ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР НАГРУЗКИ Российский патент 2007 года по МПК H02M3/00 H02H3/00 

Твердотельный контроллер нагрузки относится к электронной коммутационной технике и может быть использован для коммутации силовых энергетических сетей постоянного тока.

Известен твердотельный контроллер, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к источнику питания, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, коммутатор, второй вход и второй выход которого соединены соответственно с первым выходом и первым входом узла управления и защиты, а первый вход и первый выход являются соответственно выходом и входом коммутируемой устройством цепи (цепи нагрузки), второй и третий выходы и третий вход узла управления и защиты соединены соответственно с входами и выходом узла гальванической развязки, а другие выходы и вход узла развязки соединены соответственно с входами и выходом буфера, выходы которого являются выходами состояния устройства, а вход - входом управления устройства (ENGINEERING DATA SHEET, ф. LEACH INTERNATIONAL, North America, Volume V - Solid State Power Controller, page 20, date of issue: 10/98).

Недостатком известного контроллера является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью самостоятельного включения после аварийного отключения.

Известен твердотельный контроллер, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, узел отключения и узел идентификации, первый вход узла преобразования напряжения подключен к источнику питания, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, коммутатор, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первый вход и второй выход являются входом и выходом силовой цепи устройства, второй выход узла управления и защиты соединен с входом узла гальванической развязки, выход узла гальванической развязки соединен с входом буфера, выход которого является выходом состояния устройства (патент РФ №2256282, МПК 7 Н02М 3/08).

Известный контроллер наиболее близок по сущности к заявляемому изобретению и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Недостатком данного контроллера является невозможность управления временем отключения и повторного включения коммутатора, что может быть необходимо при работе на реактивную нагрузку (емкостную, индуктивную, моторную, ламповую), вызывающую броски тока в коммутируемой цепи при ее замыкании или размыкании, для исключения ложного срабатывания защиты от перегрузки по току. Другим недостатком контроллера является сложность и, как следствие, высокая стоимость устройства, обусловленная наличием узла идентификации нагрузки. Этот узел построен на основе аналого-цифрового преобразователя, формирующего последовательный цифровой код, пропорциональный величине тока в коммутируемой контроллером цепи нагрузки. Необходимость декодирования данного кода для определения величины тока нагрузки усложняет также и управляющую контроллером схему, а кроме того требует дополнительных затрат времени, что может быть критично при необходимости быстро обесточить цепь нагрузки в аварийной ситуации.

Технический результат заявляемого изобретения выражается в расширении области его применения за счет обеспечения возможности регулирования времени включения/отключения коммутатора, а также в упрощении и, как следствие, снижении стоимости.

Для решения поставленной задачи в твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к внешнему источнику питания, а выход соединен с первым входом узла управления и защиты, коммутатор, второй вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первые вход и выход являются входом и выходом силовой цепи устройства, второй выход узла управления и защиты соединен со входом узла гальванической развязки, выход узла гальванической развязки соединен со входом буфера, выход которого является выходом состояния устройства, введен узел временной задержки, вход которого соединен с выходом узла преобразования напряжения, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, третий вход которого соединен со вторым выходом коммутатора, второй вход узла преобразования напряжения является входом управления устройства, а третий вход - входом сброса устройства.

На чертеже представлена структурная схема твердотельного контроллера нагрузки.

Твердотельный контроллер нагрузки состоит из буфера 1, выполненного на базе микросхем согласования уровней, узла 2 гальванической развязки, выполненного на базе оптронов, трансформаторов и т.д., узла 3 управления и защиты, состоящего из схемы управления выходным ключом (транзисторный усилитель тока) и схемы сравнения напряжения с эталонными значениями (на основе компараторов), который может быть реализован как на базе дискретных элементов, так и на БИС базового матричного кристалла, узла 4 преобразования напряжения, состоящего из последовательно включенных генератора импульсов (на базе микросхем), повышающего трансформатора и выпрямителя (на базе диодов и стабилитронов), коммутатора 5, состоящего из включенных последовательно коммутируемой цепи ключа (на основе силовых транзисторов) и датчика тока (например преобразователя ток-напряжение на низкоомном резисторе), узла 6 временной задержки, который может быть построен по схеме одновибратора (как на дискретных элементах, так и на БИС базового матричного кристалла) с времязадающей RC-цепью, определяющей задержку выходного сигнала узла относительно входного.

Твердотельный контроллер нагрузки работает следующим образом.

При подаче питания на первый вход и отсутствии сигнала сброса на третьем входе узла 4 преобразования напряжения запускается генератор импульсов этого узла. Для включения устройства на второй вход узла 4 преобразования напряжения подается сигнал управления. При этом разрешается преобразование формируемых генератором импульсов через трансформатор и выпрямитель в выходное постоянное напряжение, обеспечивающее питание узла 3 управления и защиты и узла 6 временной задержки, который через определенное время формирует разрешающий сигнал. При наличии данного сигнала узел 3 управления и защиты выдает отпирающий сигнал в коммутатор 5, что приводит к срабатыванию ключа, замыкающего цепь нагрузки. При этом через ключ и датчик тока протекает входящий через первый вход и выходящий через первый выход коммутатора 5 ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки в коммутируемой устройством цепи. Напряжение, снимаемое с датчика тока и пропорциональное току нагрузки, выдается из коммутатора 5 на схему сравнения узла 3 управления и защиты. При превышении током нагрузки максимально допустимого значения (а, соответственно, и напряжением, получаемым с датчика тока, пороговой величины) узел 3 управления и защиты выдает в узел 2 гальванической развязки соответствующий сигнал. После гальванической развязки по питанию данного сигнала он выдается из узла 2 гальванической развязки в буфер 1, где происходят его нормализация по уровням напряжения и усиление по току, и далее выдается во внешнюю схему с выхода состояния устройства. Если величина тока нагрузки не превышает максимально допустимого значения, то сигнал состояния устройства не формируется.

Наличие сигнала на третьем входе узла 4 преобразования напряжения (входе сброса устройства) останавливает его генератор и обеспечивает переход устройства в режим хранения с обесточиванием всех его узлов и запиранием выходного ключа. Если защиты от перегрузки не требуется, вход сброса можно оставить неподключенным.

Если при превышении током нагрузки предельных значений требуется размыкание коммутируемой цепи (запирание выходного ключа устройства), то выход состояния и вход сброса устройства должны быть электрически соединены между собой. При их непосредственном соединении (проводником тока) обеспечивается минимальная задержка отключения устройства, определяемая его быстродействием. После отключения устройства пропадает сигнал состояния, что автоматически приводит к разблокированию устройства (по пропаданию сигнала на входе сброса) и его повторному включению (при наличии сигнала управления на втором входе узла 4 преобразования напряжения). Таким образом, при токовой перегрузке в цепи коммутации циклически повторяются включение/отключение устройства. При этом время нахождения коммутируемой цепи под током на два порядка меньше, чем время обесточенного состояния (за счет задержки включения, обеспечиваемой узлом 6 временной задержки), что предотвращает выход из строя цепи нагрузки и коммутирующего элемента.

Из-за переходных процессов по включению (емкостная нагрузка) или в случае изменения величины сопротивления нагрузки (например, включение на холодную нить накала), начальные значения коммутируемого тока могут значительно (на порядок) превышать величину тока установившегося режима. В таких случаях можно увеличить задержку отключения устройства (от появления сигнала на выходе состояния до его подачи на вход сброса) до стабилизации параметров цепи нагрузки. Задержка может быть как аппаратной (на аналоговых элементах, например интегрирующие RC-цепи, или цифровых, например счетчики импульсов), так и программной (например, передача сигнала состояния устройства в микропроцессорную систему с программным отсчетом времени задержки и выдачей сигнала отключения контроллера на его вход сброса).

Таким образом, введение в устройство узла временной задержки с соответствующими связями обеспечивает возможность осуществлять оперативный контроль текущего состояния тока нагрузки и управление временем включения/отключения коммутатора устройства в цепях с различными величинами и характером нагрузки при одновременном снижении энергопотребления при переходе в режим хранения, что позволяет значительно расширить область применения контроллера, упростить и, как следствие, снизить его стоимость.

Использование: для коммутации силовых энергетических сетей постоянного тока. Технический результат заключается в обеспечении оперативного контроля текущего состояния тока нагрузки, снижении энергопотребления, расширении области применения, упрощении конструкции контроллера и, как следствие, снижении его стоимости. Контроллер нагрузки состоит из буфера (1), узла (2) гальванической развязки, узла (3) управления и защиты, узла (4) преобразования напряжения, коммутатора (5) и узла (6) временной задержки. 1 ил.

Твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к внешнему источнику питания, а выход соединен с первым входом узла управления и защиты, коммутатор, второй вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первые вход и выход являются входом и выходом силовой цепи устройства, второй выход узла управления и защиты соединен со входом узла гальванической развязки, выход узла гальванической развязки соединен со входом буфера, выход которого является выходом состояния устройства, отличающийся тем, что введен узел временной задержки, вход которого соединен с выходом узла преобразования напряжения, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, третий вход которого соединен со вторым выходом коммутатора, второй вход узла преобразования напряжения является входом управления устройства, а третий вход - входом сброса устройства.