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

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току как нагрузки, так и источника питания и управляемого ключа.

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, открывается второй транзистор и уменьшает ток, протекающий через электронный коммутатор. 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, а также постоянного потребления электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току согласно патенту РФ [2]. Известный коммутатор напряжения с защитой от перегрузок по току содержит датчик тока, управляемый ключ, логический элемент, триггер, релейный элемент, задатчик порога срабатывания, интегрирующее звено и определенные связи между ними, обеспечивающие повышенную защиту по току срабатывания в момент включения блока нагрузки.

Недостаток известного устройства состоит в том, что срабатывание защиты от перегрузок по току обеспечивается жесткими параметрами задатчика порога срабатывания и интегрирующего звена и не может быть изменено в готовой аппаратуре, установленной на изделии. Вместе с тем, во многих случаях блок нагрузки сам является многофункциональным устройством, в том числе - целой системой управления, токи потребления которой и, естественно, защита от перегрузки по току в процессе ее функционирования могут и должны изменяться в различных режимах работы в широких пределах. Кроме того, одинаковые коммутаторы напряжения не могут оптимально управлять существенно разными блоками нагрузок, для которых защита по току также должна быть разной. В этом смысле приходится каждый коммутатор напряжения подгонять под будущую гипотетическую нагрузку или мириться в реальных условиях с неоптимальной защитой конкретного блока нагрузки от перегрузок по току. И то и другое снижает объем использования однотипных серийных изделий.

Задача изобретения - расширение объема применения и функциональных возможностей за счет обеспечения возможности осуществления независимого управления уровнем защиты от перегрузки по току, а именно - за счет обеспечения возможности перестройки уровня защиты от перегрузки по току как в переходном процессе при подключении блока нагрузки к источнику напряжения питания (например, при наличии в блоке нагрузок 3 емкостной составляющей или электродвигателя постоянного тока), так и в установившемся режиме. Время защиты от бросков тока при включении нагрузки может определяться длительностью входного импульса на включение, либо временем между первым и вторым входными импульсами на включение.

Эта задача решается тем, что в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки 1 и первый управляемый ключ 2, включенные последовательно с блоком нагрузки 3, логический элемент ИЛИ 4, триггер 5, релейный элемент 6 с прямым и инвертирующим входами, задатчик порога срабатывания 7 релейного элемента 6, соединенный с инвертирующим входом релейного элемента 6, выход логического элемента ИЛИ 4 соединен с входом R сброса триггера 5, вход S установки триггера 5 соединен с входом 8 включения коммутатора напряжения, выход триггера 5 соединен с входом управления управляемого ключа 2, выход датчика тока нагрузки 1 подключен к прямому входу релейного элемента 6, выход релейного элемента 6 соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 4, второй вход которого подключен к входу 9 выключения коммутатора напряжения, введены второй вход включения 11 коммутатора напряжения, второй управляемый ключ 10, который включен последовательно с первым управляемым ключом и своим входом соединен со вторым входом включения 11 коммутатора напряжения, и блок управления 13, имеющий импульсный вход С и вход R сброса в исходное состояние, причем задатчик порога срабатывания 7 релейного элемента выполнен с управляющими входами, импульсный вход С блока управления 14 соединен с входом 8 включения коммутатора напряжения, вход R сброса в исходное состояние блока управления 12 соединен с входом 9 выключения коммутатора напряжения, а выходы блока управления 12 соединены с управляющими входами задатчика порога срабатывания 7 релейного элемента 6.

На чертеже приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току, при этом на чертеже и далее по тексту применены следующие обозначения:

1 - датчик тока нагрузки;

2 - первый управляемый ключ;

3 - блок нагрузки;

4 - логический элемент ИЛИ;

5 - триггер;

6 - релейный элемент;

7 - задатчик порога срабатывания релейного элемента 6;

8 - вход включения коммутатора напряжения;

9 - вход выключения коммутатора напряжения;

10 - второй управляемый ключ;

11 - второй вход включения коммутатора напряжения;

12 - блок управления;

U - коммутируемое напряжение источника питания нагрузки;

Е - напряжение второго источника питания;

U₁ - пороговое напряжение на инвертирующем входе релейного элемента 6;

U_i - напряжение с датчика тока нагрузки на прямом входе релейного элемента 6;

I_N - ток нагрузки;

k - коэффициент передачи (крутизна) датчика тока нагрузки 1;

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

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току выполнен следующим образом.

Датчик тока нагрузки 1, первый управляемый ключ 2, блок нагрузки 3 и второй управляемый ключ соединены последовательно и подключены к источнику напряжения питания U. Выход задатчика порога срабатывания 7 релейного элемента 6 соединен с инвертирующим входом релейного элемента 6, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 4, второй вход которого подключен к входу 9 выключения коммутатора напряжения и входу R сброса в исходное состояние блока управления 12. Выход логического элемента ИЛИ 4 соединен с входом сброса триггера 5, вход установки S триггера 5 соединен с входом 9 включения коммутатора напряжения и с импульсным входом С блока управления 12. Выход триггера 5 соединен с входом управляемого ключа 2. Выход датчика тока нагрузки 1 подключен к прямому входу релейного элемента 6. Управляющий вход второго управляемого ключа 10, включенного последовательно с блоком нагрузки и первым управляемым ключом, соединен со вторым входом включения 11 коммутатора напряжения, при этом второй управляемый ключ соединен с шиной питания U.

Силовой источник напряжения питания U является источником энергии для блока нагрузки 3 (блоков нагрузок аппаратуры), его номинальное напряжение зависит от типа аппаратуры, в которой применяется предложенное устройство, например U=27 В. Второй источник напряжения питания Е служит для питания элементов устройства (задатчика порога срабатывания релейного элемента 7, блока управления 12, триггеров, логического элемента ИЛИ 4) его напряжение определяется типами примененных элементов и составляет, например, Е=5 В.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом.

После подачи напряжения питания Е устройство приводится в исходное состояние, например, импульсом по входу выключения 9 коммутатора напряжения, сформированным системой управления (на чертеже не показана). При этом предполагается, что на входах включения коммутатора напряжения управляющие сигналы отсутствуют. Входной импульс по входу выключения 9 коммутатора напряжения сбрасывает в исходное состояние блок управления 12 и через логический элемент ИЛИ 4 сбрасывает триггер 5. Управляемые ключи 2 и 10 удерживаются в выключенном состоянии. Блок управления 12, изменяя в требуемом соотношении сопротивления резисторов R1 и R2 задатчика порога срабатывания 7, устанавливает пороговое напряжение u1 «по умолчанию», например, равное максимальному значению. После подачи напряжения питания U блок нагрузки 3 оказывается выключенным, ток нагрузки не течет. Выходное напряжение ui с датчика тока нагрузки 1, равное нулю, поступает на прямой вход релейного элемента 6, на выходе которого сигнал также равен нулю.

По входному сигналу, подаваемому на вход 8 включения коммутатора напряжения, триггер 5 через элемент ИЛИ 4 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал с выхода Q переводит во включенное состояние управляемый ключ 2, который готовит цепь питания блока нагрузки 3 к включению со стороны шины GND (шина «минус» коммутируемого источника питания нагрузки). До включения блока нагрузки 3 с помощью второго управляемого ключа 10 на вход включения коммутатора напряжения 8 могут быть поданы дополнительные импульсы, изменяющие внутреннее состояние блока управления 12 и соответствующим образом - порог срабатывания порогового элемента 6. При этом блок нагрузки остается выключенным. Для включения блока нагрузки подается напряжение на второй вход включения 11 коммутатора напряжения, при этом включается второй управляемый ключ 10 и блок нагрузки 3 оказывается включенным.

Если ток нагрузки I_N в этот момент находится в заданных пределах (не более допустимого тока «по умолчанию»), то напряжение u_i=k·I_N на прямом входе релейного элемента 6, поступающее с датчика тока нагрузки 1, меньше напряжения u₁, установленного «по умолчанию», и релейный элемент 6 остается в исходном (выключенном) состоянии, на его выходе логический ноль, и триггер 5 не изменяет своего состояния. Однако, если ток нагрузки I_N в момент включения второго управляемого ключа чрезмерно велик и напряжение u_i=k·I_N с датчика тока нагрузки 1 превышает напряжение u₁, то релейный элемент срабатывает и передним фронтом своего выходного импульса (задний фронт импульса формируется уже после снятия тока перегрузки) через логический элемент ИЛИ 4 сбрасывает триггер 5. При этом закрывается управляемый ключ 2 и блок нагрузок 3 отключается. Устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему предельно допустимый «по умолчанию» ток на момент переходного процесса при включении.

Если в устройстве применен блок управления 12, который по заднему фронту входного импульса изменяет свое внутреннее логическое состояние, например, изменяет состояние входного счетчика импульсов или регистра (на чертеже не показано, поскольку устройство блока управления 12, как такового, не входит в объем притязаний по данному изобретению и зависит как от технических требований к устройству в целом, так и от «вкусов» разработчика), то при этом изменяется и логическое состояние (код) выходной шины данных D этого блока управления. При изменении кода на выходе D блока управления 12 изменяется соотношение между сопротивлениями резисторов R1 и R2 задатчика порога срабатывания 7 таким образом, что выходное напряжение задатчика порога срабатывания 7 уменьшается в заданных пределах. В результате перестраивается порог срабатывания защиты по току для работы в установившемся режиме нагрузки.

Такое функционирование блока управления 12 не обязательно, но оно показывает возможность управления порогом срабатывания защиты от перегрузок по току в составе определенной системы управления. Вместе с тем максимальный порог срабатывания релейного элемента может быть установлен по приходу первого импульса на вход 8 включения коммутатора напряжения, а по окончании переходного процесса (уже при включенном втором ключе 10) следующим импульсом (или серией импульсов) по входу включения коммутатора напряжения этот порог может быть уменьшен до заданных пределов.

Когда по мере выполнения программы требуется «на ходу» изменить порог срабатывания защиты, на вход включения коммутатора напряжения подается второй импульс, не изменяющий состояния его ключа 3, но через блок управления 12 и задатчик порога срабатывания 7 порогового элемента 6 устанавливающий новое значение порога срабатывания защиты по току. При необходимости может быть подан третий, четвертый импульс на включение коммутатора напряжения и т.д., и каждый раз может быть получено новое наперед заданное значение порога срабатывания защиты от перегрузок по току. Это решается соответствующим построением блока управления (счетчик и дешифратор, регистр сдвига, иная комбинаторная логика и т.п.) и необходимым набором резисторов R1 и R2.

В номинальном режиме работы выключение блока нагрузки производится путем подачи на вход 9 импульса, который, проходя через логический элемент ИЛИ 4, сбрасывает триггер 5, а также устанавливает блок управления 12 в исходное состояние, обеспечивая для следующего включения коммутатора напряжения порог защиты от перегрузки по току «по умолчанию».

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение расширяет объем применения и функциональные возможности за счет обеспечения возможности перестройки уровня защиты от перегрузки по току как в переходном процессе при подключении напряжения питания к блоку нагрузки (например, при наличии в блоке нагрузок 3 емкостной составляющей или электродвигателя постоянного тока), так и в установившемся режиме. Время защиты от бросков тока при включении нагрузки может определяться длительностью входного импульса на включение, либо временем между первым и вторым входными импульсами на включение. Значения конкретных токов I_N1, при которых коммутатор напряжения отключает блок нагрузки от источника напряжения, могут с помощью блока управления 12 регулироваться в широких пределах изменением сопротивлений резисторов R1, R2 задатчика порогов срабатывания 7 и устанавливаться в зависимости от параметров конкретной нагрузки. Это дополнительное обстоятельство улучшает потребительские свойства предложенного изобретения, поскольку обеспечивает регулировку уровней токовой защиты под конкретную нагрузку «на ходу».

Кроме того, возможно функционирование предложенного коммутатора напряжения в качестве измерительного устройства, когда на его включающий вход 9 подают импульсы до тех пор, пока не сработает защита по току. По количеству поданных импульсов и известной логике работы блока управления 12 совместно с задатчиком порога срабатывания 7 можно с достаточной точностью определить ток выключения (потребления) в заданном режиме работы блока нагрузки. Для этого блок управления 12 и задатчик порога срабатывания могут быть выполнены по типу цифроаналогового преобразователя (ЦАП), выходное напряжение которого уменьшается по мере поступления импульсов на вход С.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренном автором предложении не встречалась 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 релейные элементы, например серии 521, управляемые ключи необходимой мощности (полевые транзисторы, требующие минимальной мощности управления и хорошо согласующиеся с микросхемами).

На чертеже приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Эти элементы предложения могут иметь и иное исполнение, обеспечивающие эквивалентное функционирование устройства в целом. Так, датчик тока нагрузки 1 может быть выполнен с использованием датчика Холла или интеллектуального силового ключа типа BTS550 (Infineon, Германия), блок нагрузки 3 может иметь, в частности, реактивные составляющие, задатчик порога срабатывания 7 релейного элемента может иметь иное схемное решение, а также иметь определенные цепи задержки. Триггер RS-типа может быть заменен D-триггером с логической единицей на D-входе. Блок управления 12 по импульсным сигналам на входе С своими выходами D может переключать значения сопротивлений R1 и/или R2 задатчика порога срабатывания 7, либо может быть объединен с ним в единый блок типа ЦАП, если логика работы ЦАП удовлетворяет конкретным требованиям системы управления, в которой предложенный коммутатор напряжения будет использоваться. Показанный на чертеже блок управления 12 свое внутреннее состояние может изменять по переднему фронту импульса на входе включения коммутатора напряжения, хотя это и не принципиально, а зависит только от требований к устройству, более того, изменение внутреннего состояния блока логики 12 по заднему фронту входного импульса дает определенные возможности. Переключение внутреннего состояния блока логики 12 как по переднему, так и по заднему фронтам импульса на входе 9 включения компаратора напряжения позволяет расширить возможности логики защиты от перегрузки по току.

Литература

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. М., «Радио и связь», 1986 г., стр.189, рис.5.19.

2. Федосов А.А. Коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току. Патент РФ 2242831, Н02Н 9/02. Опубликован 20.12.2004, бюл. №35.

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току. Коммутатор напряжения расширяет объем применения и функциональные возможности за счет обеспечения возможности перестройки защиты от перегрузки по току «на ходу». Коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току содержит управляемый ключ, который через датчик тока нагрузки подает питание в блок нагрузки, а также второй управляемый ключ. Релейный элемент, подключенный к выходу датчика тока нагрузки, через логический элемент ИЛИ и триггер, осуществляет выключение питания блока нагрузки при наличии перегрузки по току, как при включении, так и в установившихся режимах, а регулировка порогов срабатывания защиты от перегрузки по току осуществляется блоком управления, к входам которого подключены входы включения и выключения коммутатора напряжения. 1 ил.

Коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и управляемый ключ, подключенные к блоку нагрузки, логический элемент ИЛИ, триггер, релейный элемент с прямым и инвертирующим входами и задатчик порога срабатывания релейного элемента, соединенный с инвертирующим входом релейного элемента, выход логического элемента ИЛИ соединен с входом сброса триггера, вход установки триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, выход триггера соединен с входом управляемого ключа, выход датчика тока нагрузки подключен к прямому входу релейного элемента, выход релейного элемента соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу выключения коммутатора напряжения, отличающийся тем, что в него введены второй вход включения коммутатора напряжения, второй управляемый ключ, который включен последовательно с первым управляемым ключом и своим входом соединен со вторым входом включения коммутатора напряжения, и блок управления, имеющий импульсный вход С и вход R сброса в исходное состояние, причем задатчик порога срабатывания релейного элемента выполнен с управляющими входами, импульсный вход С блока управления соединен с входом включения коммутатора напряжения, вход R сброса в исходное состояние блока управления соединен с входом выключения коммутатора напряжения, а выходы блока управления соединены с управляющими входами задатчика порога срабатывания релейного элемента.