КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2016 года по МПК H03K17/00 

Защита вторичных источников питания электронных коммутаторов и коммутируемых ими нагрузок от токовых перегрузок, вызванных флюктуациями напряжения источника питания, неисправностью соединительных линий и характером самих нагрузок обычно решается введением различных быстродействующих электронных схем защиты. Емкостный или двигательный характер нагрузки приводит к появлению кратковременных бросков тока в момент включения, что требует усложнения схемы защиты.

Известны решения, такие как патент РФ №2208291, где реализована двухуровневая защита по току с ограничением допустимого времени действия пускового тока (переходного процесса) после подачи сигнала отпирания ключа. Использование пороговых элементов, обычно реализуемых как компараторы, позволяет иметь низкое падение напряжения на датчике тока и соответственно мощность, рассеиваемую на нем. Данная защита является триггерной и полностью разрывает цепь нагрузки; сбрасывается она только подачей сигнала выключения. Недостатками являются относительно сложное техническое решение и полное отключение нагрузки при кратковременных бросках тока, превышающих заданный уровень, что может нарушить функционирование системы, где используется данная схема защиты, как, например, в схеме управления вагона метрополитена это может приводить к передаче ложных сигналов при возможных перегрузках и коротких замыканиях в цепях управления.

Другие известные решения, такие как патент США №7262948, вместо полного отключения нагрузки используют перевод ключа в режим стабилизации тока. Поскольку такой режим приводит к увеличению рассеиваемой на ключе мощности, для ее ограничения значение тока делается зависимым от падения напряжения на нем. Недостатками этого решения являются значительное падение напряжения на резисторах, используемых как датчики тока ключа, и отсутствие триггерной защиты в виде полного отключения нагрузки при длительных перегрузках.

Известны другие решения, как, например, патент РФ №2023344, где простыми техническими средствами достигается защита ключа и нагрузки от бросков тока. В известном решении цепь отрицательной обратной связи по току ключа помимо управляющего транзистора 3, общего для обеих цепей обратной связи, содержит датчик тока 4 и диод 5, а цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит дифференцирующую RC цепочку из резистора 7, зашунтированного диодом 8, и конденсатора 6. При переводе электронного ключа 1 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа происходит немедленное срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, и нагрузка обесточивается.

Это решение имеет один порог тока защиты, что не позволяет различать кратковременные броски тока переходного процесса от значения тока в установившемся режиме. Срабатывание защиты вызывает полное отключение нагрузки на заданное время, после чего устройство автоматически включает нагрузку. Такой подход приводит к отключению нагрузки даже при кратковременных бросках тока. При сохранении причины перегрузки, такой как короткое замыкание, эта схема будет периодически подвергать ключ и нагрузку действию перегрузочного тока на время срабатывания защиты, что в ряде случаев нежелательно. Кроме того, данное решение требует значительного падения напряжения на резисторе, выполняющем функции датчика тока, что приводит к значительной мощности, рассеиваемой на нем.

Задача предлагаемого коммутатора напряжения состоит в том, чтобы при кратковременных бросках тока нагрузки обеспечить предотвращение ее полного отключения, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.

Указанная задача решена тем, что в коммутаторе напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащем последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени.

Благодаря этому при кратковременных бросках тока нагрузки электронный ключ переводится в режим ограничения тока, предотвращая тем самым ее полное отключение, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.

Электронный ключ может быть реализован на биполярном транзисторе, полевом транзисторе с p-n-переходом, полевом транзисторе с изолированным затвором или биполярном транзисторе с изолированным затвором.

В предпочтительном варианте элемент задержки реализован в виде интегрирующего RC звена. Однако он может быть реализован и другими средствами, например с использованием одновибратора или таймера.

Далее изобретение описано на примере его практической реализации со ссылками на чертеж, на котором представлена схема предлагаемого коммутатора напряжения.

Электронный ключ с защитой от перегрузки содержит вход управления 1, первый логический элемент И-НЕ 2, первый вход которого соединен с входом управления, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, вход которой соединен с выходом первого логического элемента И-НЕ 2, второй логический элемент И-НЕ 4, первый вход которого соединен с входом управления 1, а второй - с выходом интегрирующего RC звена 3, управляющий транзистор 5, затвор которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ 4, сток, через резистор 6, соединен с положительным полюсом источника питания 7, а исток подключен к отрицательному полюсу источника питания 7, к которому подключены также нулевой провод интегрирующего RC звена 3 и первый вывод нагрузки 11, электронный ключ 9 в виде полевого транзистора, сток которого соединен с положительной силовой шиной 8, а затвор - со стоком управляющего транзистора 5, датчик тока 10, включенный между истоком силового транзистора 9 и первым выводом нагрузки 11, второй вывод которой соединен с отрицательной силовой шиной 12, операционный усилитель 13, инвертирующий вход которого соединен с истоком силового транзистора, неинвертирующий вход соединен с источником опорного напряжения 14, а выход, через диод 15, соединен с затвором силового транзистора, формирователь логического уровня 16, включенный между стоком силового транзистора 9 и вторым входом первого логического элемента 2.

Таким образом, цепь отрицательной обратной связи по току ключа содержит датчик тока ключа 10, источник опорного уровня 14, операционный усилитель 13 и диод 15, соединяющий выход операционного усилителя с затвором электронного ключа 9. Цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит формирователь логического уровня 16, логический элемент И-НЕ 2, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, логический элемент И-НЕ 4 и управляющий транзистор 5.

При переводе электронного ключа 9 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе происходит с задержкой, определяемой параметрами RC звена 3, во время которой электронный ключ находится в режиме ограничения тока. Таким образом, обеспечиваются непрерывность тока в нагрузке при кратковременных перенапряжениях и ограничение времени нахождения ключа в активном режиме, где он рассеивает значительную мощность. Более подробно работа устройства описана ниже.

В исходном (выключенном) состоянии на входе управления 1 присутствует низкий логический уровень (уровень логического нуля), который порождает высокий логический уровень (уровень логической единицы) на выходе второго логического элемента И-НЕ 4, обуславливающий открытое состояние управляющего транзистора 5. Управляющий транзистор 5 шунтирует цепь затвора электронного ключа 9, закрывая его и отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. На выходе операционного усилителя 13, на инвертирующий вход которого с датчика тока подано нулевое напряжение, соответствующее нулевому току ключа и нагрузки, а на неинвертирующий вход - положительное опорное напряжение от источника 14, присутствует положительное напряжение ограничения. Диод 15 закрыт и на работу электронного ключа не влияет. На первый вход первого логического элемента И-НЕ 2 с входа управления 1 поступает низкий логический уровень, на второй его вход со стока закрытого силового транзистора 9 через формирователь логического уровня 16 поступает высокий логический уровень. На выходе первого логического элемента И-НЕ 2, на выходе элемента задержки (интегрирующего RC звена) 3 и на втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 присутствует уровень логической единицы.

При подаче на вход управления 1 сигнала включения в виде высокого логического уровня этот высокий уровень поступает на первые входы обоих логических элементов И-НЕ. Их выходы приходят в состояние низкого логического уровня. Управляющий транзистор 5 закрывается и на затвор ключа 9 через резистор 6 поступает напряжение, вызывающее его открытие. Силовой транзистор 9 открывается, подключая нагрузку 11 к отрицательной силовой шине 12. Напряжение на выходе интегрирующего RC звена 3 и втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 начинает падать, однако в течение некоторого интервала, определяемого постоянной времени интегрирующего RC звена, на них обеспечивается высокий логический уровень. За это время электронный ключ 9 успевает включиться и его напряжение сток-исток падает ниже входного порога преобразователя уровней 15. На втором входе первого логического элемента И-НЕ 2 устанавливается низкий логический уровень. Высокий логический уровень, установившийся на выходе первого логического элемента И-НЕ 2, останавливает падение напряжения на выходе интегрирующего RC звена 3.

При токе нагрузки, не превышающем заданный порог, определяемый как

Iпор = Uоп/Rдт,

где Iпор - ток порога срабатывания защиты;

Uоп - опорное напряжение;

Rдт - сопротивление датчика тока,

схема коммутатора может находиться в стационарном включенном состоянии неопределенно долгое время.

При превышении током нагрузки указанного порога схема коммутатора переходит в состояние ограничения тока следующим образом. При падении напряжения на датчике тока 10, превышающем уровень, заданный источником опорного напряжения 14, напряжение на выходе операционного усилителя 13 начинает падать, диод 15 открывается, замыкая цепь отрицательной обратной связи по току ключа, стабилизирующей ток нагрузки на уровне Iпор. Это приводит к понижению напряжения на затворе электронного ключа 9, при этом падение напряжения на ключе 9 возрастает, приводя к появлению уровня логической единицы на выходе формирователя логического уровня 16. Этот единичный логический уровень при логической единице на входе управления коммутатором 1 приводит к появлению низкого уровня на выходе элемента И-НЕ 2, соединенным со входом интегрирующего RC звена 3. Данное состояние схемы транзисторного коммутатора является кратковременным. Длительность нахождения схемы коммутатора в данном состоянии определяется задержкой появления низкого логического уровня на выходе интегрирующего RC звена 3. Значение задержки зависит как от постоянной времени звена, так и от напряжений выходных логических уровней элемента И-НЕ 2 и входного порогового уровня элемента И-НЕ 4.

После этой задержки на выходе элемента И-НЕ 4 появляется высокий логический уровень, что приводит к открыванию управляющего транзистора 5 и полному запиранию электронного ключа 9, отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. Схема транзисторного коммутатора переходит в защитное состояние. При снятии управляющего сигнала и установлении уровня логического нуля на входе управления 1, при условии отсутствия тока перегрузки, схема коммутатора возвращается в выключенное состояние.

Во время задержки электронный ключ находится в режиме стабилизации тока нагрузки, при снижении тока ключа ниже порогового уровня во время действия задержки схема возвращается в исходное включенное состояние, полностью отпирая электронный ключ.

Таким образом, предлагаемый коммутатор с защитой от перегрузки сглаживает кратковременные броски тока, ограничивая их на заданном уровне, без полного отключения нагрузки.

Использование: для защиты вторичных источников питания электронных коммутаторов от токовых перегрузок. Сущность изобретения заключается в том, что коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени. Технический результат: обеспечение возможности сохранения нормального функционирования нагрузки. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, отличающийся тем, что в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени.

2. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на биполярном транзисторе.

3. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на полевом транзисторе с p-n-переходом.

4. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на полевом транзисторе с изолированным затвором.

5. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на биполярном транзисторе с изолированным затвором.

6. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что элемент задержки реализован в виде интегрирующего RC звена.

7. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что элемент задержки реализован с использованием одновибратора или таймера.