КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2014 года по МПК H02H9/02 H03K17/00 H03K17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току, преимущественно в системах управления космических аппаратов.

Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1], содержащий электронный ключ, первый и второй релейные элементы, датчик тока, триггер, блок нагрузки, операционный усилитель, задатчик напряжения, транзистор.

Недостаток известного устройства состоит в его сложности и в использовании датчика тока (шунта). При коммутации больших токов на шунте выделяется значительная мощность, что приводит к увеличению массы и габаритов коммутатора напряжения за счет установки металлического отводящего тепло от шунта элемента, рассчитанного на отвод тепла большой мощности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, описанный в [2]. Известный коммутатор напряжения содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный коммутатор и блок нагрузки, а также релейный элемент, триггер.

Недостаток известного устройства состоит в том, что он использует датчик тока для реализации своей основной функции. При коммутации больших токов в цепях их протекания возникают значительные помехи. Для получения достоверного уровня срабатывания релейного элемента необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превышал уровень сигнала помехи. Для этого требуется увеличивать омическое сопротивление датчика тока, а это приводит к значительному увеличению на нем рассеиваемой мощности и, как следствие, к увеличению массы и габаритов. Для достоверного срабатывания релейного элемента, выключающего коммутатор при возникновении тока перегрузки, величина полезного входного сигнала релейного элемента должна быть на уровне 100-300 мВ. Так, при коммутации тока I_H=50A и при сопротивлении датчика тока (шунта) r_ш=4 мОм тепловыделение шунта составит 10 Вт. Для отвода такого тепла от шунта требуется значительный по массе и габаритам металлический элемент, что увеличивает массу и габариты коммутатора напряжения.

Задача изобретения - снижение массы и габаритов коммутатора напряжения и повышение точности при изменении сопротивления электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры.

Эта задача достигается тем, что коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит входную шину, первый элемент И, релейный элемент с гистерезисом, инверсный выход которого соединен с первым входом первого элемента И, и последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки, при этом электронный коммутатор выполнен в виде электронного ключа с МОП структурой, а в коммутатор напряжения дополнительно введены второй элемент И, электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор, общая точка которых соединена с входом релейного элемента с гистерезисом, инверсный выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с входной шиной и вторым входом первого элемента И, выход второго элемента И соединен с входом управления электронного ключа, выход которого соединен с резистором, выход первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора, общая точка которого с блоком нагрузки подключена к сигнальному входу электронного ключа.

На фиг.1 приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току. На этой схеме: 1 - входная шина, 2 - первый элемент И, 3 - электронный коммутатор, 4 - блок нагрузки, 5 - второй элемент И, 6 - электронный ключ, 7 - релейный элемент с гистерезисом, 8 - резистор, 9 - терморезистор.

Входная шина 1 соединена с вторыми входами первого 2 и второго 5 элементов И, первые входы которых подключены к инверсному выходу релейного элемента с гистерезисом 7. Электронный коммутатор 3 и блок нагрузки 4 соединены последовательно, при этом их общая точка подключена к сигнальному входу электронного ключа 6, выход которого соединен с последовательно соединенными резистором 8 и терморезисторм 9, общая точка которых подключена к входу управления релейного элемента с гистерезисом 7. Выход первого элемента И 2 соединен с входом управления электронного коммутатора 3, выход второго элемента И 5 соединен с входом управления электронного ключа 6.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом. В качестве электронного коммутатора 3 предполагается использование электронного ключа (транзистора) с МОП структурой. Особенностью такого элемента является возможность коммутировать большие токи, при этом при коммутации различных токов омическое сопротивление открытого электронного ключа (транзистора) практически не зависит от величины тока и составляет незначительную величину (единицы мОм). Кроме того, транзисторы с МОП структурой изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры перехода, причем, это изменение носит, как правило, линейный характер.

В общем случае падение напряжения U_K на открытом электронном коммутаторе 3 можно представить в виде

$$U_{К}=r_{К}{I}_H(1)$$

где I_H - коммутируемый ток нагрузки, r_К - сопротивление электронного коммутатора 3 в открытом (включенном) состоянии. Сопротивление электронного коммутатора r_К можно представить в виде

$$r_{К}=r_0(1+K_1\Delta t)(2)$$

где r₀ - сопротивление электронного коммутатора 3 при температуре t₀, K₁ - температурный коэффициент изменения сопротивления r_К, Δt - разность температур относительно t₀.

Будем предполагать, что электронный коммутатор 3 находится в открытом (включенном) состоянии, если на его вход управления подается положительный сигнал U2 с выхода первого элемента И 2 (U₂=1), и в закрытом (выключенном) состоянии, если U₂=0. Считаем также, что в исходном состоянии сигнал на инверсном выходе релейного элемента с гистерезисом 7 U₇=1. В этом случае при сигнале на входной шине 1 U_ВХ=1 электронный коммутатор 3 находится в открытом (включенном) состоянии, при U_ВХ=0 электронный коммутатор 3 находится в закрытом (выключенном) состоянии. Как следует из структурной схемы фиг.1, электронный ключ 6 функционирует синхронно с электронным коммутатором 3 (электронный ключ 6 открыт, если сигнал с выхода второго элемента 5 И U₅=1, электронный ключ 6 закрыт, если сигнал U₅=0, и его выходной сигнал U₆=0).

Пусть уровень срабатывания релейного элемента с гистерезисом 7 выбран равным U_П. Напряжение на входе релейного элемента 7 обозначим U_Х. Напряжения U_Х и U_К связаны соотношением

$$U_{Х}=U_{К}{R}_t/(R_1+R_t)(3)$$

где R_t - сопротивление терморезистора, R₁ - сопротивление резистора.

При падении напряжения на коммутаторе 3 U_К, при котором U_Х=U_П, произойдет срабатывание релейного элемента с гистерезисом 7 (гистерезис релейного элемента 7 выбран равным U_П). Выходной сигнал релейного элемента 7 U₇=0 и выходные сигналы первого 2 и второго 5 элементов И будут равны соответственно U₂=0 и U₅=0. Эти сигналы выключают электронный коммутатор 3 и электронный ключ 6. Электронный коммутатор 3 снимает напряжение с блока нагрузки 4.

Напряжение U_П выбирается из условия заданного тока I_H, при котором необходимо отключать напряжение с блока нагрузки 4, и известного сопротивления электронного коммутатора с МОП структурой 3 r_К в соответствии с (1). Если, например, R₁=R_t0, r_К=4 мОм и ток отключения I_H=50 A, то U_П выбирается равным 0,1 В. Если ток нагрузки I_H превысит значение 50 А, то электронный коммутатор 3 отключит напряжение от блока нагрузки 4. При отключении питания от блока нагрузки выключается также и электронный ключ 6, который снимает входное напряжение с релейного элемента с гистерезисом 7 (U₆=0), что позволяет релейному элементу 7 находиться в выключенном состоянии.

Для компенсации изменения сопротивления r_К в зависимости от температуры выберем термосопротивление с отрицательным коэффициентом температурного изменения K₂, т.е. будем полагать, что

$$R_t=R_{t0}(1-K_2\Delta t)(4)$$

где R_t0 - величина термосопротивления при температуре t₀. Напряжение U_К можно представить в виде

$$U_{К}=U_0(1+K_1\Delta t)(5)$$

где U₀ - напряжение на открытом коммутаторе 3 при температуре t₀ и токе отключения I_H.

Для полной компенсации температурного изменения сопротивления r_К необходимо выполнить условие

$$U_{Х}=U_{К}{R}_t/(R_1+R_t)=U_0{R}_{t0}(R_1+R_{t0})=U_{Х0}=\mathrm{0,5}{U}_0=U_{П}(6)$$

Из (6) с учетом (4) и (5) имеем

$$K_2=2K_1/(1+2K_1\Delta t)(7)$$

Как следует из (7), для полной компенсации температурного изменения сопротивления r_К необходимо изменять температурный коэффициент терморезистора 9 K₂ в зависимости от температуры Δt. Найти такой терморезистор не представляется возможным. Оценим погрешность предлагаемой схемы при условии выборы K₂ при Δt=0,5(Δt_MAX+Δt_МИН) где Δt_MAX и Δt_МИН - соответственно максимально и минимально возможный перегрев электронного коммутатора 3.

Пусть 20°C≤Δt≤40°C. Определим значение K₂ для Δt=30°C. Пусть при изменении Δt от 0°C до 100°C сопротивление r_К линейно изменяется в два раза, т.е. r_К=2r₀. Из (2) K₁=0,01. Из (7) при Δt=30°C K₂=0,0125. Выберем терморезистор с таким температурным коэффициентом. Определим погрешность δ₁ формирования уровня отключения по току предлагаемым коммутатором напряжения при минимальном значении температуры Δt_МИН=20°C. При Δt=20°C из (5) U_K1=1,2U₀. Из (4) R_t1=0,75R₀. Из (6) U_Х1=0,514U₀. Погрешность δ₁ определим в виде

$${\delta }_1=(U_{X1}-U_{X0})/U_{X0}(8)$$

Погрешность δ₁ из (8) равна 0,028 или 2,8%.

Определим погрешность δ₂ формирования уровня отключения по току предлагаемым коммутатором напряжения при максимальном значении температуры Δt_MAX=40°C. Из (5) U_К2=1,4U₀. Из (4) R_t2=0,5R₀. Из (6) U_Х2=0,47U₀. Погрешность δ₂ определим в виде

$${\delta }_1=(U_{X0}-U_{X2})/U_{X0}(9)$$

Погрешность δ₂ из (9) равна 0,06 или 6%.

Погрешность формирования сигнала U_К при Δt=20°C из (1) и (2) составляет 20%, при Δt=40°C составляет 40%. Предлагаемая схема позволяет снизить погрешность формирования уровня отключения напряжения от блока нагрузки 4 при перегрузке по току соответственно до 2,8% и 6%.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение позволяет снизить массу и габариты коммутатора за счет снятия требований по отводу тепла с датчика тока, который в предлагаемой схеме отсутствует. В известной схеме при использовании датчика тока с r_ш=4 мОм при токе 50A рассеивается мощность 10 Вт. Для отвода тепла в 10 Вт требуется металлическая отводящая поверхность площадью 2 дм². При допустимом перегреве на датчике тока в 30°C по сравнению с температурой окружающей среды потребуется теплоотвод с теплоотводящей поверхностью 100×200 мм. При использовании в качестве теплоотвода алюминиевой пластины толщиной 5 мм масса теплоотвода составит 250 г, что для одного коммутатора является значительной величиной. При использовании электронных коммутаторов в системах управления, например, космических аппаратов дополнительная масса является существенным недостатком.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях 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 логические элементы И, например, серии 564, стандартные релейные элементы, электронные коммутаторы с МОП структурой, например, типа 2П7161 Б, электронные ключи, серии 564, резисторы и терморезисторы.

Литература

1. Патент РФ №2258302, Кл. H03K 17/08, 2005 г.

2. Патент РФ №2208291, Кл. H03K 17/08, 2003 г.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках питания с защитой от перегрузки по току без использования датчика тока, преимущественно в системах управления космических аппаратов. Технический результат заключается в снижении массы и габаритов коммутатора напряжения и повышении точности при изменении электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры. Для этого заявленное устройство содержит электронный коммутатор с МОП структурой, который подает питание в блок нагрузки. Подключенный к общей точке коммутатора и блока нагрузки электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор снижают погрешность формирования уровня срабатывания релейного элемента с гистерезисом, который управляют с помощью первого и второго элементов И включением и выключением питания блока нагрузки. При наличии перегрузки по току осуществляется отключение питания от блока нагрузки. 1 ил.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий входную шину, первый элемент И, релейный элемент с гистерезисом, инверсный выход которого соединен с первым входом первого элемента И, и последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки, отличающийся тем, что электронный коммутатор выполнен в виде электронного ключа с МОП структурой, а кроме того, в коммутатор напряжения дополнительно введены второй элемент И, электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор, общая точка которых соединена с входом релейного элемента с гистерезисом, инверсный выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с входной шиной и вторым входом первого элемента И, выход второго элемента И соединен с входом управления электронного ключа, выход которого соединен с резистором, выход первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора, общая точка которого с блоком нагрузки подключена к сигнальному входу электронного ключа.