КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2015 года по МПК 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 $$I_H=50А$$ и при сопротивлении датчика тока (шунта) $$r_{ш}=4\text{ мОм}$$ 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. 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 и электронный ключ, сигнальный вход которого соединен с общей точкой блока нагрузки и электронного коммутатора, выход электронного ключа соединен 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 первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора.

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.

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 входом 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 используется электронный ключ (транзистор) с МОП структурой. Особенностью такого элемента является возможность коммутировать большие токи, при этом при коммутации различных токов омическое сопротивление открытого элемента (транзистора) практически не зависит от величины тока и составляет незначительную величину (единицы мОм). В этом случае падение напряжения на открытом (включенном) элементе будет линейно зависеть от величины коммутируемого тока.

В общем случае падение напряжения $$U_{К}$$ на открытом электронном коммутаторе 3 можно представить в виде

$$U_{К}=r_{К}{I}_{Н}\text{ (1)}$$

где $$I_{Н}$$ - коммутируемый ток нагрузки, $$r_{К}$$ - сопротивление электронного коммутатора 3 в открытом (включенном) состоянии.

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 И 5 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. Это означает, что при падении напряжения на коммутаторе 3 U_К=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_Н, при котором необходимо отключать напряжение с блока нагрузки 4, и известного сопротивления электронного коммутатора 3 r_К в соответствии с (1). Если, например, r_К=4 мОм и ток отключения I_Н =50 А, то U_П выбирается равным 0,2 В. Если ток нагрузки I_Н 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.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение имеет меньшие массу и габариты 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 50А 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.

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, преимущественно в системах управления космических аппаратов. Технический результат заключается в уменьшении массы и габаритов. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит электронный коммутатор с МОП структурой, который подает питание в блок нагрузки. Подключенный к общей точке коммутатора и блока нагрузки электронный ключ и релейный элемент с гистерезисом 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 и электронный ключ, сигнальный вход которого соединен с общей точкой блока нагрузки и электронного коммутатора, выход электронного ключа соединен 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 выходом управления электронного ключа, выход первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора.