КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ПО ТОКУ Российский патент 2008 года по МПК H02H9/02 H03K17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания для защиты от перегрузки по току как блока нагрузки, так и 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 ненадежности и состоит в том, что после включения нагрузки и немедленного срабатывания защиты от перегрузки по току (например, при коротком замыкании в блоке нагрузки) и выключения коммутатора напряжения, происходит его повторное включение входным сигналом, если он имеет достаточную длительность, либо при попытке произвести повторное включение. При этом вновь произойдет выключение от перегрузки по току и т.д. Любая перегрузка по току, особенно при коротком замыкании в блоке нагрузки, снижает надежность всего оборудования - блока нагрузки, цепей питания, источника питания и самого коммутатора напряжения. Тем более при серии таких перегрузок.

Задача изобретения - увеличение функциональной надежности за счет исключения повторного включения 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 установки RS-триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, вход сброса RS-триггера соединен с входом выключения коммутатора напряжения, выход датчика тока нагрузки подключен к входу блока защиты от перегрузок по току, выход блока защиты от перегрузок по току соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к входу выключения коммутатора напряжения, введен D-триггер, вход данных которого соединен с выходом источника напряжения, соответствующего логической единице, вход синхронизации соединен с выходом RS-триггера, вход сброса - с выходом схемы ИЛИ, а выход - с управляющим входом электронного ключа.

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;

4 - блок нагрузки;

5 - датчик тока нагрузки;

6 - RS-триггер;

7 - схема ИЛИ;

8 - D-триггер;

9 - блок защиты от перегрузок по току;

10, 11 - компараторы;

12 - блок задержки импульсов;

13 - интегрирующее звено;

14 - схема И;

15 - схема ИЛИ;

U_ПИТ - коммутируемое напряжение питания;

Е - напряжение, соответствующее логической единице;

U_S - входные сигналы включения коммутатора;

U_R - входные сигналы выключения коммутатора;

U₁, U₂ - выходные сигналы компараторов;

h₁, h₂ - пороговые напряжения компараторов;

I_н - ток нагрузки;

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

Блок защиты от перегрузок по току 9 может быть выполнен по-разному [2, 3]. В качестве примера на чертеже он содержит два компаратора 10 и 11, срабатывающие от разных уровней напряжения с датчика тока нагрузки 5, в соответствии с пороговыми напряжениями h₁ и h₂. Сигнал U₁ с выхода компаратора 10 через схему ИЛИ 15 сразу поступает на выход блока защиты 9, а сигнал U₂ с выхода компаратора 11 через блок задержки импульсов 12 поступает на выход блока защиты через наперед заданное время (например, на время прохождения сильноточных переходных процессов в блоке нагрузки 4). Устройство блока защиты не входит в состав притязаний, поэтому далее подробно не рассматривается.

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_ПИТ. Выход датчика тока нагрузки 5 соединен с входом блока защиты 9, выход которого соединен с первым входом схемы ИЛИ 7, второй вход которой подключен к входу выключения 2 коммутатора напряжения и входу R сброса RS-триггера 6. Выход схемы ИЛИ 7 соединен с входом R сброса D-триггера 8, вход S установки RS-триггера 6 соединен с входом включения 1 коммутатора напряжения. Выход Q RS-триггера 6 соединен с входом С синхронизации D-триггера 8, а его выход Q - с управляющим входом электронного ключа. Вход D данных D-триггера подключен к источнику напряжения Е, соответствующему уровню логической единицы.

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, в результате чего логический ноль с выхода D-триггера 8 удерживает электронный ключ 3 в закрытом состоянии и блок нагрузки 4 оказывается выключенным. При этом выходное напряжение с датчика тока нагрузки 5, равное нулю, поступает на вход блока защиты 9, на выходе которого 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 синхронизации D-триггера переводит его 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, его компараторы остаются в исходном состоянии и на выходе блока защиты 9 логический ноль. Блок нагрузки 4 включен в номинальном режиме. Однако, если ток нагрузки I_H в момент ее включения чрезмерно велик (например, короткое замыкание в блоке нагрузки 4), то блок защиты 9 немедленно срабатывает и выходным импульсом (по цепи: выход компаратора 10 - схема ИЛИ 15 - выход блока защиты 9 - схема ИЛИ 7) сбрасывает D-триггер 8. При этом закрывается электронный ключ 3 и блок нагрузок 4 отключается от источника напряжения питания. Устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему предельно допустимый ток на момент начала переходного процесса при включении. И даже при наличии на входе 1 управляющего сигнала на включение коммутатора напряжения включения электронного ключа 3 не произойдет.

Если в рабочем режиме напряжение с датчика тока нагрузки 1 в какой-то момент превысит допустимое напряжение h₂ (например, произошла перегрузка в блоке нагрузки, когда ее ток превысил допустимое значение), то компаратор 11 сработает и своим выходным импульсом через блок задержки 12, схему ИЛИ 15 и схему ИЛИ 7 выключит D-триггер 8, который закроет электронный ключ 3 и выключит блок нагрузки 4. В этом случае устройство автоматически отключит блок нагрузки по току, превышающему допустимый ток в установившемся режиме в течение времени, превышающего допустимый промежуток времени. Такие кратковременные повышения тока в блоке нагрузок имеют место, например, при изменении режимов его работы, при включении электродвигателей и т.п.

После аварийного отключения блока нагрузки ее повторное включение 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 исходным, 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. Такая логика работы коммутатора напряжения настораживает обслуживающий персонал и побуждает его перед повторным включением после отключения за счет перегрузки провести анализ состояния блока нагрузки и устранения причин перегрузки по току.

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 логический элемент ИЛИ 7, сбрасывает D-триггер 8.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение увеличивает функциональную надежность устройства за счет исключения ложного включения блока нагрузки при длительном импульсе на включение или непреднамеренной попытке его повторного включения 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 и 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, Н03K 17/08.

3. Описание изобретения к патенту РФ №2242831, Н02Н 9/02.

Изобретение относится к области электронной техники. Технический результат заключается в увеличении функциональной надежности за счет исключения повторного включения после срабатывания защиты от перегрузки по току. Для этого устройство содержит 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 установки RS-триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, вход сброса RS-триггера соединен с входом выключения коммутатора напряжения, выход датчика тока нагрузки подключен к входу блока защиты от перегрузок по току, выход блока защиты от перегрузок по току соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу выключения коммутатора напряжения, снабжен D-триггером, вход данных которого соединен с выходом источника напряжения, соответствующего напряжению логической единицы, его вход синхронизации соединен с выходом RS-триггера, вход сброса - с выходом схемы ИЛИ, а выход - с управляющим входом электронного ключа. 1 ил.

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 установки RS-триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, вход сброса RS-триггера соединен с входом выключения коммутатора напряжения, выход датчика тока нагрузки подключен к входу блока защиты от перегрузок по току, выход блока защиты от перегрузок по току соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к входу выключения коммутатора напряжения, отличающийся тем, что в него введен D-триггер, вход данных которого 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.