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

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 электронного 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 постоянным потреблением 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, электронный 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.

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 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 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 и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки, логический элемент ИЛИ, триггер, релейный элемент с прямым и инвертирующим входами, задатчик порога срабатывания релейного элемента, соединенный с инвертирующим входом релейного элемента, выход логического элемента ИЛИ соединен с входом R сброса триггера, вход S установки триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, выход триггера соединен с входом управления электронного 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, введен блок управления, имеющий импульсный вход С и вход R сброса в исходное состояние, задатчик порога срабатывания релейного элемента выполнен с управляющими входами, при этом 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.

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 - электронный ключ;

3 - блок нагрузки;

4 - логический элемент ИЛИ;

5 - триггер;

6 - релейный элемент;

7 - задатчик порога срабатывания релейного элемента;

8 - источник напряжения питания;

9 - вход включения коммутатора напряжения;

10 - вход выключения коммутатора напряжения;

11 - второй источник напряжения питания;

12 - блок управления;

U - коммутируемое напряжение источника напряжения питания 8;

Е - напряжение второго источника напряжения питания 11;

U_in - входные сигналы включения коммутатора;

U_out - входные сигналы выключения коммутатора;

U₁, - пороговое напряжение на инвертирующем входе релейного элемента 6;

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

I_Ni - 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, электронный ключ 2 и блок нагрузки 3 соединены последовательно и подключены к источнику напряжения питания 8 с напряжением U. Выход задатчика порога срабатывания релейного элемента 7 соединен с инвертирующим входом релейного элемента 6, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 4, второй вход которого подключен к входу 10 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 триггера 5 соединен с входом 9 включения коммутатора напряжения и с импульсным входом С блока управления 12. Выход триггера 5 соединен с входом управления электронного ключа 2. Выход датчика тока нагрузки 1 подключен к прямому входу релейного элемента 6.

На чертеже приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь не принципиальные отличия, обеспечивающие эквивалентное функционирование устройства. Так, датчик тока нагрузки 1 может быть выполнен с использованием датчика Холла, блок нагрузки 3 может иметь, в частности, емкостные составляющие, задатчик порога срабатывания 7 релейного элемента может иметь иной источник питания, один или два резистора. Триггер 5 RS-типа может быть заменен D-триггером. Блок управления 12 по импульсным сигналам на входе С своими выходами D может дискретно переключать значения сопротивлений R1 и/или R2 задатчика порога срабатывания 7, либо может быть объединен с ним в единый блок типа цифроаналогового преобразователя (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 изменяет, например, по заднему фронту входного импульса U_in, хотя это и не принципиально, а зависит только от требований к устройству.

Силовой источник напряжения питания 8 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 11 служит для питания элементов управления устройства (задатчика порога срабатывания релейного элемента 7, блока управления 12, триггера 5, логической схемы 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 напряжений питания Е и U устройство приводится в исходное (выключенное) состояние, например, импульсом по входу выключения коммутатора напряжения 10, сформированным системой управления (на чертеже не показана). Входной импульс по входу выключения коммутатора 10 сбрасывает в исходное состояние блок управления 12 и через логический элемент ИЛИ 4 сбрасывает триггер 5, в результате чего логический ноль с выхода триггера 5 удерживает электронный ключ 2 в выключенном состоянии и блок нагрузки 3 оказывается выключенным. Блок управления 12, изменяя в требуемом соотношении сопротивления резисторов R1 и R2 задатчика порога срабатывания 7, устанавливает пороговое напряжение u1 «по умолчанию», например, максимальным.

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 U_in=1, подаваемому на вход 9 включения коммутатора напряжения, триггер 5 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал с выхода Q переводит во включенное состояние электронный ключ 2, который замыкает цепь питания блока нагрузки 3. Если ток нагрузки I_N1 в этот момент находится в заданных пределах, то напряжение u_i=k·I_N1 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. Блок нагрузки 3 включен. Однако, если ток нагрузки I_N1 в момент ее включения чрезмерно велик и напряжение u_i=k·I_N1 с датчика тока нагрузки 1 превышает напряжение u₁, установленное «по умолчанию», 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 электронный ключ 2 и блок нагрузок 3 отключается от источника напряжения питания 8. Устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему предельно допустимый «по умолчанию» ток на момент переходного процесса при включении.

Начальный порог срабатывания релейного элемента («по умолчанию») сохраняется на все время действия (присутствия на входе) входного импульса. Это время может быть заранее (при проектировании, изготовлении или программировании системы управления) установлено в устройстве, которое формирует входной импульс на включение коммутатора.

По заднему фронту входного импульса бок управления 12 изменяет свое внутреннее логическое состояние, например изменяет состояние входного счетчика импульсов (на чертеже не показано, поскольку устройство блока управления 12, как такового, не входит в объем притязаний по данному изобретению). При этом изменяется и логическое состояние (код) выходной шины данных D этого блока управления. При изменении кода на выходе блока управления 12 изменяется соотношение между сопротивлениями резисторов R1 и R2 таким образом, что выходное напряжение задатчика порога срабатывания 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, при отсутствии возможности подать сигнал заданной длительности на вход включения коммутатора 9 и на вход С блока управления 12, необходимый (максимальный) порог срабатывания релейного элемента может быть установлен по приходу первого импульса на включение коммутатора напряжения.

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 (ЦАП, 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 10 импульса U_out=1, 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 блока нагрузки к источнику напряжения питания 8 (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 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 и 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».

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, электронные ключи необходимой мощности (полевые транзисторы, требующие минимальной мощности управления и хорошо согласующиеся с микросхемами).

Литература

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. Москва «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 электронный ключ, который через датчик тока нагрузки подает питание в блок нагрузки. 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 в переходном, так и в установившихся режимах, а регулировка порогов срабатывания защиты от перегрузки по току осуществляется блоком управления с комбинаторной логикой, 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 электронный 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 управления электронного 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 введен блок управления, имеющий импульсный вход и вход сброса в исходное состояние, задатчик порога срабатывания релейного элемента выполнен с управляющими входами, при этом импульсный вход блока управления соединен с входом включения коммутатора напряжения, вход 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.