КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2015 года по МПК H02H9/02 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 коммутатору напряжения с защитой от перегрузки по току является коммутатор напряжения [2]. Известное устройство содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный коммутатор и блок нагрузки, а также релейный элемент, триггер.

Недостаток известного коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току состоит в следующем. 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 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. Кроме того, в известном устройстве имеет место изменение параметров датчика тока от температуры, которое не компенсируется, что приводит к снижению точности коммутатора напряжения.

Задача изобретения - снижение массы и габаритов коммутатора напряжения и повышение его точности в условиях изменения температуры.

Эта задача достигается тем, что коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит входную шину, элемент И и последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки, при этом электронный коммутатор выполнен в виде электронного ключа с МОП структурой, а, кроме того, в коммутатор напряжения дополнительно введены блок определения фактического значения коммутируемого тока, задатчик тока, блок сравнения и последовательно соединенные генератор тока и терморезистор, общая точка которых соединена с первым входом блока определения фактического значения коммутируемого тока, второй вход которого соединен с общей точкой электронного коммутатора и блока нагрузки, а выход подключен к суммирующему входу блока сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом задатчика тока, выход блока сравнения подключен к второму входу элемента И, выход которого соединен с входом управления электронного коммутатора.

Блок определения фактического значения коммутируемого тока содержит блок хранения заданных значений и последовательно соединенные сравнивающее устройство, блок умножения, сумматор и блок деления, при этом суммирующий вход сравнивающего устройства соединен с первым входом блока определения фактического значения коммутируемого тока, второй вход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого является выходом блока определения фактического значения коммутируемого тока, а вычитающий вход сравнивающего устройства, второй и третий входы блока умножения и второй вход сумматора соединены с соответствующими выходами блока хранения заданных значений.

На фиг.1 приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току, на фиг.2 приведена блок-схема блока хранения заданных значений. На схеме фиг. 1: 1 - входная шина, 2 - элемент И, 3 - электронный коммутатор, 4 - блок нагрузки, 5 - блок определения фактического значения коммутируемого тока, 6 - задатчик тока, 7 - блок сравнения, 8 - генератор тока, 9 - терморезистор, 10 и 11 - соответственно первый и второй входы блока определения фактического значения коммутируемого тока 5, 12 - выход блока определения фактического значения коммутируемого тока 5.

На фиг.1 входная шина 1 соединена с первым входом элемента И 2, выход которого соединен с входом управления электронного коммутатора 3, соединенного последовательно с блоком нагрузки 4. Генератор тока 8 соединен последовательно с терморезистором 9, общая точка которых соединена с первым входом блока определения фактического значения коммутируемого тока 5, второй вход которого соединен с общей точкой электронного коммутатора 3 и блока нагрузки 4. Выход блока определения фактического значения коммутируемого тока 5 соединен с суммирующим входом блока сравнения 7, вычитающий вход которого соединен с выходом задатчика тока 6. Выход блока сравнения 7 соединен с вторым входом элемента И 2.

На фиг.2 соединены последовательно сравнивающее устройство 13, блок умножения 14, сумматор 15 и блок деления 16. Вход сравнивающего устройства 13 соединен с первым входом 10, вход делимого блока деления 16 соединен с вторым входом 11, выход блока деления 16 соединен с выходом 12. Вычитающий вход сравнивающего устройства 13, второй и третий входы блока умножения 14 и второй вход сумматора 15 соединены с соответствующими выходами блока хранения заданных значений 17.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом. В качестве электронного коммутатора 3 предложено 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, однако предложенный коммутатор компенсирует изменение сопротивления.

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

$$U_K=r_K{I}_H(1)$$

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

$$r_K=r_0(1+K_1\Delta t)(2)$$

где r₀ - сопротивление электронного коммутатора 3 при номинальной заданной температуре t₀, K₁ - температурный коэффициент изменения сопротивления r_K в зависимости от температуры t электронного коммутатора 3, Δt - разность температур t и t₀ (Δt=t-t₀.).

Будем предполагать, что электронный коммутатор 3 находится в открытом (включенном) состоянии, если на его вход управления подается положительный сигнал U₂ с выхода элемента И 2 (U₂=1), и в закрытом (выключенном) состоянии, если U₂=0.

Пусть терморезистор 9 установлен на корпусе (или теплоотводе) электронного коммутатора 3 и его величина R_t определяется выражением

$$R_t=R_{t0}(1+K_2\Delta t)(3)$$

где R_t0 - сопротивление терморезистора 9 при температуре t₀, K₂ - коэффициент температурного изменения терморезистора 9. Пусть генератор тока 8 создает ток i₀. В этом случае напряжение U_t на терморезисторе 9 будет равно

$$U_t=i_0{R}_t=i_0{R}_{t0}(1+K_2\Delta t)=i_0{R}_{t0}+i_0{R}_{t0}{K}_2(t-t_0)(4)$$

Пусть

$$U_0=i_0{R}_{t0}(5)$$

тогда из (4) с учетом (5) имеем

$$t=(U_t-U_0)/K_2{U}_0+t_0,\Delta t=t-t_0=(U_t-U_0)/K_2{U}_0(6)$$

Ток в нагрузке I_H, протекающий в коммутаторе 3, из (1) и (2) определяется в виде

$$I_H=U_K/r_0(1+K_1\Delta t)(7)$$

Пусть в блоке хранения заданных значений 17 установлены следующие данные. Выходные сигналы D₁, D₂, D₃ и D₄ блока хранения заданных значений 17 соответствуют заданным величинам

$$D_1=U_0=i_0{R}_{t0},D_2={(K_2{U}_0)}^{-1},D_3=K_1{r}_0,D_4=r_0(8)$$

В этом случае выходной сигнал U₁₃ сравнивающего устройства 13 равен

$$U_{13}=U_t-D_1=U_t-i_0{R}_{t0}=U_t-U_0(9)$$

Выходной сигнал U₁₄ блока умножения 14 равен

$$U_{14}=U_{13}{D}_2{D}_3=(U_t-U_0){(K_2{U}_0)}^{-1}{K}_1{r}_0(10)$$

Выходной сигнал U₁₅ сумматора 15 равен

$$U_{15}=U_{14}+D_4=(U_t-U_0){(K_2{U}_0)}^{-1}{K}_1{r}_0+r_0(11)$$

Выходной сигнал U₁₆ блока деления 16 равен

$$U_{16}=U_K/U_{15}=U_K/[(U_t-U_0){(K_2{U}_0)}^{-1}{K}_1{r}_0+r_0](12)$$

С учетом (6) выходной сигнал U₁₆ блока деления 16 будет равен

$$U_{16}=U_K/r_0(1+K_1\Delta t)=I_H(13)$$

Таким образом, на выходе 12 блока определения фактического значения коммутируемого тока 5 мы имеем сигнал, определяющий величину коммутируемого тока I_H.

Выходной сигнал I_H блока определения фактического значения коммутируемого тока 5 поступает на суммирующий вход блока сравнения 7, на вычитающий вход которого подается сигнал с выхода задатчика тока 6. Выходной сигнал I₃ задатчика тока 6 определяет величину тока в нагрузке 4, при которой следует проводить выключение электронного коммутатора 3. Этот сигнал соответствует аварийному режиму и он известен заранее. Блок сравнения 7 формирует выходной сигнал Р в соответствии с (14)

$$I_H-I_3<\mathrm{0,}P=1;I_H-I_3\ge \mathrm{0,}P=0(14)$$

При поступлении на входную шину 1 сигнала U_a=1 происходит включение электронного коммутатора 3, если I_H-I₃<0, что, как правило, имеет место. В этом случае в соответствии с (14) сигнал блока сравнения 7 Р=1 и выходной сигнал элемента И 2 U₂=1. Этот сигнал производит включение электронного коммутатора 2. Если в некоторый момент времени I_H-I₃≥0, то сигнал блока сравнения 7 Р=0. Этот сигнал изменяет выходной сигнал элемента И 2, в результате чего U₂=0, и этот сигнал производит выключение электронного коммутатора 3.

Оценим погрешность предлагаемого коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току при r₀=4 мОм, I₃=50 A, R_t0=100 Ом, K₁=0,005, K₂=0,01, i₀=3 мА, t₀=20°C, t=60°C. В этом случае Δt=t-t₀=40°C, U₀=i₀R_t0=0,3 В. Из (2) значение r_K=r₀(1+K₁Δt)=4,8 мОм, из (1) значение U_K=r_KI_H=r_KI₃=0,24 В. Измеренное значение тока I_H определяется с погрешностью Δ, зависящей от погрешности измерения температуры t и погрешности заданного коэффициента K₁. Будем предполагать, что температура t измеряется с точностью δ t=2°C, а заданный коэффициент K₁ определен с погрешностью δK₁=5%. В этом случае из (7) измеренное значение тока I_H=49,16 А. Погрешность 8 коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току можно оценить в виде δ=(I₃-I_H)/I₃=0,017, что составляет 1,7%.

Известное устройство [2] не учитывает изменение параметров датчика тока от температуры. Если, например, датчик тока изменяет свое сопротивление от температуры с коэффициентом 0,005, то при Δt=40°C погрешность известного устройства составит в тех же условиях 20%.

По сравнению с известным устройством [2] предлагаемое изобретение позволяет снизить массу и габариты устройства 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 40°С 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 нескольких 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, электронные коммутаторы с МОП структурой, например, типа 2П7161 Б, генераторы тока, терморезисторы, стандартные схемы сравнения, умножения, деления.

Литература

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

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

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности коммутации в условиях изменения температуры при снижении массы и габаритов коммутатора. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит элемент И, последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки и дополнительно введенные генератор тока, терморезистор, задатчик тока, блок сравнения и блок определения фактического значения коммутируемого тока, включающий блок хранения заданных значений, сравнивающее устройство, блок умножения, сумматор и блок деления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий входную шину, элемент 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 блок определения фактического значения коммутируемого тока, задатчик тока, блок сравнения и последовательно соединенные генератор тока и терморезистор, общая точка которых соединена с первым входом блока определения фактического значения коммутируемого тока, второй вход которого соединен с общей точкой электронного коммутатора и блока нагрузки, а выход подключен к суммирующему входу блока сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом задатчика тока, выход блока сравнения подключен к второму входу элемента И, выход которого соединен с входом управления электронного коммутатора.

2. Блок определения фактического значения коммутируемого тока по п.1, отличающийся тем, что он содержит блок хранения заданных значений и последовательно соединенные сравнивающее устройство, блок умножения, сумматор и блок деления, при этом суммирующий вход сравнивающего устройства соединен с первым входом блока определения фактического значения коммутируемого тока, второй вход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого является выходом блока определения фактического значения коммутируемого тока, а вычитающий вход сравнивающего устройства, второй и третий входы блока умножения и второй вход сумматора соединены с соответствующими выходами блока хранения заданных значений.