 использован безындукционный низкоомный резистор сопротивлением 1 мОм. Задатчик напряжения 15 представляет собой регулятор напряжения, например, потенциометр.

Источник напряжения питания U_п является источником энергии для блока нагрузки 5, его номинальное напряжение зависит от типа аппаратуры, в котором применяется предлагаемое устройство, и может составлять, например, 27, 60, 130 В.

Второй источник напряжения питания Е служит для питания элементов устройства, задатчика напряжения 15 и датчика температуры 19. Его напряжение определяется типом применяемых элементов и может составлять, например, 9 В.

Входы включения/выключения коммутатора напряжения 1, 2 соединены с входами узла гальванической развязки 18, выход которого соединен с первым входом элемента И 9 и входом второго одновибратора 17, выход которого соединен с R-входом триггера 6, выход которого соединен со вторым входом элемента И 9, третий вход которого соединен с выходом четвертого релейного элемента 13, а выход элемента И 9 соединен со входом электронного ключа 4, входы операционного усилителя 14 подключены к датчику тока 3, а выход операционного усилителя 14 соединен с выводом коммутатора 20 и с первыми входами релейных элементов 10, 11, 12, вторые входы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам задатчика напряжения 15, четвертый выход которого соединен с первым входом четвертого релейного элемента 13, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры 19, выводом коммутатора 21, причем, выходы релейных элементов 10, 11, 12 соединены с входами элемента ИЛИ 7, выход которого подключен к входу первого одновибратора 8, а выход его соединен с S-входом триггера 6, вход блока индикации 16 соединен с выходом третьего релейного элемента 12.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом.

По сигналу, подаваемому на входы включения / выключения 1, 2 коммутатора напряжения, узел гальванической развязки 18 формирует положительный сигнал, поступающий на первый вход элемента И 9, и одновременно запускает второй одновибратор 17, который переключает триггер 6 в состояние, когда на его выходе формируется положительный сигнал, поступающий на второй вход элемента И 9, и, если температура электронного ключа 4 меньше критической температуры, при которой происходит выключение электронного ключа и коммутатора, то на третий вход элемента И 9 с выхода четвертого релейного элемента 13 также поступает сигнал "логическая 1", который разрешает элементу И 9 включить электронный ключ 4.

Электронный ключ 4 подключает блок нагрузки 5 и датчик тока 3 к источнику напряжения питания U_п.

В зависимости от параметров нагрузки, тока I₁ в переходном процессе, длительности переходного процесса, тока I₂ в установившемся режиме, минимально возможного тока коммутации I₃ и температуры электронного ключа, определяются значения порога срабатывания h₁ и задержки тока t₁ первого релейного элемента 10, значение порога срабатывания h₂ и задержки тока t₂ второго релейного элемента 11, значение порога срабатывания h₃ третьего релейного элемента 12, значение порога срабатывания h₄ четвертого релейного элемента 13.

Значения h₁, h₂, h₃, h₄ определяют по формулам:

где:

I₁ - ток, в переходном процессе;

I₂ - ток, в установившемся режиме;

I₃ - минимально возможный ток коммутации;

R_ш - сопротивление датчика тока 3;

К_y - коэффициент усиления операционного усилителя 14;

Е - напряжение второго источника напряжения питания, служащего для питания элементов устройства и датчика температуры 19;

R₁, R₂, R₃ - сопротивление резисторов R1, R2, R3 датчика температуры 19;

T_cvd - температурный коэффициент одного р-n перехода кремневого транзистора;

Т_кр°С - критическая температура, при которой происходит выключение электронного ключа 4;

Т°С - температура окружающей среды.

С помощью задатчика напряжения 15 формируют напряжения, соответствующие порогам срабатывания h₁-h₄ релейных элементов.

Рассмотрим состояние электронного ключа 4, если в момент включения ток нагрузки I_n лежит в пределах I₃<I_n<I₁.

В этом случае напряжение на выходе операционного усилителя 14 меньше порогов срабатывания h₁, h₂ релейных элементов 10, 11 и больше порога срабатывания h₃ третьего релейного элемента 12. Так как выходное напряжение операционного усилителя 14 поступает на неинвертирующие входы первого и второго релейных элементов 10, 11 и на инвертирующий вход третьего релейного элемента 12, они не включаются, и электронный ключ 4 остается закрытым после его включения.

Если в момент включения ток I_n>I₁, то напряжение на выходе операционного усилителя 14 превысит значение порога срабатывания h₁, и произойдет включение первого релейного элемента 10, при этом выходной сигнал "логическая 1" поступает на вход элемента ИЛИ 7, который запускает первый одновибратор 8, выходной сигнал которого по S-входу переводит триггер 6 в состояние, когда на его выходе формируется сигнал "логический 0", который через элемент И 9 выключает электронный ключ 4.

Если в процессе работы произойдет увеличение тока нагрузки I_n до величины I₂, то в этом случае включается второй релейный элемент 11, выходной сигнал которого через элемент ИЛИ 7 запускает первый одновибратор 8 и по S-входу триггера 6 выключает его, вследствие чего выключается электронный ключ 4.

Если в момент включения или в процессе работы произойдет уменьшение тока нагрузки I_n и при этом I₃≤0,1I_n или произойдет обрыв блока нагрузки 5, то напряжение на выходе операционного усилителя 14 станет меньше значения порога срабатывания h₃, а в случае обрыва блока нагрузки 5 - может быть равно нулю. Так как напряжение порога срабатывания h₃, поступающего на неинвертирующий вход третьего релейного элемента 12, становится больше напряжения с выхода операционного усилителя 14, то в этом случае включается третий релейный элемент 12, который через элемент ИЛИ 7, первый одновибратор 8, триггер 6 и элемент И 9 выключает электронный ключ 4.

Если в процессе работы коммутатора напряжения повысится температура окружающей среды или возрастет ток нагрузки I_n до значения, например, 0,8I₁, при котором еще не срабатывает первый релейный элемент 10, то в этом случае увеличивается сопротивление насыщения электронного ключа 4, что приведет к его разогреву.

Датчик температуры 19 представляет собой двухполюсник, выполненный на кремневом транзисторе р-n-р или n-р-n типа и трех последовательно соединенных резисторов R1, R2, R3.

В формуле (4) первое выражение

задает значение выходного напряжения на выводе коммутатора 21 и выходе датчика температуры 19, пропорциональное температуре окружающей среды Т°С.

В формуле (4) выражение

определяет изменение напряжения на выходе датчика температуры 19 при изменении температуры эксплуатации на 1°С.

Подобрав отношение , например, равное 9, и учитывая, что Т_cvd≈2,3 мВ/град, получим, что при нагревании электронного ключа на 1°С, напряжение на выходе датчика температуры 19 уменьшается на 10 мВ.

Такая схема датчика температуры 19 позволяет повысить точность срабатывания четвертого релейного элемента 13.

Пусть в процессе функционирования коммутатора напряжения температура его увеличилась, и напряжение с датчика температуры 19 достигло значения порога срабатывания h₄ четвертого релейного элемента 13. В этом случае четвертый релейный элемент 13 формирует на выходе сигнал "логический 0", который поступает на вход элемента И 9 и выключает электронный ключ 4. Температура электронного ключа 4 и датчика температуры 19 уменьшается, напряжение на выходе датчика температуры увеличивается и становится больше порога срабатывания h₄. При этом значении h₄ четвертый релейный элемент 13 переключается и на его выходе вновь формируется положительное напряжение, которое включает электронный ключ 4. Такой режим работы четвертого релейного элемента 13 будет продолжаться до тех пор, пока не будет устранена причина повышения температуры электронного ключа.

Введение в коммутатор напряжения узла гальванической развязки 18 и второго источника напряжения питания Е расширяет функциональные возможности заявляемого устройства, так как блок нагрузки 5 можно подключать как к положительной, так и к отрицательной шине источника напряжения питания U_п.

Рассмотрим процесс определения фактических параметров коммутатора напряжения и определим значения токов I₁, I₂, при которых происходит выключение электронного ключа 4.

В реальном коммутаторе напряжения ток I₁ представляет собой ток перегрузки коммутатора как в переходном процессе, так и в установившемся режиме и его значение составляет (3-4)I_n.

Задержка выключения t1 электронного ключа 4 при токе I₁ составляет (0,1-0,5) мс. Ток I₁ представляет собой ток короткого замыкания и его значение составляет (6-8)I_n.

При этом задержка выключения t₂ электронного ключа 4 в несколько раз меньше t₁ и равна (20-40) мкс. Ток I₃=0,1I_n.

Температура выключения электронного ключа 4 Т_кр°С при его перегреве находится в интервале от 110 до 120°С. С учетом принятых определений I₁, I₂, I₃, t₁, t₂, Т_кр°С и их значений можно составить таблицу, определяющую характер неисправности коммутатора напряжения.

Таблица
№ позиции	Выходной сигнал операционного усилителя Uy, Выходной сигнал датчика температуры Uдт	Контролируемый параметр	Состояние индикатора	Характер неисправности
1	2	3	4	5
1	Uy<h1	I1 - ток перегрузки	0	I1<(3-4)In
				нормальная
				работа
1	2	3	4	5
2	Uy<h2	I2 - ток К3	0	I2<(6-8)In
				нормальная
				работа
3	Uy>h3	I3 - минимальный	0	I3>0,1In,
		ток нагрузки		нормальная
				работа
4	Uдт>h4	Tкр°C	0	T°С<Tкр°С
				нормальная
				работа
5	Uy>h1	I1; t≥t1	1	I1≥(3-4)In
				перегрузка по
				току
6	Uy>h2	I2; t≤t1	1	I2≥(6-8)In короткое
				замыкание
7	U2<h3	I3	1	I3≤0,1In
				обрыв нагрузки
8	Uдтт<h4	Tкр°C	1;0	T°С≥Tкр°С
				перегрев

Пусть в момент включения коммутатора напряжение на выходе операционного усилителя 14 и выводе коммутатора 20 будет больше порога срабатывания h₃ и меньше порогов срабатывания h₁ и h₂ (позиции 1-3 таблицы). В этом случае ток нагрузки 0,1 I_n<I_n<I₂, релейные элементы 10, 11, 12 остаются выключенными, триггер 6 находится в состоянии "логическая 1", электронный ключ 4 остается включенным, а блок индикации 16, реализованный, например светодиодом, будет находиться в выключенном состоянии (обозначим это состояние «0»). Таким образом, нахождение блока индикации 16 в выключенном состоянии после формирования сигналов согласно позициям 1-3 таблицы свидетельствует о правильной настройке релейных элементов 10, 11, 12, определяющих соответственно допустимое значение тока перегрузки I_n, тока короткого замыкания I₂, минимально допустимого тока нагрузки, равного 0,1I_n, и о нормальном функционировании коммутатора.

Пусть в момент включения коммутатора напряжение на выходе операционного усилителя 14 будет больше значения порога срабатывания h₁ первого релейного элемента 10, но меньше порога срабатывания h₂ второго релейного элемента 11 и длительность сигнала в момент включения будет больше длительности задержки t₁, тогда после формирования сигналов согласно позиции 5 таблицы, блок индикации 16 будет находиться в включенном состоянии, так как срабатывает первый релейный элемент 10, который через элемент ИЛИ 7 запускает одновибратор 8 и переводит триггер 6 в состояние, когда на его выходе формируется сигнал "логический 0", который через элемент И 9 выключает электронный ключ 4, отключая блок нагрузки 5 от источника напряжения питания U_п.

Так как ток нагрузки I_n=0, то на датчике тока 3 не создается падение напряжения, и при этом на выходе операционного усилителя 14 напряжение U_y=0 становится меньше значения порога срабатывания h₃ третьего релейного элемента 12. Третий релейный элемент срабатывает и своим выходным сигналом переводит блок индикации 16 во включенное состояние, индицирующее отсутствие тока в цепи нагрузки согласно позиции 7 таблицы.

Пусть в какой-то момент времени, например, из-за отказа, ток нагрузки I_n>I₂, то через время t₂ включится второй релейный элемент 11, который через элемент ИЛИ 7, одновибратор 8, триггер 6, элемент И 9 выключает электронный ключ 4, при этом включится третий релейный элемент 12 и своим выходным сигналом переводит индикатор 16 во включенное состояние, индицирующее отсутствие тока в цепи нагрузки, согласно позиции 6 таблицы.

Если в процессе работы произойдет нагрев электронного ключа 4 и его температура станет выше температуры Т_кр°С, то включится четвертый релейный элемент 13. Его выходной сигнал "логический 0" через элемент И 9 выключает электронный ключ 4, при этом ток нагрузки I_n=0, падение напряжения на датчике тока 3 также станет равным нулю и выходное напряжение операционного усилителя 14 станет меньше значения порога срабатывания h₃ третьего релейного элемента 12, который включится и своим выходным сигналом включит блок индикации 16, позиция 8 таблицы.

После выключения электронного ключа 4 температура его уменьшается, напряжение на выходе датчика температуры 19 становится меньше значения h₃, и четвертый релейный элемент 13 выключается, включая тем самым электронный ключ 4, третий релейный элемент 12 выключается, включая блок индикации 16, согласно позиции 4 таблицы.

Если температура электронного ключа 4 вновь повысится до Т_кр°С, то процесс его выключения/включения повторится и будет продолжаться до тех пор, пока температура не нормализуется.

Значение порогов срабатывания h₁-h₄ релейных элементов 10-13 можно изменить задатчиком напряжения 15 для каждого конкретного вида коммутатора напряжения в зависимости от тока нагрузки I_n и температуры выключения электронного ключа 4 при его перегреве, всегда сохраняя заданный запас защиты от перегрузки и перегрева.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности и область применения, повышает надежность за счет снижения энергопотребления, оперативного контроля тока нагрузки, температуры электронного ключа и обрыва в цепи нагрузки, а также введения защиты коммутатора от перегрева электронного ключа.

Таким образом, введение в устройство третьего и четвертого релейных элементов, датчика температуры, второго одновибратора и узла гальванической развязки, а также использование новых функциональных связей обеспечило возможность осуществления оперативного контроля текущего состояния тока нагрузки, температуры электронного ключа, расширило функциональные возможности и область применения коммутатора напряжения.

В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы логические элементы И, ИЛИ, одновибраторы, триггеры любых серий, стандартные релейные элементы, например, коммутаторы серии 531САЗ, электронные ключи, операционные усилители, например, серии 1467, транзисторы, регуляторы напряжения (потенциометры), светодиоды.

Источники информации

1. Патент RU 2208291 C2, кл. Н03К 17/08.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Дата приоритета 11.07.2001 г.

2. Патент RU 2258302 C2, кл. Н03К 17/08.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Дата приоритета 22.07.2003 г.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, первый и второй релейные элементы, одновибратор, элемент И, триггер, элемент ИЛИ, индикатор, задатчик напряжения и операционный усилитель, при этом датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки соединены последовательно и подключены к источнику коммутируемого напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый релейные элементы, датчик температуры, представляющий собой двухполюсник и состоящий из кремневого р-n-р или n-р-n транзистора и трех последовательно соединенных резисторов, причем первый вывод первого резистора подключен к положительной шине второго источника напряжения питания, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора, выходом датчика температуры и эмиттером кремневого транзистора, база которого подключена к точке соединения второго и третьего резисторов, а коллектор подключен к отрицательной шине второго источника напряжения питания и второму выводу третьего резистора, второй одновибратор и узел гальванической развязки, входы которого являются входами включения/выключения коммутатора напряжения, а выход соединен с первым входом элемента И, а также входом второго одновибратора, выход которого соединен с R-входом триггера, выход которого соединен со вторым входом элемента И, а третий вход элемента И соединен с выходом четвертого релейного элемента, а выход элемента И подключен к входу электронного ключа, входы операционного усилителя подключены к датчику тока, а выход соединен с выводом коммутатора, на котором формируется напряжение, пропорциональное току нагрузки, и с первыми входами первого, второго и третьего релейных элементов, вторые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами задатчика напряжения, четвертый выход которого соединен с первым входом четвертого релейного элемента, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры и выводом коммутатора, на котором формируется напряжение, пропорциональное температуре электронного ключа, причем выходы первого, второго и третьего релейных элементов соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого одновибратора, а его выход соединен с S-входом триггера, вход блока индикации соединен с выходом третьего релейного элемента и входом элемента ИЛИ.