ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК H02H3/08 H02H3/87 

Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и силовых цепей вторичных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий по току. Особенно эффективно применение в высоковольтных силовых цепях постоянного напряжения для исключения возможности возникновения электрической дуги при размыкании защищаемой цепи.

Известны схемные технические решения устройств защиты от перегрузок и короткого замыкания для цепей постоянного напряжения на основе транзисторов МДП структуры [1].

Недостатками известных устройств защиты цепей постоянного напряжения являются наличие в цепи рабочего тока измерительного резистора или терморезистора, приводящего к возникновению дополнительных потерь, а в случае применения терморезистора еще и к значительному разбросу уровня срабатывания защиты по току в интервале изменения рабочей температуры. Также эти устройства не защищают нагрузку от снижения напряжения в цепи ниже допустимого уровня и имеют большие ограничения по применению динамической нагрузки и источников питания с плавным нарастанием рабочего напряжения и бросками пусковых токов.

Наиболее близким к заявляемому является ограничивающее устройство цепи короткого замыкания [2], содержащее силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, резисторы. переключатель и плавкий предохранитель, причем первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор затвор силового МДП-транзистора, база управляющего транзистора соединена со средним выводом переключателя, через четвертый резистор с клеммой для подключения нагрузки и первым выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому присоединены также эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель клемма для подключения отрицательного вывода источника питания.

Недостатками устройства являются увеличенные потери и значительный разброс уровней срабатывания защиты по току, неустойчивость включения силового МДП-транзистора, особенно при плавном нарастании напряжения питания за счет одновременного нарастания напряжения на базе управляющего транзистора; возможность сбоя при автоматическом включении силового МДП-транзистора в случае его перегрузки пусковыми токами нагрузки; возможность выхода из строя силового МДП-транзистора при принудительном включении устройства путем замыкания контактов переключателя за счет неконтролируемого времени пребывания в предельных режимах работы в случае наличия короткого замыкания силовой цепи; отсутствие возможности отключения устройства при снижении напряжения питания ниже допустимого для нагрузки уровня.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является снижение собственных потерь, повышение быстродействия, надежности функционирования и расширение области применения.

Указанная задача решается тем, что в ограничивающее устройство зашиты цепи короткого замыкания, содержащее силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, резисторы, переключатель и плавкий предохранитель, в котором первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор затвор силового МДП-транзистора, база управляющею транзистора соединена со средним выводом переключателя, через четвертый резистор с клеммой для подключения нагрузки и первым выводам первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому также присоединены эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель клемма для подключения отрицательного вывода источника питания, с целью уменьшения статических потерь сток силового МДП-транзистора напрямую подключен к клемме для подключения нагрузки, в устройство дополнительно введены устройство управления, первый, второй компараторы и терморезистор, причем терморезистор находится в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора, его выводы соединены с общим проводом и входом первого компаратора, вход второго компаратора подключен к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их выходы подключены ко входам устройства управления, выход которого соединен с базой управляющего транзистора, при этом если выходные сигналы первого и второго компараторов принимают значения, соответствующие логической единице, то сигнал с выхода устройства управления запирает управляющий транзистор на время, необходимое для установления устойчивого открытого состояния силового МДП-транзистора. а при выходном сигнале одного из компараторов, соответствующем логическому нулю, сигнал с выхода устройства управления открывает управляющий транзистор.

На фиг.1 изображена схема электронного предохранителя.

Электронный предохранитель содержит силовой МДП-транзистор 1, управляющий транзистор 2, стабилитрон 3, резисторы, переключатель и плавкий предохранитель, причем первые выводы первого 4 и второго 5 резисторов присоединены к клемме 6 для подключения положительного вывода источника питания 7, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя 8 и коллектору управляющего транзистора 2, к которому также присоединены катод стабилитрона 3 и через третий резистор 9 затвор силового МДП-транзистора 1, база управляющего транзистора 2 соединена со средним выводом переключателя 8, через четвертый резистор 10 с клеммой 11 для подключения нагрузки 12 и первыми выводами первого конденсатора 13 и пятого резистора 14, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому также присоединены эмиттер управляющею транзистора 2, анод стабилитрона 3, исток силового МДП-транзистора 1, который через последовательно соединенные второй конденсатор 15 и шестой резистор 16 подключен к его стоку, второй вывод переключателя 8 и через плавкий предохранитель 17 клемма 18 для подключения отрицательного вывода источника питания 7, причем сток силового МДП-транзистора 1 напрямую подключен к клемме 11 для подключения нагрузки 12, в устройство дополнительно введены устройство управления 19, первый 20, второй 21 компараторы и терморезистор 22, причем терморезистор 22 находится в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора 1, его выводы соединены с общим проводом и входом первого компаратора 20, вход второго компаратора 21 подключен к клемме 6 для подключения положительного вывода источника питания 7, их выходы подключены к соответствующим входам устройства управления 19, выход которого соединен с базой управляющего транзистора 2.

Вариант выполнения электронного предохранителя для повышения надежности и быстродействия имеет дополнительные диод 23 и резистор 24. Катод диода 23 подключен к катоду стабилитрона 3, его анод соединен с затвором силового МДП-транзистора 1 и одним выводом резистора 24, другой вывод которого соединен с общим проводом схемы. Указанная цепь предназначена для форсированного разряда емкости затвора силового МДП-транзистора и обеспечения его быстрого и надежного запирания.

Устройство работает следующим образом.

В отсутствие напряжения источника питания 7 силовой МДП-транзистор 1 закрыт. При включении источника питания 7 напряжение на стоке силового МДП-транзистора 1 растет одновременно с напряжением на его затворе, величина которого ограничена напряжением стабилизации стабилитрона 3. Нарастание напряжения на базе управляющего транзистора 2 происходит медленнее, чем напряжения затвора на время, определяемое постоянной времени цепи, образованной резисторами 10, 14 и конденсатором 13. Если значение температуры терморезистора 22, находящегося в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора, находится в разрешенном диапазоне и напряжение питания нагрузки достигает рабочего уровня, то выходные сигналы соответствующих компараторов 20, 21 принимают значение высокого уровня, соответствующее логической 1. Оба сигнала поступают на вход устройства управления 19, которое формирует на выходе сигнал низкого уровня, поступающий на базу управляющего транзистора 2 и запирающий его на время, необходимое для установления устойчивого открытого состояния силового МДП-транзистора 1, по истечении которого выход устройства управления 19 устанавливается в высокоимпедансное состояние. Таким образом обеспечивается автоматический запуск электронного предохранителя при включении источника питания.

При снижении напряжения источника питания 7 или превышении им установленных допустимых уровней напряжение на выходе компаратора 21 примет значение логического 0. По этому сигналу на выходе устройства управления 19 установится напряжение высокого уровня, которое откроет управляющий транзистор 2, шунтирующий переходом коллектор-эмиттер цепь затвора силового МДП-транзистора 1, что вызовет его закрывание и отключение нагрузки 12 от источника питания 7.

В случае перегрева силового МДП-транзистора 1 током нагрузки 12, близким к предельному, или нарушения условий теплоотвода в аппаратуре произойдет нагрев терморезистора 22 выше допустимой температуры, его сопротивление уменьшится до уровня, вызывающего переключение компаратора 20 и установление на его выходе напряжения логического 0. По этому сигналу на выходе устройства управления 19 установится напряжение высокого уровня, которое откроет управляющий транзистор 2, шунтирующий переходом коллектор-эмиттер цепь затвора силового МДП-транзистора 1, что вызовет его закрывание и отключение нагрузки 12 от источника питания 7.

При превышении заданного уровня тока нагрузки 12 напряжение сток-исток силового МДП-транзистора 1, которое приложено через делитель напряжения, образованный резисторами 10, 14 к базе управляющего транзистора 2, создает ток базы этого транзистора, достаточный для его отпирания, что приводит к снижению напряжения на затворе силового МДП-транзистора 1 и дальнейшему росту напряжения на его стоке и в результате к его полному запиранию.

В случае возникновения кратковременного одиночного импульса тока в цепи нагрузки 12 импульс напряжения на стоке силового МДП-транзистора 1 не успеет зарядить емкость 13 в базе управляющего транзистора 2 до уровня отпирания его базового перехода, что предотвращает срабатывание электронного предохранителя при переходных процессах в защищаемой цепи, связанных со скачкообразными изменениями тока нагрузки 12.

На фиг. 2 представлен пример выполнения устройства управления 19 для формирования сигналов управления в соответствии с описанием и согласно фиг. 1. Необходимое время задержки устройства управления 19 для установления устойчивого состояния силового МДП-транзистора 1 при включении источника питания 7 определяется параметрами RC-цепи схемы фиг. 2 и выбирается в соответствии с характеристиками нагрузки.

Применение электронного предохранителя позволяет повысить надежность защищаемых электрических цепей устройств вторичного электропитания, обеспечить их безопасность и повысить КПД.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ НПК(О) "Энергия" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность и высокие эксплуатационные качества.

ЛИТЕРАТУРА
1. Конев Ю.И., Машуков Е.В. Силовые МДП-транзисторы в устройствах коммутации и защиты//Электронная техника в автоматике: Сб. статей/ Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Радио и связь, 1984. - Вып. 15. - с.19.

2. Пат. США US 5381296 А, кл. Н 02 Н 5/04.

Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и силовых цепей вторичных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий по току. Устройство содержит силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, причем первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор затвор силового МДП-транзистора, база управляющего транзистора соединена со средним выводом переключателя, через четвертый резистор с клеммой для подключения нагрузки и первыми выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому также присоединены эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель клемма для подключения отрицательного вывода источника питания. Сток силового МДП-транзистора напрямую подключен к клемме для подключения нагрузки, в устройство дополнительно введены устройство управления, первый, второй компараторы и терморезистор, причем терморезистор находится в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора, его выводы соединены с общим проводом и входом первого компаратора, вход второго компаратора подключен к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их выходы подключены ко входам устройства управления, выход которого соединен с базой управляющего транзистора, при этом если выходные сигналы первого и второго компараторов принимают значения, соответствующие логической единице, то сигнал с выхода устройства управления запирает управляющий транзистор на время, необходимое для установления устойчивого открытого состояния силового МДП-транзистора, а при выходном сигнале одного из компараторов, соответствующем логическому нулю, сигнал с выхода устройства управления открывает управляющий транзистор. Также в электронный предохранитель дополнительно введены диод и седьмой резистор, причем катод диода подключен к катоду стабилитрона, его анод соединен с затвором силового МДП-транзистора и одним выводом седьмого резистора, другой вывод которого соединен с общим проводом схемы. Технический результат - повышение надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронный предохранитель, содержащий силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон и шесть резисторов, причем первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор затвор силового МДП-транзистора, база управляющего транзистора соединена со средним выводом переключателя и через четвертый резистор с клеммой для подключения нагрузки, кроме того, база управляющего транзистора соединена с первыми выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому также присоединены эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, кроме того, к общему проводу схемы присоединены второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель клемма для подключения отрицательного вывода источника питания, отличающийся тем, что сток силового МДП-транзистора подключен к клемме для подключения нагрузки, введены устройство управления, первый, второй компараторы и терморезистор, причем терморезистор находится в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора, выводы терморезистора соединены с общим проводом и входом первого компаратора, соответственно, вход второго компаратора подключен к клемме для подключения положительного вывода источника питания, выходы первого и второго компараторов подключены к соответствующим входам устройства управления, выход которого соединен с базой управляющего транзистора, при этом, если выходные сигналы первого и второго компараторов принимают значения, соответствующие логической единице, то сигнал с выхода устройства управления запирает управляющий транзистор на время, необходимое для установления устойчивого открытого состояния силового МДП-транзистора, а при выходном сигнале одного из компараторов, соответствующем логическому нулю, сигнал с выхода устройства управления открывает управляющий транзистор. 2. Электронный предохранитель по п. 1, отличающийся тем, что введены диод и седьмой резистор, причем катод диода подключен к катоду стабилитрона, анод диода соединен с затвором силового МДП-транзистора и одним выводом седьмого резистора, другой вывод которого соединен с общим проводом схемы.