БЕСКОНТАКТНЫЙ АВТОМАТ ЗАЩИТЫ СЕТИ Российский патент 2001 года по МПК H03K17/08 H02H3/08 

Устройство предназначено для коммутации различных исполнительных элементов. Устройство обеспечивает, в соответствие с командами управления, коммутацию электрической нагрузки, а также защиту электрических цепей от токовых перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки.

В настоящее время на транспорте, а также в системах управления летательных аппаратов, все чаще используются бесконтактные автоматы защиты сети (АЗС), которые, выполняя функции электромеханических АЗС, осуществляющих по командам коммутацию электрической нагрузки, а также защиту электрических цепей от токовых перегрузок, но превосходят их по быстродействию, надежности.

Примером такого бесконтактного АЗС может служить устройство, приведенное в заявке ФРГ N 2127984. Устройство состоит из коммутационного элемента и датчика тока, включенных последовательно с нагрузкой, и блока защиты от перегрузок (триггера), вход которого подключен к датчику тока, а выход соединен с входом коммутационного элемента. При токовой перегрузке в цепи нагрузки срабатывает блок защиты от перегрузок, который, шунтируя управляющий вход коммутационного элемента, выключает последний, разрывая электрическую цепь нагрузки.

Недостаток данного устройства состоит в том, что при кратковременных перегрузках, вызванных, например, периодическими скачками напряжения в сети (длительностью в несколько микросекунд) могут происходить ложные отключения АЗС.

Указанный недостаток устранен в устройстве, приведенном в заявке ФРГ N 2819835, выбранной авторами в качестве прототипа. Это устройство содержит датчик тока, один вывод которого подключен к шине источника питания, а другой к первому выводу первого резистора и через коммутационный элемент к выводу подключения нагрузки, при этом управляющий вход коммутационного элемента через блок управления подключен к источнику управляющего напряжения, конденсатор, первый вывод которого подключен к первой шине источника питания, а второй - ко второму выводу первого резистора и входу блока управления.

В данном устройстве конденсатор, включенный параллельно входу блока управления, обеспечивает задержку в срабатывании блока управления и всего АЗС по перегрузке, что позволяет исключить ложные срабатывания АЗС, вызываемые кратковременными скачками напряжения (перенапряжениями) в бортовой сети изделия.

Однако предложенный вариант исполнения бесконтактного АЗС имеет недостаток, заключающийся в мощных неуправляемых бросках тока через коммутационный элемент при коротких замыканиях в цепи нагрузки, вызванных снижением быстродействия АЗС из-за шунтирования выхода датчика тока емкостью. Мощные броски тока через коммутационный элемент вызывают необратимые нарушения кристаллической структуры последнего, снижая надежность работы всего АЗС.

Техническим решением изобретения является повышение надежности устройства.

Указанное техническое решение достигается тем, что в устройстве, содержащем датчик тока, один вывод которого подключен к шине источника питания, а другой к первому выводу первого резистора и через коммутационный элемент к выводу подключения нагрузки, при этом управляющий вход коммутационного элемента через блок управления подключен к источнику управляющего напряжения, конденсатор, первый вывод которого подключен к первой шине источника питания, дополнительно введены три транзистора, опорный элемент и второй резистор, при этом второй вывод первого резистора подключен к базе первого транзистора, а коллектор первого транзистора через переход эмиттер-база второго транзистора подключен ко входу блока управления и соединен с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого подключен к первой шине источника питания, при этом коллектор второго транзистора подключен ко второму выводу конденсатора и через второй резистор к шине источника питания, а через опорный элемент к базе третьего транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с первой шиной источника питания.

Предложенное техническое решение, в отличие от прототипа, предусматривает обеспечение управления коммутационным элементом во время существования перегрузки в цепи нагрузки АЗС. Ограничение тока, протекающего через коммутационный элемент, производится на безопасном уровне. При этом время ограничения тока адаптируется в зависимости от длительности, количества и скважности возникающих импульсов тока перегрузки. Исключение протекания через коммутационным элемент мощных бросков тока, а также исключение перегрева коммутационного элемента и обеспечивает повышение надежности работы устройства
Электрическая схема устройства изображена на чертеже где обозначены:
1 - датчик тока,
2 - первая шина источника питания,
3 - первый резистор,
4 - коммутационный элемент (транзистор),
5 - вывод подключения нагрузки,
6 - блок управления,
7 - источник управляющего напряжения,
8 - конденсатор,
9 - первый транзистор,
10 - второй транзистор,
11 - третий транзистор,
12 - второй резистор,
13 - опорный элемент (двуханодный стабилитрон),
14-15 - транзисторы, входящие в блок управления,
16-18 - резисторы, входящие в блок управления,
19 - резистор,
20 - вторая шина источника питания,
21 - нагрузка бесконтактного автомата защиты сети,
22 - источник питания блока управления.

Указанные элементы соединены между собой следующим образом.

Датчик тока 1 одним выводом подключен к первой шине источника питания 2, а вторым выводом к первому выводу первого резистора 3 и через, последовательно соединенные, коммутационный элемент (силовой биполярный транзистор) 4, вывод подключения нагрузки 5 (клемма на модуле автомата защиты сети), нагрузку 21 ко второй шине источника питания 20. Управляющий вход коммутационного элемента 4 подключен через блок управления 6 к источнику управляющего напряжения 7 (шина, на которую подается напряжение управления). Конденсатор 8 первым выводом подключен к первой шине источника питания 2. Второй вывод первого резистора 3 подключен к базе первого транзистора 9, коллектор которого соединен через переход эмиттер-база второго транзистора с входом блока управления 6 и соединен с коллектором третьего транзистора 11. Конденсатор 8 вторым выводом подключен к коллектору второго транзистора 10 и через опорный элемент 13 (двуханодный стабилитрон) к базе третьего транзистора 11, которая, в свою очередь, через резистор 18 соединена с первой шиной источника питания 2 Эмиттеры первого 9 и третьего 11 транзисторов также соединены с первой шиной источника питания 2. Параллельно конденсатору 8 подключен резистор 12.

В блоке управления вход управления через резистор 18 подключен к базе транзистора 15. Коллектор транзистора 15 подключен к базе транзистора 14 и через резистор 17 к источнику питания блока управления 22. Выход блока управления 6 через резистор 16 подключен к коллектору транзистора 14. Эмиттеры транзисторов 14 и 15 подключены к источнику управляющего напряжения - шине 7.

Работа устройства происходит следующим образом. В исходном состоянии коммутационный элемент 4 открыт за счет тока, поступающего на его управляющий вход через блок управления 6 от источника управляющего напряжения 7. На фиг. 1 раскрыт один из возможных вариантов исполнения блока управления 6. Транзистор 14, открытый за счет тока, протекающего через резистор 17 от источника питания блока 22, определяет ток управления (через резистор 16) коммутационного элемента 4. Транзистор 15, шунтирующий переход база-эмиттер транзистора 14, открывается только в случае поступления на его базу через резистор 18 со входа блока управления тока от второго транзистора 10.

На датчике тока (резисторе 1) падает напряжение, пропорциональное току нагрузки 21 (в состав АЗС нагрузка 21 не входит, и на фиг. 1 она обозначена пунктиром). При токах нагрузки, не превышающих максимально допустимый, напряжение, падающее на 1, недостаточно, чтобы открыть первый транзистор 9.

При возникновении токовой перегрузки в цепи нагрузки, напряжение, поступающее с датчика тока 1 через первый резистор 3 на базу первого транзистора 9, становится достаточным для открытия последнего. Коллекторный ток создает базовый ток второго транзистора 10, коллектор которого оказывается (в первый момент) подключенным через конденсатор 8 к первой шине источника питания 2. Эмиттерный ток второго транзистора 10 поступает на вход управления блока 6 и через резистор 18 открывает транзистор 14 в блоке управления 6, шунтирующий транзистор 15, что ведет к снижению величины базового тока коммутационного элемента 4 до уровня, при котором напряжение, падающее на датчике тока 1 от тока нагрузки 21, становится равным напряжению открытия первого транзистора 9. Ограничение тока в цепи нагрузки длится до тех пор, пока конденсатор 8 не зарядится до напряжения пробоя опорного элемента 13. Далее происходит лавинообразное увеличение базового тока второго транзистора 10 за счет коллекторного тока третьего транзистора 11. Транзистор 15 в блоке управления 6 полностью открывается, что ведет к закрытию транзистора 14, прекращению подачи через резистор 16 тока управления коммутационного элемента 4, прерыванию тока в цепи нагрузки 21.

В случае, если конденсатор С1 не зарядился во время перегрузки до напряжения пробоя опорного элемента 13 (кратковременная перегрузка), происходит только ограничение тока в цепи нагрузки. Напряжение, запасенное в конденсаторе 8, снижается за счет разряда через второй резистор 12. Необходимо отметить, что ограничение тока в цепи нагрузки 21 сопровождается выделением повышенного количества тепла в коммутационном элементе 4. В случае серии кратковременных перегрузок в цепи нагрузки 21, интервал следования между которыми небольшой, величина второго резистора 12 выбирается таким образом, чтобы конденсатор 8 не успевал разрядиться полностью к моменту возникновения следующей перегрузки. В этом случае время ограничения тока будет меньше по сравнению со случаем, когда конденсатор 8 полностью разряжен. Эта особенность обеспечивает защиту устройства при серии кратковременных перегрузок, каждая из которых имеет длительность меньше времени, через которое происходит отключение устройства. Предлагаемый АЗС обеспечивает адаптивность к возникающим в цепи нагрузки 21 перегрузок, интегрируя их длительность на некотором, заранее определенном интервале времени.

Резистор 18 выполняет чисто схемотехнические функции. При закрытом втором транзисторе 10, тока через опорный элемент 13 протекать не будет. Третий транзистор 11 будет закрыт, и резистор 18 обеспечивает гальваническую связь базы третьего транзистора 11 с его эмиттером, что необходимо для устойчивой работы упомянутого транзистора. Установка резистора в схему обусловлена требованиями технических условий на применение конкретных типов транзисторов.

Опорный элемент может быть выполнен также на основе последовательно соединенных диодов.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, исключены неуправляемые броски тока через коммутационный элемент, что ведет к повышению надежности работы последнего и всего устройства в целом.

Ограничение тока нагрузки ведет к исключению импульсных перегрузок источника питания и улучшению качества электроснабжения потребителей.

Повышение надежности работа устройства ведет к увеличению его ресурса, исключению возможности пожара.

Изобретение может быть использовано в приборах коммутации исполнительных элементов, системах управления. Технический результат заключается в том, что бесконтактный автомат защиты сети (АЗС) обладает высокой надежностью. АЗС содержит датчик тока, один вывод которого подключен к первой шине источника питания, а другой к первому выводу первого резистора и через коммутационный элемент к выводу подключения нагрузки. Второй вывод первого резистора подключен к базе первого транзистора. Управляющий вход коммутационного элемента через блок управления подключен к источнику управляющего напряжения. У конденсатора первый вывод подключен к первой шине источника питания, а второй вывод через коллектор-эмиттерный переход второго транзистора подключен к входу блока управления. Коллекторы первого и третьего транзисторов соединены с базой второго транзистора, а эмиттеры - с первой шиной источника питания. Коллектор второго транзистора подключен через опорный элемент к базе третьего транзистора. Второй резистор включен параллельно конденсатору. Нагрузка подключается между выводом подключения нагрузки и второй шиной источника питания. 1 ил.

Бесконтактный автомат защиты сети, содержащий датчик тока, один вывод которого подключен к шине источника питания, а другой к первому выводу первого резистора и через коммутационный элемент к выводу подключения нагрузки, при этом управляющий вход коммутационного элемента через блок управления подключен к источнику управляющего напряжения, конденсатор, первый вывод которого подключен к первой шине источника питания, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены три транзистора, опорный элемент и второй резистор, при этом второй вывод первого резистора подключен к базе первого транзистора, а коллектор первого транзистора через переход эмиттер - база второго транзистора подключен к входу блока управления и соединен с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого подключен к первой шине источника питания, при этом коллектор второго транзистора подключен ко второму выводу конденсатора и через второй резистор к шине источника питания, а через опорный элемент к базе третьего транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с первой шиной источника питания.