КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ЗАЩИТОЙ ОТ ТОКОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2008 года по МПК H03K17/28 

Изобретение относится к области коммутирующих устройств на тиристорах и предназначено для защиты нагрузки от токовой перегрузки, возникающей, например, при избыточной механической нагрузке электродвигателей или их заклинивании.

Известны коммутирующие устройств, содержащие: триак, в силовую цепь которого включена нагрузка, схему управления с формирователем импульсов, датчиком тока (низкоомным резистором, токовым трансформатором и т.п.), включенным в силовую цепь триака, см., например, [1]. В известных коммутирующих устройствах, при перегрузке по току, напряжение с датчика тока поступает на пороговое устройство, сравнивающее это напряжение с опорным напряжением; выходной сигнал порогового устройства используется для управления фазовым углом триака или для его выключения.

Наиболее близким, к предлагаемому изобретению, по назначению и по составу является, известное из промышленной практики, устройство управления кухонного комбайна КП1580Е03 [2]. Устройство содержит: триак, в силовую цепь которого включен электродвигатель, низкоомный резистор - датчик тока, формирователь импульсов, электронный выключатель, устройство задержки времени и пороговое устройство. К управляющему электроду триака подключен выход формирователя импульсов; вход формирователя импульсов подключен к выходу электронного выключателя.

В известном объекте [2] резистор - датчик тока выполнен на одной стороне керамической пластины, на второй стороне пластины установлен полупроводниковый пороговый датчик температуры с функцией выключателя с защелкой. Резистор - датчик тока включен в цепь катода триака. При протекании тока через резистор - датчик тока керамическая плата нагревается и пороговый температурный датчик включается с задержкой, обусловленной временем нагрева керамической пластины. При этом выключатель - защелка отключает формирователь импульсов и триак. Задержка выключения триака необходима для того, чтобы защита не срабатывала при пусковом токе электродвигателя.

Применение резистивных датчиков тока в известных устройствах увеличивает габариты устройства, рассеиваемую мощность, повышает его стоимость, усложняет схему управления. Резистивный датчик тока, являясь слабым звеном, снижает надежность коммутирующего устройства при токовой перегрузке.

Предлагаемое коммутирующее устройство не имеет указанных недостатков, благодаря тому, что пороговое устройство выполнено с чувствительным к отрицательному напряжению входом и этим входом подключено к управляющему электроду триака, каскад задержки времени подсоединен между выходом порогового устройства и входом электронного выключателя.

Возможность выполнения устройством функции защиты без резистора - датчика тока обусловлена тем, что отрицательное (но не положительное) напряжение па управляющем электроде стандартного триака в открытом его состоянии линейно зависит от тока анода триака и слабо зависит от температуры. Отрицательный потенциал на управляющем электроде триака может быть использован вместо напряжения, получаемого с датчика тока.

Коммутирующее устройство отличается также тем, что пороговое устройство содержит резистивный делитель напряжения и оптрон со светодиодным входом: вход делителя напряжения подключен между катодом и управляющим электродом триака, вход светодиодного оптрона подключен к выходу резистивного делителя; выход оптрона подключен к входу каскада задержки времени. Благодаря указанным отличиям, уровень защиты по току может быть установлен при помощи резистивного делителя напряжения. Уровень защиты по току снижается при повышении температуры среды из-за уменьшения порога отпирания диодного входа оптрона.

Коммутирующее устройство (вариант) отличается также тем, что пороговое устройство содержит резистивный делитель напряжения и биполярный n-p-n - транзистор, включенный по схеме с общей базой: эмиттер и база транзистора подключены соответственно к управляющему электроду и катоду триака через резистивный делитель напряжения, коллектор биполярного транзистора подключен к входу каскада задержки времени.

Изобретение поясняется чертежами схем коммутирующего устройства, приведенными на фиг.1-6.

Приняты следующие условные обозначения:

1 - нагрузка (электродвигатель); 2 - триак; 3 - клемма источника питания (L-линия); 4 - клемма источника питания (N - нейтраль); 5 - управляющий электрод триака; 6 - формирователь импульсов с выходом 7 и входом 8; 9 - электронный выключатель с выходом 10 и входом 11; 12 - каскад задержки времени с выходом 13 и входом 14; 15 - аналоговый компаратор с входом 16 для отрицательного напряжения, входом опорного напряжения 17 и выходом 18; 19, 20 - резисторы; 21 - оптрон (например, PС817 [3]) со светодиодным входом 22-23 и выходом 23-24; 26 - дополнительный вход каскада задержки времени; 27 - транзистор n-p-n-типа; 28, 29 - резисторы; 30 - двухэлектродный симметричный тиристор (SBS - Silicon Bidirectional Switch, например, 2N4992); 31 - конденсатор; 32 - диодный мост; 33 - конденсатор; 34, 35 - резисторы; 36 - программируемый однопереходный транзистор (PUT - Programmable Unijunction Transistor, например, 2N6027); 37 - конденсатор; 38, 39, 40 - резисторы.

На фиг.1 приведена блок-схема коммутирующего устройства с применением порогового устройства, выполненного на аналоговом компараторе 15.

В схеме на фиг.2 показано применение делителя напряжения 19, 20 и оптрона 21 в качестве порогового устройства.

Применение делителя напряжения 19, 20 и биполярного n-p-n - транзистора в качестве порогового устройства показано на фиг.3

На фиг.4 показана схема коммутирующего устройства с применением полупроводниковых приборов 30, 32, 36 и аналогового компаратора 15.

На фиг.5 показано применение оптрона 21 вместо аналогового компаратора 15 в схеме по фиг.4.

На фиг.6 показано применение n-p-n-транзистора 27 в качестве порогового устройства в схеме по фиг.4.

На фиг.7 показаны стрелочками пути протекания тока в части структуры триака в открытом состоянии при отрицательном напряжении анода и отрицательном токе анода.

Напряжение на управляющем электроде в структуре триака (фиг.7) определяется падением напряжения на шунте N2⁺, встроенном в управляющую область триака. Напряжение на шунте зависит от напряжения анода триака в открытом состоянии, сопротивления локальной области, модулируемой током, структуры N1⁺-P1-N^--P2-N2⁺. В этой структуре напряжения на p-n-переходах компенсируют друг друга (из-за их четного количества) и потенциалы на p-n-переходах не дают составляющей, зависящей от температуры.

На фиг.8 приведена зависимость потенциала на управляющем электроде триака типа 2N6073 от отрицательного тока анода в открытом состоянии. При повышении тока анода напряжение между катодом и управляющим p-n-переходом триака возрастает. Аналогичные зависимости свойственны и другим типам триаков.

На фиг.9 изображены входные вольт-амперные характеристики оптрона PCX 17 (прямой ток - прямое напряжение), который может использоваться в качестве варианта выполнения порогового устройства.

Действие коммутирующего устройства (фиг.1) осуществляется следующим образом.

При подключении сетевого переменного напряжения (˜220 В, 50 Гц) к клеммам 3, 4 формирователь импульсов 6 отрицательным импульсом (2-30 мкс) с частотой 100 Гц включает триак 2. Через нагрузку 1 и триак 2 начинает протекать силовой ток.

При токовой перегрузке напряжение Uуэ (см. фиг.8) на управляющем электроде 5 триака 2 будет возрастать синфазно с током анода Ia триака 2 и поступит ни вход 16 компаратора 15. На входе 17 компаратора 15 должен быть (внешним или внутренним источником напряжения) установлен потенциал Uуэ1 (см. фиг.8), соответствующий Ia1 - задаваемому значению тока срабатывания защиты. При токе Ia, превышающем значение тока Ia1, напряжение Uуэ превзойдет напряжение Uуэ1 и на выходе 18 компаратора 15 появится сигнал, который поступит на вход 14 каскада задержки времени 12, а задержанный сигнал с его выхода 13 переключит электронный выключатель 9 в состояние, при котором он блокирует работу формирователя импульсов 6. В результате этого формирователь импульсов 6 прекратит работу, триак 2 не будет включаться и ток нагрузки 1 прекратится.

При пуске электродвигателя 1 ток в силовой цепи триака 2 может превышать значение Ia1. Каскад задержки времени 12 в течение времени некоторого времени задерживает сигнал с выхода 18 компаратора 15. За это время электродвигатель 1 должен набрать обороты, а ток Ia снизиться ниже порогового значения Ia1.

После срабатывания защиты от перегрузки для повторного включения коммутирующего устройства необходимо сбросить состояние выключателя 9, блокирующее работу формирователя импульсов 6, что обычно достигается отключением электропитания или дополнительным коммутирующим элементом, воздействующим на выключатель 9.

В схеме, приведенной на фиг.2, согласование уровня выходного сигнала на управляющем электроде 5 триака 2 с пороговым уровнем отпирания светодиода в оптроне 21 и установление тока срабатывания защиты осуществляется выбором резисторов 19, 20.

На схеме, приведенной на фиг.4, при токовой перегрузке потенциал выхода 18 компаратора 15 снижается. Через время, определяемое RC - постоянной цепи 37-38, потенциал на управляющем электроде 41 программируемого однопереходного транзистора 36 снижается. Конденсатор 33 при этом разряжается через резистор 40. Транзистор 36 включается и при спаде напряжения в сети переменного тока удерживается во включенном состоянии за счет разряда конденсатора 33. Потенциалы в диагоналях моста 32 снижаются, и симметричный тиристор 30 и триак 2 не включаются. Нагрузка 1 отключается.

При применении оптрона 21 (фиг.5) конденсатор 33 может разряжаться через транзисторный выход 24-25 оптрона 21 и резистор 40 не требуется. Кроме того, в этой схеме ток срабатывания защиты уменьшается от температуры из-за уменьшения входного напряжения оптрона 21 от температуры (см. фиг.9). Это свойство полезно тем, что предупреждает перегрев электродвигателя.

При применении в схеме фиг.4 в качестве порогового устройства биполярного n-p-n - транзистора, включенного по схеме с общей базой (см. фиг.6) для разряда конденсатора 33 следует установить резистор 40. В схеме фиг.6 ток защиты так же, как и в схеме фиг.5 уменьшается от температуры вследствие уменьшения от температуры напряжения между эмиттером и базой транзистора 17.

Предлагаемое коммутирующее устройство может эффективно использоваться для защиты нагрузок при токовых перегрузках, в частности в устройствах с коллекторными электродвигателями.

Литература.

1. Phase Control 1C with Overload Limitation for Tacho Applications, U211B, p.20, fig 24, Atmel Corp. Literature Requestes, http://www.Atmel.Corn/literature

2. Кухонный комбайн ЗЭМ РКК «Энергия». КУХОННЫЙ ПРОЦЕССОР КП1580Е03 с контроллером STP-350.

3. РС817, High Density Mounting Type Photocoupler, Sharp, http://www.zymcu.com/datasheet/device/pc817.pdf, p.3, fig.5

4. 2N6027 Programmable Unijunction Transistor Triggers, http://onsemi.com

Коммутирующее устройство содержит нагрузку (1), триак (2), схему управления, состоящую из формирователя импульсов (6), электронного выключателя (9), порогового устройства (15) и каскада задержки времени (12); нагрузка включена (1) в силовую цепь триака (2), к управляющему электроду триака (5) подключен выход (7) формирователя импульсов (6); вход формирователя импульсов (8) подключен к выходу Q электронного выключателя (9); вход электронного выключателя (11) подключен через устройство задержки времени (12) к выходу (18) порогового устройства (15), пороговое устройство выполнено с чувствительным к отрицательному напряжению входом (16) и подключено этим входом к управляющему электроду (5) триака (2). Устройство позволяет защитить нагрузку от токовой перегрузки, защитить электродвигатель от аварии при заклинивании. В качестве порогового устройства может быть применен аналоговый компаратор, оптрон или n-p-n транзистор, включенный по схеме с общей базой. Технический результат - повышение надежности, упрощение, улучшение массогабаритных показателей. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Коммутирующее устройство, содержащее триак, нагрузку, включенную в силовую цепь триака, формирователь импульсов, электронный выключатель, пороговое устройство, каскад задержки времени, к управляющему электроду триака подключен выход формирователя импульсов, вход формирователя импульсов подключен к выходу электронного выключателя, отличающееся тем, что пороговое устройство выполнено с чувствительным к отрицательному напряжению входом и подключено этим входом к управляющему электроду триака, каскад задержки времени подсоединен между выходом порогового устройства и входом электронного выключателя.2. Коммутирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что пороговое устройство содержит резистивный делитель напряжения, оптрон со светодиодным входом, вход делителя напряжения подключен между катодом и управляющим электродом триака, вход светодиодного оптрона подключен к выходу резистивного делителя, выход оптрона подключен к входу каскада задержки времени.3. Коммутирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что пороговое устройство содержит резистивный делитель напряжения и биполярный п-р-п-транзистор, включенный по схеме с общей базой, эмиттер и база транзистора подключены, соответственно, к управляющему электроду и катоду триака через резистивный делитель напряжения, коллектор биполярного транзистора подключен к входу каскада задержки времени.