Коммутатор напряжения с защитой от перегрузок по току

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузок по току

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания для защиты от перегрузки по току блока нагрузки, источника питания и электронного ключа самого коммутатора напряжения.

Известен стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, датчик тока, блок нагрузки и второй транзистор, управляющий электронным коммутатором [1].

Недостаток известного устройства состоит в том, что при повышении тока в нагрузке сверх допустимого, например, из-за отказа в нагрузке открывается второй транзистор и уменьшает ток, протекающий через электронный коммутатор, снижая, тем самым, напряжение на нагрузке. Это устройство не осуществляет полное отключение нагрузки от источника напряжения, что во многих случаях является недопустимым из-за большой вероятности выдачи отказавшим устройством ложных сигналов или команд.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, описанный в [2]. Этот коммутатор напряжения содержит соединенные последовательно с блоком нагрузки электронный ключ и датчик тока нагрузки, а также RS-триггер и блок защиты от перегрузок по току, обеспечивающий через схему ИЛИ выключение коммутатора при любой перегрузке по току.

Недостаток известного устройства заключается в его функциональной неопределенности и состоит в том, что после включения нагрузки, срабатывания защиты от перегрузки по току (например, при коротком замыкании в блоке нагрузки либо при перегрузке в процессе работы) и выключения коммутатора напряжения система управления не получает своевременной информации об этом. Кроме того, возможно повторное включение блока нагрузки входным сигналом, если входной сигнал имеет достаточную длительность. Такая ситуация возникает при попытке произвести повторное включение до устранения аварийного состояния в блоке нагрузки (причины перегрузки по току). В этом случае, после перегрузки по току и аварийного выключения электронного ключа и нагрузки, будут возникать многократные перегрузки, снижающие надежность аппаратуры в целом. Такое состояние в реальной ситуации не может быть обнаружено сразу, а выявляется только по истечении достаточно большого времени по признакам, связанным с регулируемыми параметрами, в частности - по уходам температуры за допустимые пределы, если это устройство работает в системе терморегулирования. Кроме того, возможно (хотя и маловероятно) ложное выключение или включение триггера и блока нагрузки от помех. При отсутствии информации о дефекте снижается функциональная надежность системы управления, в которой применено упомянутое устройство, поскольку оперативная информация об отказе, используемая, например, для перехода на резерв, отсутствует.

Задача изобретения - увеличение функциональной надежности за счет формирования информационного сигнала об отключении нагрузки за счет перегрузки по току при одновременном исключении повторного включения нагрузки после срабатывания защиты от перегрузки по току.

Эта задача решается тем, что в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки, RS-триггер, схему ИЛИ и блок защиты от перегрузок по току, при этом вход включения коммутатора напряжения соединен с входом установки RS-триггера, вход выключения коммутатора напряжения соединен с первым входом схемы ИЛИ, выход датчика тока нагрузки подключен к входу блока защиты от перегрузок по току, выход блока защиты от перегрузок по току соединен со вторым входом схемы ИЛИ, введены информационный выход, схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и D-триггер, вход данных D-триггера соединен с выходом источника напряжения, соответствующего логической единице, вход синхронизации D-триггера соединен с выходом RS-триггера, вход сброса D-триггера соединен с выходом схемы ИЛИ, выход D-триггера соединен с управляющим входом электронного ключа, первый вход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом RS-триггера, второй вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом D-триггера, а выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с информационным выходом коммутатора напряжения.

На чертеже приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току, при этом на чертеже и далее в тексте обозначены:

1 - вход включения коммутатора напряжения;

2 - вход выключения коммутатора напряжения;

3 - электронный ключ (КЭ);

4 - блок нагрузки;

5 - датчик тока нагрузки;

6 - RS-триггер;

7 - схема ИЛИ;

8 - D-триггер;

9 - блок защиты от перегрузок по току;

10 - схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;

11 - информационный выход;

12 - система управления;

U - коммутируемое напряжение питания;

Е - напряжение, соответствующее логической единице;

U_S - входные сигналы включения коммутатора;

U_R - входные сигналы выключения коммутатора;

I_H - ток нагрузки;

0 - общая шина источников питания («земля»).

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

Датчик тока нагрузки 5, электронный ключ 3 и блок нагрузки 4 соединены последовательно и подключены к источнику напряжения питания U. Вход включения 1 коммутатора напряжения соединен с входом S установки RS-триггера 6, а вход выключения 2 коммутатора напряжения соединен с первым входом схемы ИЛИ 7. Выход датчика тока нагрузки 5 подключен к входу блока защиты от перегрузок по току 9, выход которого соединен со вторым входом схемы ИЛИ. Вход данных D-триггера 8 соединен с выходом источника напряжения Е, соответствующего логической единице, вход С синхронизации этого триггера соединен с выходом Q RS-триггера 6, а вход R сброса D-триггера соединен с выходом схемы ИЛИ 7. Выход Q D-триггера 8 соединен с управляющим входом электронного ключа 3. Входы схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 соединены с выходом RS-триггера и с выходом D-триггера, а ее выход соединен с информационным выходом коммутатора напряжения 11.

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

При подаче напряжений питания триггеры устройства приводятся в исходное (выключенное) состояние. Это может быть выполнено импульсом на входе выключения 2 коммутатора напряжения, сформированным системой управления 12. В результате этого логический ноль с выхода D-триггера 8 удерживает электронный ключ 3 в закрытом состоянии и блок нагрузки 4 оказывается выключенным. Выходное напряжение с датчика тока нагрузки 5, равное нулю, поступает на вход блока защиты 9, на выходе которого сигнал также равен нулю. В таком состоянии оба входных сигнала схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 равны нулю и выходной сигнал в соответствии с логикой ее работы равен нулю: на информационном выходе 11 устройства сигнал также равен нулю.

По сигналу U_S=1, подаваемому на вход 1 включения коммутатора напряжения, триггер 6 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал по входу С синхронизации D-триггера переводит D-триггер во включенное состояние. Выходной сигнал D-триггера включает электронный ключ 3, который, в свою очередь, замыкает цепь питания блока нагрузки 4. Если ток нагрузки I_H в этот момент находится в заданных пределах, то на входе блока защиты 9 низкий уровень напряжения и на выходе блока защиты 9 логический ноль. Блок нагрузки 4 включен в номинальном режиме. В таком состоянии оба входных сигнала схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10 равны единице, и ее выходной сигнал на информационном выходе 11 устройства остается равным нулю. Однако, если ток нагрузки I_H в момент ее включения (или в рабочем режиме) будет чрезмерно велик (например, короткое замыкание в блоке нагрузки 4 либо перегрузка по току во время работы), то блок защиты 9 срабатывает и выходным импульсом по цепи: выход блока защиты 9 - схема ИЛИ 7 - вход R D-триггера 8 сбрасывает D-триггер. При этом закрывается электронный ключ 3 и блок нагрузок 4 отключается от источника напряжения питания U. Устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему допустимый ток. В таком состоянии один входной сигнал схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10, поступающий с выхода RS-триггера, равен единице, а второй входной сигнал схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 10, поступающий с выхода D-триггера, равен нулю и ее выходной сигнал и сигнал на информационном выходе 11 устройства становится равным единице. Эта логическая единица, поступающая на вход системы управления 12, оповещает, что в блоке нагрузки, коммутируемом данным устройством, произошла авария. При этом необходимо переходить на резерв либо устранять возникшую аварию (если это возможно или доступно).

После аварийного отключения блока нагрузки ее повторное включение по команде на входе включения невозможно, поскольку RS-триггер от повторного сигнала на входе включения 1 коммутатора напряжения своего состояния не изменяет, на входе синхронизации D-триггера логический уровень всегда высокий и его состояние всегда остается неизменным, а электронный ключ - выключенным. Для повторного включения коммутатора напряжения необходимо сначала подать импульс на вход выключения 2 коммутатора напряжения, установить RS-триггер 6 в исходное состояние, и только после этого коммутатор напряжения может быть включен импульсом по входу 1.

В номинальном режиме работы выключение блока нагрузки 4 производится путем подачи на вход выключения 2 коммутатора напряжения импульса U_R=1, который сбрасывает RS-триггер 6 и, проходя параллельно через схему ИЛИ 7, сбрасывает D-триггер 8.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение увеличивает функциональную надежность устройства и системы управления, в которой он применяется, за счет формирования сигнала об аварии, который может использоваться, например, для перехода на резерв, и исключения возможности несанкционированного повторного включения блока нагрузки после аварийного отключения.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренном автором предложении 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 серийные микросхемы с необходимым набором функций, например, микросхемы серии 564, стандартные компараторы, например, серии 521, электронные ключи необходимой мощности (наиболее перспективны - полевые транзисторы, требующие минимальной мощности управления и хорошо согласующиеся с микросхемами). В зависимости от типа электронного ключа и его логики управления между выходом D-триггера и управляющим входом ключа может быть включен инвертор либо управляющий сигнал на вход электронного ключа может быть подан из инвертирующего выхода D-триггера. Существа изобретения это не изменяет.

Литература

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. Москва, «Радио и связь», 1986 г., стр.189, рис.5.19.

2. Описание изобретения к патенту РФ №2208292, Н03К 17/08.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузок по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки, RS-триггер, схему ИЛИ и блок защиты от перегрузок по току, при этом вход включения коммутатора напряжения соединен с входом установки RS-триггера, вход выключения коммутатора напряжения соединен с первым входом схемы ИЛИ, выход датчика тока нагрузки подключен к входу блока защиты от перегрузок по току, выход блока защиты от перегрузок по току соединен со вторым входом схемы ИЛИ, отличающийся тем, что он снабжен информационным выходом и в него введены схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и D-триггер, вход данных D-триггера соединен с выходом источника напряжения, соответствующего логической единице, вход синхронизации D-триггера соединен с выходом RS-триггера, вход сброса D-триггера соединен с выходом схемы ИЛИ, выход D-триггера соединен с управляющим входом электронного ключа, первый вход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом RS-триггера, второй вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом D-триггера, а выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с информационным выходом коммутатора напряжения.