БАРЬЕР ИСКРОЗАЩИТЫ Российский патент 2024 года по МПК H02H3/87 

Изобретение относится к области промышленной автоматики и может быть использовано в системах автоматизации, в том числе взрывоопасных производственных объектах.

В настоящее время известны различные схемы защиты, применяемые в качестве искробезопасных барьеров.

Так из описания к патенту РФ № 2374734 (опубл. 27.11.2009) известна защитная схема для искробезопасных, эксплуатируемых с напряжением допущенного для подземных горных разработок сетевого блока питания электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках, содержащая подключенную к первому и второму потенциалам сетевого блока питания катушку, которой приданы, по меньшей мере, два выполненных отдельно друг от друга, включенных параллельно катушке электромагнитного исполнительного устройства короткозамыкающих средства для короткого замыкания катушки при реверсировании потенциала напряжения катушки, при этом между катушкой и вторым потенциалом включен полупроводниковый выключатель, выполненный с возможностью отсоединения катушки от второго потенциала при падении напряжения или реверсировании потенциала.

Из уровня техники известен искрозащитный барьер, который содержит источник питания, индуктивные элементы, а также вводные и выводные устройства (авторское свидетельство SU1681025, опубл. 30.09.1991).

Известное решение принято в качестве наиболее близкого аналога к патентуемому.

Недостатками известных устройств являются высокие потери, а также повреждаемость жертвенных элементов, таких, как предохранители, что приводит к невозможности быстро восстановить работоспособность после устранения короткого замыкания или перегрузки.

Технической проблемой патентуемого изобретения является реализация назначения по созданию барьера искрозащиты, обладающего улучшенными эксплуатационными параметрами.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности искрозащиты за счет уменьшения мощности, рассеиваемой внутри блока питания, повышение максимальной мощности искробезопасных цепей за счет обеспечения возможности максимально близко установить рабочие параметры к допустимым искробезопасным.

Кроме этого, повышается надежность работы устройства за счет сокращения времени восстановления работоспособности устройств, снабженных барьером, моментально по устранении замыкания за счет отсутствия повреждаемых при работе блока искрозащиты элементов, а также за отсутствия в устройстве температурозависимых элементов увеличивается стабильность максимальных выходных параметров.

Таким образом, повышается надежность и стабильность работы цепей.

Заявленный технический достигается за счет использования барьера искрозащиты, содержащего источник питания, токоизмерительное устройство, полупроводниковый прибор и полупроводниковый ключ, при этом один из выводов токоизмерительного устройства соединен с первым выводом полупроводникового ключа, второй вывод которого соединен с выходной цепью с отрицательным потенциалом, а третий вывод подключен к полупроводниковому прибору, выводы токоизмерительного устройства соединены с измерительным входом полупроводникового прибора, выполненного с возможностью обработки и сравнения входных сигналов с уставками.

Уменьшение мощности, рассеиваемой внутри блока, обеспечивается за счет применения активных компонентов, изменяющих свое сопротивление в зависимости от условий, а именно от тока, протекающего через устройство.

В частности, токоизмерительное устройство представляет собой шунт, в качестве которого может выступать резистор, проводник, предохранитель, самовосстанавливающийся предохранитель, сопротивление канала полевого транзистора или любой элемент, обладающий активным сопротивлением.

Полупроводниковый ключ может представлять собой полевой транзистор, биполярный транзистор, тиристор, симистор или другой управляемый полупроводниковый элемент.

Барьер искрозащиты дополнительно может содержать подключенный к выходным цепям стабилизатор, выполненный с возможностью ограничивать напряжение, вызванное током утечки через закрытый канал полупроводникового ключа после срабатывания защиты от превышения напряжения в полупроводниковом приборе.

Стабилизатор может быть исключен, если барьер ограничивает выходные параметры аккумуляторной батареи. Например, в случае, когда источником питания выступает аккумуляторная батарея или конденсатор.

Для повышения искробезопасности барьер искрозащиты дополнительно может содержать, по меньшей мере, один полупроводниковый ключ и один полупроводниковый прибор, последовательно соединенные с предыдущими полупроводниковым ключом и полупроводниковым прибором, соответственно.

При этом барьер искрозащиты содержит дополнительно, по меньшей мере, один стабилизатор, который подключается параллельно предыдущему стабилизатору.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры 1-4, на которых приведено следующее.

На фигуре 1 - общая схема барьера искрозащиты уровня «iс»;

На фигуре 2 - общая схема барьера искрозащиты уровня «ib»;

На фигуре 3 - общая схема барьера искрозащиты уровня «ia»;

На фигуре 4 - принципиальная схема барьера искрозащиты (пример реализации).

На вход барьера искрозащиты (см.фигуру 1) подключается источник питания (1). Цепь с отрицательным потенциалом подключена к первому выводу токоизмерительного устройства ТУ (2). Второй вывод токоизмерительного устройства ТУ (2) соединен с первым выводом полупроводникового ключа К1 (3), а второй вывод ключа К1 (3) соединен с выходной цепью с отрицательным потенциалом. Выводы токоизмерительного устройства ТУ (2) соединены с измерительным входом полупроводникового прибора ПП1 (4). Стабилизатор С1 (5) подключен к выходным цепям. Входное напряжение также подается на вход полупроводникового прибора ПП1 (4). В полупроводниковом приборе входные сигналы обрабатываются и сравниваются с уставками, посредством аналоговых операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление и другие. В случае, если уставки не превышены полупроводниковый прибор ПП1 (4) выдает команду на открытие ключа К1 (3) через его управляющий электрод.

На фигуре 2 приведена схема, аналогичная схеме на фигуре 1, которая дополнительно содержит полупроводниковый ключ К2 (6) и полупроводниковый прибор ПП2 (7), при этом второй вывод ключа К1 (3) соединен с первым вводом ключа К2 (6). Выводы токоизмерительного устройства ТУ (2) соединены с измерительным входом полупроводникового прибора ПП2 (7). Входное напряжение также подается на вход полупроводникового прибора ПП2 (7). Стабилизатор С2 (8) подключен параллельно стабилизатору С1 (5).

На фигуре 3 приведена схема, аналогичная схеме на фигуре 2, которая дополнительно содержит еще один полупроводниковый ключ К3 (9) и один полупроводниковый прибор ПП3 (10), при этом второй вывод ключа К2 (6) соединен с первым вводом ключа К3 (9). Выводы токоизмерительного устройства ТУ (2) соединены с измерительным входом полупроводникового прибора ПП3 (10). Входное напряжение также подается на вход полупроводникового прибора ПП3 (10). Стабилизатор С3 (11) подключен параллельно стабилизатору С2 (8).

Сборка полупроводникового устройства, соединенного с управляющим электродом ключа К выступает в виде последовательного токоограничительного устройства с нелинейной вольтамперной характеристикой, увеличивающего свое сопротивление от состояния проводимости до изоляции в зависимости от протекающего через токоизмерительное устройство ТУ тока и величины напряжения.

После срабатывания защит полупроводниковый прибор ПП переходит в режим
фиксации до снятия аварийного состояния с задержкой по времени, чтобы избежать
нестабильного состояния.

Для обеспечения искробезопасности полупроводниковое устройство ПП, полупроводниковый ключ К, токоизмерительное устройство ТУ и его цепи, а также устройство измерения напряжения должны быть неповреждаемыми по п.8 ГОСТ 31610.11.

Согласно п.7.5.3 ГОСТ 31610.11 в случае уровня искрозащиты “ia” барьеры искрозащиты на полупроводниковых элементах выступают в качестве устройств ограничения мощности, а при наличии троированных шунтов, ограничивающих напряжение, либо искрозащите аккумуляторной батареи, как следствие, ограничивают и ток.

Пример реализации изобретения.

Изобретение реализовано в барьере искрозащиты (АРМА 421411.001), используемом для ограничения мощности, исходящей из литий-ионного аккумулятора, посредством токовой отсечки. Принципиальная схема барьера приведена на фиг.4

Представленное устройство является примером реализации барьера искрозащиты уровня “ia”. В схеме устройства полевые транзисторы VT2, VT3, VT4 являются управляемыми ключами (K1, K2, K3), резистор R17 выступает в качестве токоизмерительного устройства ТУ, а микросхемы D1, D2, D3 - полупроводниковыми приборами ПП1, ПП2, ПП3.

Аккумулятор присоединяется к клеммам X1 (B+ и B-). Искробезопасная нагрузка может быть подключена к клеммам X2 (P+ и P-). Во время разрядки аккумулятора ток протекает через соединенные между собой положительные выводы X1 и X2 в нагрузку. Далее цепь соединена с отрицательным выводом клеммы X2. Затем ток проходит тройной каскад с полевых транзисторов VT2-VT3 в направлении сток-исток. Низкоомный резистор R17 соединяет исток последнего по направлению движения разрядного тока транзистора VT2 и исток N-канального транзистора VT1, используемого для ограничения электрических параметров при зарядке аккумулятора вне взрывоопасной среды. Сток VT1 соединен с отрицательным выводом аккумулятора через клемму X1.

Истоки транзисторов подключены к затворам через высокоомные резисторы R13-R16 в качестве защиты от потери управляемости. Ток в резисторе R17 приводит к возникновению падения напряжения на его выводах. Эта разность потенциалов через токоограничительные резисторы R1, R4, R6 попадает на входы 2 микросхем D1, D2, D3 соответственно. Во внутренней логике микросхем напряжение сравнивается с опорным и на основании этого на выводе 1 формируется управляющий сигнал, в виде высокого либо низкого уровня напряжения. Каждый такой вывод микросхем D1, D2, D3 соединен с затвором транзисторов VT2, VT3, VT4 соответственно.

Превышение заданной схемой величины тока приводит к закрытию транзисторов VT2, VT3, VT4. Эта величина задается резисторами R17, R1, R4, и выбранным исполнением микросхем D1, D2, D3.

Высокоомные резисторы R3, R5, R7 соединяют выводы 2 микросхем D1, D2, D3 с отрицательным выводом нагрузки, что создает связь микросхем с нагрузкой при закрытых транзисторах. RC-цепь R2-C1 служит для ограничения токов во внутренних схемах микросхем. Клемма NTC (X2) предназначена для подключения цепей измерения температуры АКБ. Резисторы R1-R10 и R13-R17, а также транзисторы VT2, VT3, VT4 должны быть неповреждаемыми в соответствии с п.8 ГОСТ 31610.11.

Элементы располагаются на плате искрозащиты (АРМА 758721.001). Расстояния между выводами и цепями ключей VT2, VT3, VT4 и резисторов R1-R10 и R13-R17 должны быть признанными неповреждаемыми в соответствии с ГОСТ 31610.11.

Изобретение относится к области промышленной автоматики и может быть использовано в системах автоматизации. Технический результат заключается в повышении надежности искрозащиты. Предложен барьер искрозащиты, содержащий источник питания, токоизмерительное устройство, полупроводниковый прибор, стабилизатор и полупроводниковый ключ для уменьшения мощности, рассеиваемой внутри блока питания, повышения максимальной мощности искробезопасных цепей за счет обеспечения возможности максимально близко установить рабочие параметры к допустимым искробезопасным. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Барьер искрозащиты, характеризующийся тем, что содержит источник питания, токоизмерительное устройство, полупроводниковый прибор, стабилизатор и полупроводниковый ключ,

причем входная цепь с отрицательным потенциалом подключена к входу токоизмерительного устройства и к входу отрицательного потенциала полупроводникового прибора,

входная цепь с положительным потенциалом подключена к входу положительного потенциала полупроводникового прибора и к выходу цепи с положительным потенциалом,

причем стабилизатор подключен к входным цепям,

выход токоизмерительного устройства соединен с первым входом полупроводникового ключа и измерительным входом полупроводникового прибора,

выход полупроводникового ключа соединен с выходной цепью с отрицательным потенциалом,

выход полупроводникового прибора подключен к управляющему входу полупроводникового ключа,

полупроводниковый прибор выполнен в виде последовательного токоограничительного устройства с нелинейной вольтамперной характеристикой с возможностью обработки и сравнения входных сигналов с уставками.

2. Барьер искрозащиты по п.1, характеризующийся тем, что токоизмерительное устройство представляет собой шунт, в качестве которого может выступать резистор, проводник, предохранитель, самовосстанавливающийся предохранитель, сопротивление канала полевого транзистора или любой элемент, обладающий активным сопротивлением.

3. Барьер искрозащиты по п.1, характеризующийся тем, что полупроводниковый ключ представляет собой полевой транзистор либо биполярный транзистор, тиристор, симистор.

4. Барьер искрозащиты по п.1, характеризующийся тем, что стабилизатор выполнен с возможностью ограничивать напряжение, вызванное током утечки через закрытый канал полупроводникового ключа после срабатывания защиты от превышения напряжения в полупроводниковом приборе.

5. Барьер искрозащиты по п.5, характеризующийся тем, что полупроводниковый прибор выполнен с возможностью обработки входных сигналов посредством аналоговых операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление.