Устройство для защиты нагрузки от короткого замыкания и перегрузки Советский патент 1991 года по МПК H02H3/08 H02H7/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для токовой защиты нагрузок активно-индуктивного характера.

Известно полупроводниковое устройство для защиты преобразователей, обладающее высокой стабильностью порога срабатывания, быстродействием, содержащее датчик тока, компаратор, элемент памяти, транзисторный ключ в качестве силового элемента, размыкающего цепь аварийного тока 1.

Недостатком этого устройства является то, что возвращение устройства в исходное состояние (т.е. когда силовой транзистор открыт) осуществляется задним фронтом импульса, управляющего работой силового ключа (например в режиме ШИМ). При длительном замыкании в цепи ключа силовой транзистор начинает работать в тяжелом тепловом режиме, что ограничивает предельные значения отключаемого тока, не обеспечивается нагрузка.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее датчик тока в цепи нагрузки выпрямителя, инвертор, выпрямитель, пороговый элемент, охвачон- ный положительной обратной связью 2.

Известное устройство обладает при меньшем быстродействии повышенной помехозащищенностью, однако недостатком этого устройства является отсутствие защиты транзисторов от сквозных токов, от сбоев в системе управления. Совмещения рабочего режима ШИМ и защитных функций создают тяжелый тепловой режим, уменьшают отключаемый и рабочий ток инвертора.

Нагрузка выпрямителя при срабатывании защиты не обесточивается пока не произойдет разряд емкости фильтра выпрямителя. Это может привести к выходу из строя защищаемой нагрузки.

Уелыо изобретения является повышение надежности путем повышения быстродействия и помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что устройство выполнено в виде отдельного транзисторного ключа, где в качестве порогового элемента используется операционный усилитель, охваченный через диод положительной обратной связью. При этом заряд конденсатора положительной обратной связи поддерживается источником опорного напряжения через резистор.

шунтированный транзисторным ключом, а датчик тока с активно-индуктивным сопротивлением включен к эмиттерную цепь силового транзистора, используемого в качестве элемента задержки, и леющего

траекторию переключения релейного элемента с задержкой по выключению.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства.

Устройство для токовой защиты нагрузки 1 содержит индуктивный датчик 2 тока, включенный в эмиттерную цепь первого транзисторного ключа 3, Выход индуктивного датчика, тока 2 соединен с инверсным

г. юдом операционного усилителя 4. Источник 5 опорного напряжения соединен через резистор 6, шунтированный вторым транзисторным ключом 7, с неинверсным входом операционного усилителя 4. Выход операцмонного усилителя 4 через диод 8 и интегрирующую RC-цепочку 9 подключен к неинверсному входу.

Устройство работает следующим образом,

В нормальном режиме, когда ток нагрузки 1 не превышает предельно допустимого значения, напряжение индуктивного датчика 2 тока, подаваемое на инверсный вход операционного усилителя 4, меньше

напряжения напряжения на неинверсном входе. При этом на выходе операционного усилителя 4 присутствует положительное напряжение, поддерживающее первый транзисторный ключ 3 в открытом состоянии. При изменении параметров нагрузки 1

ток через нагрузку 1 и индуктивный датчик 2 начинает возрастать. Когда выходное напряжение индуктивного датчика 2, подаваемое на инверсный вход операционного усилителя 4, станет больше напряжения на неинверсном входе, происходит смена знака выходного напряжения операционного усилителя 4. Запирание первого транзисторного ключа 3 происходит с задержкой, равной времени выключения транзистора. После выключения первого транзисторного ключа 3 ток и напряжение индуктивного датчика 2 начинают уменьшаться по экспонен- циальному закону вследствие активно-индуктивного характера индуктивного датчика 2 тока.

Если за время выключения первого транзисторного ключа 3 и в процессе спада тока индуктивного датчика 2 напряжение на неинверсном вхоче операционного усилителя 4 станет отрицательным, то произойдет самозапирание операционного усилителя 4. Если вследствие незначительного изменения параметров нагрузки 1 бросок тока через индуктивный датчик 2 тока будет мал и напряжение на инверсном входе быстро станет меньше напряжения на входе неинверсном, то произойдет изменение знака выходного напряжения операционного усилителя 4, первый транзисторный ключ 3 откроется.

Пренебрегая временем включения первого транзисторного ключа 3, можно считать, что ток через индуктивный датчик 2 мгновенно начнет нарастать и напряжение на инверсном входе операционного усилителя 4 превысит напряжение на неинверсном, снова изменив знак выходного напряжения операционного усилителя 4. Вследствие малой длительности импульса, отпирающего первый транзисторный ключ 3, можно считать, что напряжение интегрирующей обратной связи меняется по экспоненциальному закону под действием скачка отрицательного напряжения с выхода операционного усилителя 4.

Таким образом, время полного отключения защиты, определяемого временем самозапирания операционного усилителя 4, не может быть больше времени разряда конденсатора интегрирующей RC-цепочки 9 под действием отрицательного напряжения операционного усилителя 4.

На фиг. 2 приведена диаграмма токов при к.з. (кривая 1)и превышении максимального тока (кривая 2) Как видно из диаграммы, существует зависимость: чем меньше сопротивление нагрузки защитного устройства, при которой происходит его срабатывание, тем меньше количество коммутаций

5 силового транзистора. Это уменьшает динамические потери в наиболее тяжелом режиме к,з.

После срабатывания устройства, приведение защитного ключа в исходное состоя0 ние осуществляется вторым транзисторным ключом 7, на базу которого подается короткий (1-2 МКС) импульс, открывающий его. Пои этом ПРОИСХОДИТ перезаряд емкости RC-цепочки 9 до уровня опорного напряже5 ния. После чего заряд конденсатора поддерживается через резистор 6. Такое построение обеспечивает постоянство порога срабатывания в процессе приведения защитного ключа в исходное состояние.

0 Таким образом, наличие датчика тока непосредственно в эмиттерной цепи тран- зистора позволяет использовать устройство для защиты мостовых инверторов, увеличивает количество защищаемых цепей, обес5 печивает быстродействие, а интегрирующая RC-цепочкг 9 обеспечивает помехоустойчивость устройства. Постоянный порог срабатывания позволяет сократить бросок тока в момент приведения защитного ключа в кс0 ходное состояние.

Формула изобретения Устройство для защиты нагрузки от короткого замыкания и перегрузки, содер,а5 щее первый транзисторный ключ, предназначенный для подключения через индуктивный датчик между источником питания и нагрузкой, второй транзисторный ключ, диод, интегрирующую RC-цепочку об0 ратной связи, пороговый элемент на операционном усилителе, выходом связанный с входом управления первого транзисторного ключа, инверсным входом подключенный к выходу датчика тока, а прямым входом че5 рез резистор подключен к источнику опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности путем повышения быстродействия и помехоустойчивости, второй транзисторный ключ шун0 тирует резистор, одни общие выводы конденсатора и резистора интегрирующей RC-цепочки подключены к прямому входу порогового элемента, а другой вывод резистора интегрирующей RC-цепочки - к аноду

5 диода, катод которого подкпючен к входу управления первого транзисторного ключа

/t

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено в устройствах токовой защиты нагрузок активно-индуктивного характера, Цель изобретения - повышение надежности путем повышения быстродействия и помехоустойчивости. Поставленная цель достигается благодаря тому, что в случае возрастания

ъ

ъг. г

Ј сямозопирания