ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ С САМОВОССТАНОВЛЕНИЕМ Российский патент 2011 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и выходных силовых цепей вторичных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий (к.з.) по току. Может быть использовано для защиты цепей автоматики, дорогостоящего и взрывозащищенного электрооборудования.

Известно устройство защиты от к.з. и превышения тока в нагрузке [Шустов М.А. Практическая схемотехника. Книга 4. «Контроль и защита источников питания». М.: Издательский дом «Додэка-XXI», «Альтекс», 2007, стр.50, рис.5.5], в котором использован тиристор с датчиком тока на резисторе. При увеличении тока в нагрузке включается тиристор, шунтируя цепь управления транзистора, после чего напряжение на выходе падает до нуля. Для повторного запуска после устранения причин перегрузки следует нажать кнопку и разблокировать тиристор.

Данное устройство защиты обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не позволяет производить резервирование («горячий» резерв) каналов защиты, и в нем отсутствует функция автоматического самовосстановления. Кроме этого на сопротивлении датчика, подключенного непосредственно к управляющему электроду тиристора, рассеивается относительно высокая дополнительная мощность.

Известно устройство защиты источника питания от к.з. [Шустов М.А. Практическая схемотехника. Книга 4. «Контроль и защита источников питания». М.: Издательский дом «Додэка-XXI», «Альтекс», 2007, стр.57, рис.5.11]. Это тиристорно-транзисторная схема, которая работает следующим образом: при нормальном режиме тиристор выключен, транзисторы Дарлингтона находятся в состоянии насыщения. При к.з. в нагрузке начинает протекать ток через управляющий электрод тиристора - он включается и шунтирует цепь управления транзистора Дарлингтона, ток через который снижается до минимума.

Данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не позволяет производить резервирование («горячий» резерв) каналов защиты, и в нем отсутствует функция автоматического самовосстановления. Кроме того, на транзисторах Дарлингтона падает значительная часть напряжения питания и рассеивается соответственно большая мощность.

Известно устройство защиты (электронный предохранитель) [Патент на изобретение №2185016 RU], которое содержит силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, шесть резисторов, переключатель, предохранитель, устройство управления, два компаратора напряжения, терморезистор, диод для форсированного разряда входного конденсатора силового МДП-транзистора.

Данное устройство защиты обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не позволяет производить резервирование («горячий» резерв) каналов защиты, что определяет надежность работы как недостаточную для ответственных применений (например, для защиты дорогостоящего и взрывозащищенного электрооборудования). Кроме того, данное устройство несамовосстанавливающееся (после устранения к.з. или перегрузки для приведения устройства в нормальный режим работы надо выключить/включить источник питания или нажать на переключатель).

Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности признаков и решаемой задаче является устройство защиты [Шустов М.А. Практическая схемотехника. Книга 4. «Контроль и защита источников питания». М.: Издательский дом «Додэка-XXI», «Альтекс», 2007, стр.49, рис.5.3], содержащее силовой МДП-транзистор, работающий в ключевом режиме, компаратор напряжения, два резистора, подключенные к компаратору, резистивный датчик тока, кнопку. Ток срабатывания защиты определяется соотношением сопротивлений резисторов и датчика. После срабатывания защиты для повторного подключения нагрузки необходимо нажать кнопку.

Данное устройство защиты обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не позволяет производить резервирование («горячий» резерв) каналов защиты, в нем отсутствует функция автоматического восстановления нормального режима работы, кроме того, известное устройство имеет большие ограничения по применению резистивно-емкостных нагрузок и нагрузок с бросками пусковых токов.

Заявляемый электронный предохранитель с самовосстановлением обеспечивает достижение следующего технического результата: повышение качества работы устройства (минимизация энергии к.з., высокий КПД, отсутствие срабатывания при включении на резистивно-емкостную нагрузку или нагрузку с пусковым током) и расширение функциональных возможностей (резервирование каналов защиты, самовосстановление).

Сущность изобретения поясняется на фиг.1÷3, где на фиг.1 представлена структурная схема одноканального заявляемого устройства, на фиг.2 - структурная схема n-канального заявляемого устройства ([n-1] каналов - «горячий» резерв), на фиг.3 - функциональная схема одноканального заявляемого устройства.

На фиг.1 показано, что одноканальный электронный предохранитель с самовосстановлением содержит в своем составе: силовой МДП-транзистор 1, работающий в ключевом режиме, компаратор напряжения 2, резистивный датчик тока 3 и отличается от прототипа тем, что выполнен в виде четырехполюсника (входной положительный полюс 4, входной отрицательный полюс 5, выходной положительный полюс 6, выходной отрицательный полюс 7; к входным полюсам 4 и 5 подключается выход защищаемого источника электропитания, к выходным полюсам 6 и 7 подключается нагрузка) и в его состав введены: источник питания вспомогательный 8, ограничитель тока к.з. 9, дифференциальный усилитель 10, тиристорный ключ 11, имеющий вход установки «S» и вход сброса «R», драйвер 12, управляемый генератор восстанавливающих импульсов 13, ограничитель тока запуска 14; при этом к входным полюсам 4 и 5 подсоединен вход источника питания вспомогательного 8, выход которого соединен с входами электропитания: дифференциального усилителя 10, компаратора напряжения 2, тиристорного ключа 11, управляемого генератора восстанавливающих импульсов 13; к входному положительному полюсу 4 подсоединен вход ограничителя тока к.з. 9, выход которого соединен с истоком силового МДП-транзистора 1, сток которого соединен с входом ограничителя тока запуска 14, имеющего соединение с выходным отрицательным полюсом 7, выход ограничителя тока запуска 14 соединен с выходным положительным полюсом 6; к входному отрицательному полюсу 5 присоединены первый вход дифференциального усилителя 10 и первый вывод резистивного датчика тока 3, второй вывод которого соединен с выходным отрицательным полюсом 7 и вторым входом дифференциального усилителя 10, выход которого соединен с входом компаратора напряжения 2, выход которого соединен с входом установки «S» тиристорного ключа 11, выход которого соединен с входом управления генератора восстанавливающих импульсов 13 и входом драйвера 12, имеющего связь с входным отрицательным полюсом 5; первый и второй выходы драйвера 12 соединены соответственно с затвором и истоком силового МДП-транзистора 1, а выход генератора восстанавливающих импульсов 13 соединен с входом сброса «R» тиристорного ключа 11.

N-канальный вариант заявляемого устройства на фиг.2 ([n-1] каналов - «горячий» резерв) отличается от одноканального на фиг.1 тем, что дополнительно введены [n-1] - резистивных датчиков тока 3², 3³, …3ⁿ, причем все датчики (3¹, 3², 3³, …3ⁿ) включены последовательно; содержит схему ИЛИ 15, имеющую n входов; дополнительно введены [n-1] силовых МДП-транзисторов 1², 1³…1ⁿ, причем все силовые МДП-транзисторы (1¹, 1², 1³…1ⁿ) включены последовательно; введены [n-1] каналов управления силовыми МДП-транзисторами 1², 1³…1ⁿ, для чего резистивные датчики тока 3², 3³, …3ⁿ соединены с соответствующими входами дифференциальных усилителей 10², 10³, …10ⁿ, выходы которых соединены с соответствующими входами компараторов напряжения 2², 2³, …2ⁿ, выходы которых соединены с соответствующими входами установки «S» тиристорных ключей 11², 11³, …11ⁿ, выходы которых и выход тиристорного ключа 11¹ соединены с соответствующими входами схемы ИЛИ 15, выходы тиристорных ключей 11², 11³, …11ⁿ соединены с соответствующими входами драйверов 12², 12³, …12ⁿ, выходы которых соединены с истоками и затворами соответствующих силовых МДП-транзисторов 1², 1³, …1ⁿ, выход схемы ИЛИ 15 соединен с управляющим входом генератора восстанавливающих импульсов 13, выход которого соединен с объединенными входами сброса «R» тиристорных ключей 11¹, 11², 11³…11ⁿ. N-защитных каналов работают одновременно. При выходе из строя любого сочетания [n-1] каналов защитная функция сохраняется.

Схема заявляемого электронного предохранителя с самовосстановлением выполнена по принципу порогового устройства. Величина установленного порога определяет значение тока ограничения при перегрузке или к.з. нагрузки. Если ток нагрузки превышает ток ограничения, то нагрузка отключается. Один из основных параметров - энергия, выделяющаяся в искровом промежутке при коротком замыкании нагрузки - минимизирована, что определяется малым временем (несколько микросекунд) отключения нагрузки и ограничением тока к.з.

Работа заявляемого устройства рассматривается по функциональной схеме на фиг.3. Устройство состоит из следующих функциональных узлов:

8 - источник питания вспомогательный;

3 - резистивный датчик тока;

10 - дифференциальный усилитель;

9 - ограничитель тока к.з. (L1, VD1);

2 - компаратор напряжения (DA1, R1, R2, R3);

11 - тиристорный ключ (VS1, VT1, VT2, R4, R5, R6, R7);

12 - драйвер;

1 - силовой МДП-транзистор;

13 - управляемый генератор восстанавливающих импульсов;

14 - ограничитель тока запуска (VT3, C1, R8, R9).

Опорное напряжение Uопорн. на неинвертирующий вход микросхемы компаратора DA1 (узел 2) подается с переменного резистора R1, на этот же вход с выхода компаратора через резистор R2 подается напряжение положительной обратной связи, которая уменьшает время срабатывания и устраняет дребезг за счет гистерезиса. Инвертирующий вход компаратора DA1 - внешний (на него поступает сигнал с выхода дифференциального усилителя 10).

Согласующая цепь между выходом компаратора DA1 (узел 2) и управляющим электродом тиристора VS1 (узел 11) - VT1, R4, R5, R6, резистор R7 - анодная нагрузка тиристора, транзистор VT2 выполняет по отношению к включенному тиристору VS1 функцию шунта. Во включенном состоянии транзистор VT2 шунтирует тиристор VS1, и при выключении транзистора VT2 тиристор VS1, также, будет находиться в выключенном состоянии.

Рассмотрим работу устройства в нормальном (статическом) режиме, когда ток нагрузки меньше тока ограничения (Iнагр.<Iогр.). При этом напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 (узел 2) меньше Uопор., на выходе компаратора высокий уровень напряжения, транзистор VT1 (узел 11) включен, тиристор VS1 выключен, на его аноде высокий уровень напряжения, при этом на выходе драйвера 12 низкий уровень и силовой МДП-транзистор 1 включен, генератор восстанавливающих импульсов 13 при этом заблокирован, на его выходе низкий уровень и шунтирующий транзистор VT2 (узел 11) выключен.

При перегрузке или к.з. (динамический режим) ток нагрузки больше тока ограничения (Iнагр.>Iогр.), при этом срабатывает компаратор DA1 (узел 2), тиристор VS1 (узел 11) включается, силовой МДП-транзистор 1 выключается, ток Iнагр. становится равным нулю, и компаратор DA1 (узел 2) возвращается в исходное состояние, но тиристор VS1 (узел 11) при этом остается во включенном состоянии («защелка»). На аноде тиристора VS1 низкий уровень и генератор восстанавливающих импульсов 13 включен. Теперь, чтобы выключить тиристор, надо сделать его анодный ток меньше тока удержания. На выходе генератора восстанавливающих импульсов 13, при его включении, появляется импульс высокого уровня, транзистор VT2 включается и шунтирует тиристор VS1 (узел 11), анодный ток которого становится меньше тока удержания.

Далее процесс может развиваться по двум направлениям. При непродолжительном к.з., когда время замыкания меньше длительности импульса на выходе генератора восстанавливающих импульсов 13, нормальная работа восстановится и тиристор VS1 (узел 11) будет находиться в выключенном состоянии. При продолжительном к.з. на выходе генератора восстанавливающих импульсов 13 будет появляться последовательность импульсов высокого уровня, по заднему фронту которых тиристор VS1 (узел 11) будет находиться в выключенном состоянии, силовой МДП-транзистор 1 при этом будет включаться на короткое время. После устранения причины перегрузки или к.з. нормальная работа восстановится.

Параметры, определяющие работу порогового устройства

- сопротивление датчика тока 3 Rдатч. (Ом); - коэффициент усиления дифференциального усилителя 10 Кус.(Uвых./Uвх.); - опорное напряжение компаратора напряжения 2 Uопорн. (В); - ток ограничения при перегрузке или к.з. Ioгp. (A).

Соотношение между параметрами определяется формулой

Кус.=Uопорн./(Rдатч.×Iогр.).

Например. Задаем Ioгp.=2 A, Rдатч.=0,05 Ом, Uопорн.=0,6 В, тогда

Кус.=0,6/(0,05×2)=6; мощность, выделяющаяся на датчике тока 3,

Pдатч.=I²огр.×Rдатч.=4×0,05=0,2 Вт.

При отсутствии усилителя или Кус.=1 Rдатч.=Uопорн./(Кус.×Iогр.)=0,6/1×2=0,3 Ом,

Pдатч.=I²огр.×Rдатч.=4×0,3=1,2 Вт.

Ограничитель тока к.з. 9 выполнен на дросселе L1 и диоде Шоттки VD1, ограничивающем выброс напряжения на дросселе при резком выключении тока.

Ограничитель пускового тока 14 выполнен на полевом транзисторе VT3. Если нагрузка, подключаемая к полюсам 6, 7, резистивно-емкостная или обладает пусковым током, то при включении защищаемого источника электропитания бросок тока в нагрузке может превосходить ток ограничения и защита будет срабатывать. За счет выбора постоянной времени цепочки C1, R9 внутреннее сопротивление транзистора VT3 при включении источника будет уменьшаться «плавно» так, что пусковой ток не будет превосходить тока ограничения. Резистор R8 предназначен для разряда конденсатора Cl в промежутках между восстанавливающими импульсами при длительном к.з.

Электронные компоненты, которыми комплектуется устройство, не являются дефицитными. Они присутствуют в продаже и легко приобретаются.

Пример. Был собран опытный образец устройства, в функциональных узлах которого применены:

- быстродействующий операционный усилитель КР544УД2Г;

- дроссель типа SDR1307;

- компаратор LM 111;

- МДП-транзисторы IRF7103, IRF4905;

- маломощный неуправляемый тиристор КУ104 В.

Изобретение предназначено для защиты нагрузок и выходных силовых цепей вторичных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий по току. Схема электронного предохранителя выполнена по принципу порогового устройства в виде четырехполюсника. К входным полюсам четырехполюсника подсоединен вход источника питания вспомогательного, выход которого соединен с входами электропитания: дифференциального усилителя, компаратора напряжения, тиристорного ключа и управляемого генератора восстанавливающих импульсов; к входному положительному полюсу присоединен вход ограничителя тока короткого замыкания, выход которого соединен с истоком силового МДП-транзистора, сток которого соединен с входом ограничителя тока запуска, имеющего соединение с выходным отрицательным полюсом. Выход ограничителя тока запуска соединен с выходным положительным полюсом, а к входному отрицательному полюсу подключены первый вход дифференциального усилителя и первый вывод резистивного датчика тока, второй вывод которого соединен с выходным отрицательным полюсом и вторым входом дифференциального усилителя. Технический результат - минимизация энергии, выделяющейся в искровом промежутке при коротком замыкании, повышение КПД, исключение срабатывания при включении на резистивно-емкостную нагрузку или нагрузку с пусковым током. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электронный предохранитель с самовосстановлением, содержащий силовой МДП-транзистор, работающий в ключевом режиме, компаратор напряжения, резистивный датчик тока, отличающийся тем, что выполнен в виде четырехполюсника, к входным полюсам которого положительному и отрицательному подключен выход защищаемого источника электропитания, а к выходным полюсам - положительному и отрицательному подключена нагрузка, и в его состав введены: источник питания вспомогательный, ограничитель тока короткого замыкания, дифференциальный усилитель, тиристорный ключ, имеющий вход установки «S» и вход сброса «R», драйвер, управляемый генератор восстанавливающих импульсов, ограничитель тока запуска, причем к входным полюсам четырехполюсника подсоединен вход источника питания вспомогательного, выход которого соединен с входами электропитания: дифференциального усилителя, компаратора напряжения, тиристорного ключа и управляемого генератора восстанавливающих импульсов; к входному положительному полюсу присоединен вход ограничителя тока короткого замыкания, выход которого соединен с истоком силового МДП-транзистора, сток которого соединен с входом ограничителя тока запуска, имеющего соединение с выходным отрицательным полюсом, выход ограничителя тока запуска соединен с выходным положительным полюсом; к входному отрицательному полюсу подключены первый вход дифференциального усилителя и первый вывод резистивного датчика тока, второй вывод которого соединен с выходным отрицательным полюсом и вторым входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом компаратора напряжения, выход которого соединен с входом установки «S» тиристорного ключа, выход которого соединен с входом управления генератора восстанавливающих импульсов и входом драйвера, имеющего связь с входным отрицательным полюсом, причем первый и второй выходы драйвера соединены соответственно с затвором и истоком силового МДП-транзистора, а выход генератора восстанавливающих импульсов соединен с входом сброса «R» тиристорного ключа.

2. Электронный предохранитель по п.1, отличающийся тем, что имеет дополнительно [n-1] защитных каналов («горячий» резерв), для чего в него дополнительно введены: [n-1] резистивных датчиков тока, причем все n-датчики тока включены последовательно; [n-1] силовых МДП-транзисторов, причем все n-силовые МДП-транзисторы включены последовательно; схема ИЛИ, имеющая n входов; [n-1] каналов управления [n-1] силовыми МДП-транзисторами, для чего [n-1] резистивных датчиков тока соединены с соответствующими входами [n-1] дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с соответствующими входами [n-1] компараторов напряжения, выходы которых соединены с соответствующими входами установки «S» [n-1] тиристорных ключей, выходы n-тиристорных ключей соединены: с n-входами схемы ИЛИ и с соответствующими входами n-драйверов, выходы которых соединены с истоками и затворами соответствующих n-силовых МДП-транзисторов; выход схемы ИЛИ соединен с управляющим входом генератора восстанавливающих импульсов, выход которого соединен с объединенными входами сброса «R» n-тиристорных ключей.