ДВУХПОЛЮСНЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК H03K17/08 H03K17/284 

Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам электронной техники и может быть использовано для двухполюсной коммутации постоянного напряжения от источника питания в блок нагрузки с защитой его от превышения тока, а также и самого коммутатора напряжения.

Наибольшее применение данное предложение может найти в аппаратуре с повышенными значениями напряжения питания - порядка от 80 до 200 В, используемого, в частности, в летательных аппаратах, от которого необходима защита персонала, обслуживающего или эксплуатирующего указанную аппаратуру. Защита необходима от напряжений обеих шин питания при появлении тока "утечки" через человека.

Известен ряд устройств - коммутаторов напряжения (см. патенты РФ №№2599190, 2397612, №2258302, 2208292, МПК: H03K 17/08), построенных на основе последовательно соединенных электронного ключа и шунта; по увеличению падения напряжения, на котором до заданного уровня, с помощью элементов управления осуществляется выключение электронного ключа.

Недостатком таких устройств является коммутация только одной шины питания (положительной или отрицательной), что осложняет применение устройств защиты в известных устройствах при повышенных напряжениях.

В качестве прототипа заявляемого устройства по построению и функциональному назначению можно указать на «Электронный коммутатор напряжения" (см. патент РФ №2210183, МПК: H03K 17/08).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные шину положительного потенциала питания, верхний электронный ключ, блок нагрузки, нижний электронный ключ и шину отрицательную потенциала питания, а также шины управления электронными ключами и цепь из последовательно соединенных двух резисторов. В качестве электронных ключей используются микросхемы интеллектуальных ключей, имеющие защиту от короткого замыкания и ряд других сервисных функций.

Недостатками известного устройства является сложность (или невозможность) установки требуемого порога отключения ключа по превышении тока через нагрузку, а также невозможность отключения ключа при превышении заданного "тока утечки" на корпус от любой из коммутируемым шин питания.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет независимого или одновременного осуществления защиты от перегрузки по току коммутируемых шин питания и защиты от превышении заданного "тока утечки" на корпус от любой из коммутируемых шин питания.

Технический результат достигается тем, что в двухполюсный коммутатор напряжения, содержащий последовательно соединенные шину положительного потенциала питания, верхний электронный ключ, блок нагрузки, подключенный между коммутируемыми шинами положительного и отрицательного потенциала питания, нижний электронный ключ и шину отрицательную потенциала питания, шины управления электронными ключами и цепь из последовательно соединенных первыми выводами первого и второго резисторов, а также модуль вторичного питания, подключенный входами к шинам положительного и отрицательного потенциала питания, в отличие от известного, введены пороговые элементы управления верхним и нижним электронными ключами, измерительный усилитель и цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого резисторов между общей точкой первого и второго резисторов и корпусом прибора, при этом инвертирующий вход измерительного усилителя соединен с корпусом прибора, неинвертирующий вход соединен с общей точкой третьего и четвертого резисторов, а выход измерительного усилителя соединен с неинвертирующим входом порогового элемента управления верхним электронным ключом и инвертирующим входом порогового элемента управления нижним электронным ключом, инвертирующий вход порогового элемента управления верхним электронным ключом соединен с выходом верхнего электронного ключа и вторым выводом первого резистора, а его выход является шиной управления верхнего электронного ключа, неинвертирующий вход порогового элемента управления нижним электронным ключом соединен с выходом нижнего электронного ключа и вторым выводом второго резистора, а его выход является шиной управления нижнего электронного ключа.

Функционирование заявляемого устройства поясняется фиг. 1…3.

На фиг. 1 приведена расширенная (в части показа внутриблочных компонентов) блок-схема двухполюсного коммутатора напряжения.

На фиг. 2 и 3 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов в устройстве, приведенного на фиг. 1.

На фиг. 1 показано:

1 - шина положительного потенциала питания (в дальнейшем, по тексту - "шина 1");

2 - шина отрицательного потенциала питания (в дальнейшем, по тексту - "шина 2");

3 - коммутируемая шина положительного потенциала питания, (в дальнейшем, по тексту - "шина 3");

4 - коммутируемая шина отрицательного потенциала питания (в дальнейшем, по тексту - "шина 4);

5 - верхний электронный ключ, в котором: 5а - вход электронного ключа, 5b - выход электронного ключа, 5с - вход управления электронного ключа, (дальнейшем, по тексту - "ЭК 5");

6 - нижний электронный ключ, в котором: 6а - вход электронного ключа, 5b - выход электронного ключа, 5с - вход управления электронного ключа, (дальнейшем, по тексту - "ЭК 6");

7 - пороговый элемент управления верхним электронным ключом, далее, по тексту - «блок 7», в котором: 7а и 7b - входы блока 7, 7с - выход блока 7;

8 - пороговый элемент управления нижним электронным ключом, далее, по тексту - «блок 8», в котором: 8а и 8b - входы блока 8, 8с - выход блока 8;

9 - измерительный усилитель, далее, по тексту - «ИУ 9», в котором 9а и 9b - входы ИУ 9, 9с - выход ИУ 9;

10 - блок нагрузки;

11 - шина управления ЭК 5;

12 - шина управления ЭК 6;

13 - корпус прибора (изделия);

14 и 15 - первый и второй резисторы, соответственно;

16 и 17 - третий и четвертый резисторы, соответственно;

18 и 19 - сопротивления "утечки на корпус" - от шины 3 (сопротивление 18) и от шины 4 (сопротивление 19), т.е. цепи возможной утечки на корпус - данные цепи физически не являются элементами заявляемого устройства;

50 - вторичный источник питания.

Как примеры возможной реализации - в блоки 5-9 входят нижеуказанные компоненты.

ЭК 5: 20 - ДМОП Р-канальный транзистор (далее, по тексту - «транзистор 20»), 21 - стабилитрон, 22, 23 - режимные резисторы, 24 - оптрон, 25 - диод;

ЭК 6: 26 - ДМОП N-канальный транзистор, 27 - оптрон, 28 - диод, 29 - стабилитрон, 30, 31 - резисторы; (далее, по тексту - «транзистор 26»)

Блок 7: 32 - операционный усилитель (ОУ), 33 - 37 - резисторы;

Блок 8: 44 - ОУ, 45 - 49 - резисторы;

Блок 9: 38 - ОУ, 39 - 43 - резисторы;

На фиг. 2 и 3 показано: (точка 1 на фиг. 1) - пример формы напряжения, поступающего на вход устройства (в рассматриваемом случае U=120 В), I₁₀, - ток нагрузки, R₁₉ - пример изменения сопротивления цепи "утечки" от шины 4 на корпус 13, U_вых - напряжение на шине 3 относительно шины 4, U₈ - напряжение на выходе блока 8, R₁₀ - пример изменения сопротивления блока нагрузки.

Графики, приведенные на фиг. 2 и 3 являются результатом математического моделирования заявляемого устройства.

Устройство, показанное на фиг. 1 выполнено следующим образом.

Шина 1 соединена через ЭК 5, с одним выводом блока нагрузки 10 по шине 3. Шина 2 соединена через ЭК 6, с другим выводом блоком нагрузки 10 по шине 4. Между шинами 3 и 4 включены последовательно первый (14) и второй (15) резисторы, между средней точка которых и корпусом 13 включены последовательно соединенные третий (16) и четвертый (17) резисторы. Выводы резистора 17 соединены с входами 9а и 9b ИУ 9. Выход ИУ 9 соединен с входом 7b блока 7 и с входом 8b блока 8. Выход 7 с блока 7 соединен шиной управления 11 с входом управления 5 с ЭК 5. Выход 8 с блока 8 соединен шиной управления 12 с входом управления 6 с ЭК 6. Входы 7а и 8а блоков 7 и 8 соединены, соответственно, с шинами 3 и 4. Вторичный источник питания 50 подключен входами к шинам 1 (+U) и 2 (-U), его выходы соединены с блоками 7, 8 и 9 шинами питания +Е, -Е и GND. Если в качестве вторичного источника питания 50 используется DC-DC конвертер (с гальванической развязкой от его входа), то GND может быть соединена с корпусом (13) - эта цепь показании на фиг. 1 пунктиром. Пунктиром также показаны цепи утечки от шин 3 и 4 на корпус.

Блок 7 выполнен на ОУ 32 в виде компаратора сигналов, поступающих на входы 7а и 7b. Резисторы 34 и 35 формируют делитель напряжения от шины 3. Резистор 36 является ограничителем тока входной цепи оптрона 24. Резистор 37 совместно с резистором 37 формирует гистерезис компаратора.

Блок 8 выполнен на ОУ 44 в виде компаратора сигналов, поступающих на входы 8а и 8b. Резисторы 46, 47 и 49 формируют делитель напряжения от шины 4 и гистерезис компаратора. Резистор 48 является ограничителем тока входной цепи оптрона 27.

ИУ 9 выполнен в виде линейного дифференциального усилителя на ОУ 38 с входными резисторами 39 и 41, которые совместно с резисторами 40 и 42 представляют собой делители входных напряжений. В качестве ИУ 9 может быть использована стандартная микросхема измерительного усилителя (например, микросхемы 1463УБ1 или 1467УБ1).

ЭК 5 и ЭК 6: Делители напряжений из сопротивлений 22 и 23 в ЭК 5 и сопротивлений 30 и 31 в ЭК 6 предназначены для формирования порогов отключения транзисторов 20 и 26, соответственно. Выходы оптронов 24 и 26 включены между затворами и истоками транзисторов 20 и 26, соответственно. Стабилитроны 21 и 29 предназначены для защиты затворов транзисторов 20 и 26 от возможного перенапряжения. Диоды 25 и 28 служат для защиты входов оптронов 24 и 26 от обратного напряжения.

Ниже рассматриваются функционирование заявляемого устройства.

При утечке тока на корпус от шины 4, пусть, например, в момент t₁ (фиг. 2) между шиной 1 и шиной 2 подается напряжение U (график 2а на фиг. 2). На затворах транзисторов 20 и 26 относительно их истоков появляются напряжения соответствующей полярности, более 6 В (по абсолютному значению) - напряжение гарантированного открытия транзисторов, переводящие транзисторы 20 и 26 в проводящее состояние. Возникает ток I₁₀ через блок нагрузки 10 (график 2b на фиг. 2). За счет уменьшения сопротивления утечки 19 (график 2 с на фиг. 2) происходит увеличение разбалансировки моста, образованного элементами 14, 15, 18 и 19 увеличивается ток в диагонали моста (резисторы 16 и 17). За счет увеличения напряжения на резисторе 17 уменьшается напряжение на выходе ИУ 9, напряжение на входе 8b блока 8 становится ниже отрицательного напряжение на неин-вертирующем входе ОУ 44, за счет чего на выходе последнего и на шине 12 в момент t2 появляется положительное напряжение (график 2е на фиг. 2). За счет положительной обратной связи (через резистор 49) блок 8 блокируется в состоянии, при котором на его выходе устанавливается положительное напряжение. При появлении положительного напряжения на шине 12 включается оптрон 27, который выключает транзистор 26. Прекращается ток I₁₀ (график 2b на фиг. 2) и снимается выходное напряжение U_вых (график 2d на фиг. 2). По графику 2с на фиг. 2 видно, что защита срабатывает при сопротивлении утечки около 60 кОм. Выбором резисторов 45 и 46 можно установить требуемый уровень срабатывания блока 8.

Аналогичным образом отключается транзистор 20, если возникает утечка на корпус от шины 3 - при уменьшении сопротивления утечки 18.

При увеличении тока нагрузки выше заданного предела. - ток утечки отсутствует, а ток I₁₀ через блок нагрузки 10 увеличивается (график 3b на фиг. 3). В момент t2 за счет увеличения падения напряжения на ЭК 5 и ЭК 6 напряжение между шинами 3 и 4 начинает уменьшаться (график 3с на фиг. 3). При этом ввиду различия характеристик ЭК 5 и ЭК 6 напряжения на шинах 3 и 4 относительно GND при увеличении тока I₁₀ будут различными.

Пусть, например, падение напряжения на ЭК 5 будет больше падения напряжения, чем на ЭК 6. Тогда напряжения на входах ОУ32 с увеличением тока 1ю будут уменьшаться. За счет того, что коэффициент К усиления ИУ 9 больше 1 (обычно К выбирают в пределах от 5 до 100), в некоторый момент t₃ положительное напряжение на инвертирующем входе ОУ 32 становится меньше напряжения на неинвертирущем входе ОУ 32, на выходе блока 7 (график 3е на фиг. 3) и шине 11 появляется положительное напряжение, включающее оптрон 24. Выходным транзистором оптрона 24 замыкается затвор транзистора 20 на его исток и ток через нагрузку 10 прекращается (график 3b на фиг. 3).

В ситуации, когда совместно увеличивается ток нагрузки и ток утечки защитные функции включаются по первому (по времени) событию - либо от превышения тока нагрузки, либо от превышению тока утечки.

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".

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для коммутации напряжения на нагрузке с защитой ее от перегрузки по току и с защитой от токов утечки от коммутируемого напряжения на корпус прибора. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей коммутатора напряжения за счет независимого или одновременного осуществления защиты от перегрузки по току коммутируемых шин питания и защиты от превышения заданного "тока утечки" на корпус от любой из коммутируемых шин питания. Результат достигается тем, что выполняют сравнение напряжений коммутируемых шин с выходным напряжением измерительного усилителя. При фиксации токов утечки опорными напряжениями пороговых элементов управления являются сигналы, сформированные от напряжений коммутируемых шин. При фиксации повышенных токов опорными напряжениями пороговых элементов управления является сигнал, сформированный от выходного напряжения измерительного усилителя. При этом двухполюсный коммутатор напряжения содержит последовательно соединенные шину положительного потенциала входного напряжения, верхний электронный ключ, блок нагрузки, нижний управляющий вход и шину отрицательного потенциала входного напряжения. Управляющие входы электронных ключей соединены с выходами пороговых элементов управления электронными ключами. Входы пороговых элементов управления электронными ключами соответственно соединены с коммутируемыми шинами питания и выходом измерительного усилителя, входными сигналами которого является падение напряжения на резисторе, включенном в цепь между средней точкой делителя напряжения, соединенного с коммутируемыми шинами. 3 ил.

Двухполюсный коммутатор напряжения, содержащий последовательно соединенные шину положительного потенциала питания, верхний электронный ключ, блок нагрузки, подключенный между коммутируемыми шинами положительного и отрицательного потенциала питания, нижний электронный ключ и шину отрицательную потенциала питания, шины управления электронными ключами и цепь из последовательно соединенных первыми выводами первого и второго резисторов, а также модуль вторичного питания, подключенный входами к шинам положительного и отрицательного потенциала питания, отличающийся тем, что в него введены пороговые элементы управления верхним и нижним электронными ключами, измерительный усилитель и цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого резисторов между общей точкой первого и второго резисторов и корпусом прибора, при этом инвертирующий вход измерительного усилителя соединен с корпусом прибора, неинвертирующий вход соединен с общей точкой третьего и четвертого резисторов, а выход измерительного усилителя соединен с неинвертирующим входом порогового элемента управления верхним электронным ключом и инвертирующим входом порогового элемента управления нижним электронным ключом, инвертирующий вход порогового элемента управления верхним электронным ключом соединен с выходом верхнего электронного ключа и вторым выводом первого резистора, а его выход является шиной управления верхнего электронного ключа, неинвертирующий вход порогового элемента управления нижним электронным ключом соединен с выходом нижнего электронного ключа и вторым выводом второго резистора, а его выход является шиной управления нижнего электронного ключа.