ИМИТАТОР НАГРУЗКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ УПРАВЛЯЕМОГО КЛЮЧА Российский патент 1999 года по МПК G06G7/625 H03K17/08 G01R31/327 

Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к области испытаний электротехнической аппаратуры, содержащей электронные элементы коммутации, и может быть использовано при испытаниях коммутаторов, распределяющих потребителям энергию постоянного тока.

При испытаниях аппаратуры (или отдельных ключей), предназначенных для коммутации силовых нагрузок, в процессе ее изготовления, сертификации, при входном контроле, доводочных, ресурсных испытаниях и т. п. для установления факта срабатывания (включения) используются лампочки накаливания, светодиоды, для обеспечения проверки коммутаторов при реальном токе - реальные нагрузки или эквиваленты нагрузки, например активные сопротивления требуемого номинала и мощности [1]. Кроме того, в качестве нагрузки, а в необходимых случаях и в качестве имитаторов нагрузки могут использоваться генераторы тока [2].

В первом случае при коммутации малых токов, особенно, если коммутирующим элементом является контакт реле, достаточно объективной является проверка по факту срабатывания (включения) лампочки или светодиода [3]. Во втором случае параллельно эквиваленту нагрузки может быть включена та же лампочка накаливания. Но этот метод неприменим при проверке полупроводниковых ключей, коммутирующих большие мощности, для которых важно не только само срабатывание (замыкание) ключа, но и его сопротивление (потери мощности в нем).

В любом случае имитатор нагрузки для испытаний управляемого ключа (или сама нагрузка), одним силовым выводом подключенного к одной шине источника питания, первым входным выводом подключен (подключена) ко второму выводу управляемого ключа, а вторым выводом - к другой шине источника питания [1, 4].

Однако эквивалент нагрузки должен быть рассчитан на максимальную мощность, коммутируемую ключом (потребляемую нагрузкой), и сам иметь технологический запас для обеспечения надежной работы в течение заданного ресурса. При этом чем больший ток коммутирует тот или иной ключ, тем более мощным должен быть имитатор реальной нагрузки, чем больше проверяемых ключей в аппаратуре, тем более громоздкими становятся технологические стенды для проверки, тем больше мощности требуется безопасно рассеять и тем мощнее должен быть источник питания. Проблема становится особенно острой при установке аппаратуры на длительные (ресурсные) испытания.

Основная цель предложения - снижение потребления имитатора нагрузки. Кроме того, достигается снижение требований и к источнику питания.

Эта цель достигается тем, что имитатор нагрузки для испытаний управляемого ключа, одним силовым выводом подключенного к одной шине источника питания, первым входным выводом подключенный ко второму выводу управляемого ключа, а вторым входным выводом - к другой шине источника питания, выполнен в виде понижающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, выход которого подключен параллельно управляемому ключу, причем к шине питания подключен одноименный по полярности вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в постоянное.

На фиг. 1 приведены схемы включения транзисторных ключей VT1 и VT2 и нагрузок 1 и 2 (Rн1 и Rн2), на фиг. 2 - схемы подключения имитаторов 1 и 2 этих нагрузок - понижающих преобразователей напряжения к таким же транзисторным ключам.

На чертежах обозначены:
1, 2 - нагрузки Rн1 и Rн2 - на фиг. 1 и понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (имитаторы нагрузок) на фиг. 2. Сами преобразователи 1 и 2 могут быть выполнены по любой схеме. При этом выходная понижающая обмотка преобразователя напряжения 1 или 2 соединена через выпрямитель с выходом преобразователя. При необходимости выпрямитель может быть снабжен фильтром.

VT1, VT2 - транзисторные ключи; C, B, E - коллектор, база, эмиттер этих ключей.

+E и -E - шины питания устройства, содержащего проверяемые ключи VT1, VT2.

+U_вых и -U_вых - выходные напряжения преобразователей 1 и 2 и полярность их выводов.

Каждый из ключей VT1 или VT2 как на фиг. 1, так и на фиг.2 соединен одним силовым выводом с шиной питания +E или -E, нагрузка 1 или 2 включена между другим силовым выводом проверяемого транзисторного ключа VT1, VT2 и второй шиной питания.

Выход преобразователя постоянного напряжения в постоянное (имитатора нагрузки) подключен параллельно силовым выводам ключа, причем на обеих схемах фиг. 2 к шине питания +E или -E подключен одноименный по полярности +U_вых, -U_вых вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в постоянное. По этим цепям текут силовые токи (обозначены "жирными" линиями).

Работает устройство следующим образом.

При разомкнутом ключе ток через него не протекает и напряжение на нагрузке (фиг. 1) и на имитаторе нагрузки (фиг. 2) равно нулю. При этом диоды выходного выпрямителя имитатора нагрузки закрыты. Если выходной выпрямитель снабжен конденсатором фильтра, то этот конденсатор заряжается до напряжения питания E устройства.

При включении (замыкании) ключа VT1 (или VT2) образуется цепь шина +E - Rн1 - VT1 - шина -E (или шина +E - VT2 - Rн2 - шина -Е), по которой в цепь нагрузки Rн1 через ключ потечет ток (фиг. 1).

Аналогичная цепь возникает когда замыкается ключ VT1 (или VT2) на фиг. 2: шина +E - верхний вывод имитатора 1 нагрузки - нижний вывод имитатора 1 нагрузки - ключ VT1 - шина -E (или шина +E - ключ VT2 - ключ VT2 - верхний вывод имитатора 2 нагрузки - нижний вывод имитатора 2 нагрузки - шина -E).

После замыкания ключа VT1 (или VT2) и подключения к шинам питания имитатора нагрузки начинается процесс преобразования постоянного напряжения питания (от 28 до 120 В бортового напряжения и более, в зависимости от типа контролируемой аппаратуры) в постоянное напряжение U_вых = 1-2 В. Это напряжение прикладывается к открытому ключу VT1 (или VT2), и через него начинает протекать ток, равный номинальному току нагрузки (обеспечивается соответствующим проектированием понижающих преобразователей постоянного напряжения в постоянное).

Мощность самого преобразователя напряжения (имитатора нагрузки и потребляемая мощность от источника питания Е) при номинальном токе через открытый ключ в E/U_вых раз меньше номинальной мощности нагрузки, коммутируемой данным ключом. Так, при напряжении бортового источника питания всего 28 В потребляемая от него мощность имитатором нагрузки уменьшается не менее чем в 10 раз. Если же имитатор применять при повышенных напряжениях бортовой сети (100 В и более), то выигрыш может получиться в 50 и более раз. При таком сокращении потребляемой мощности может полностью отпасть проблема обеспечения безопасности рассеяния больших мощностей и существенно снижаются требования к источнику питания.

Усложнение схемы имитатора нагрузки (преобразователь напряжения вместо обычного резистора, хотя и достаточно мощного) оправдывается уменьшением установочной мощности всего оборудования на один - два порядка, снижением требований к этому оборудованию в части техники безопасности, улучшением масс-габаритных характеристик оборудования (вместо стационарных установок можно использовать переносные).

Предложение находится на стадии эскизного проектирования и предполагается использовать на предприятии в технологических стендах, предназначенных для испытаний вновь разрабатываемой аппаратуры для системы управления бортовым питанием.

Источники информации
1. Ю. И.Конев. Энергетические возможности миниатюризации силовых полупроводниковых интегральных устройств. В сб. статей под ред. Ю.И.Конева, вып. 4, 1973 г., с. 3-16, рис1.

2. Г.М.Веденеев, А.М.Зенченко, А.Б.Токарев. Силовые биполярные транзисторы при работе в ключевых режимах. Глава 4. Аппаратные средства входного и выходного контроля и исследования характеристик силовых транзисторов. - М.: Издательство МЭИ, 1992, с. 63-77, рис. 4.1, 4.2, 4.6.

3. Устройство контроля надежности и срока службы реле. Описание к авторскому свидетельству СССР N 181741, кл. 21g 10/01.

4. Ю. И.Конев. Энергетические возможности миниатюризации силовых полупроводниковых интегральных устройств. В сб. статей под ред. Ю.И.Конева, вып. 4, 1973 г., с. 3-16, рис.7.

Относится к области испытаний электротехнической аппаратуры, содержащей электронные элементы коммутации. Может быть использован при испытаниях коммутаторов, распределяющих потребителям энергию постоянного тока. Имитатор нагрузки для испытаний управляемого ключа подключен к шинам источника питания последовательно с проверяемым ключом. Выполнен в виде понижающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, выход которого подключен параллельно управляемому ключу. К шине питания подключен одноименный по полярности вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Технический результат: снижение потребления имитатора нагрузки, снижение требований к источнику питания. 2 ил.

Имитатор нагрузки для испытаний управляемого ключа, одним силовым выводом подключенного к одной шине источника питания, первым входным выводом подключенный ко второму выводу управляемого ключа, а вторым входным выводом - к другой шине источника питания, отличающийся тем, что он выполнен в виде понижающего преобразователя постоянного напряжения в постоянное, выход которого подключен параллельно управляемому ключу, причем к шине питания подключен одноименный по полярности вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в постоянное.