Оптоэлектронный ключ с защитой по току Советский патент 1992 года по МПК H03K17/08 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники.

Известен оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, два транзистора разного типа проводимости, четыре резистора и элемент односторонней проводимости, светодиод оптрона подключен к входным шинам, первый резистор включен между базой первого транзистора и первой шиной питания, второй резистор включен параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора, коллектор фототранзистора оптрона соединен с первым выводом третьего резистора, эмиттеры фототранзистора оптрона и второго транзистора соединены с второй шиной питания, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом элемента односторонней проводимости и с базой первого транзистора, эмиттер которого через четвертый резистор соединен с первой шиной питания, а коллектор - с базой второго транзистора, коллектор которого

соединен с вторым выводом элемента односторонней проводимости и выходной шиной ключа.

Недостатком такого устройства является низкая надежность, обусловленная большим количеством функциональных элементов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, элемент односторонней проводимости, три резистора и транзистор, проводимость которого противоположна проводимости фототранзистора оптрона, светодиод оптрона подключен к входным шинам, причем коллектор фототранзистора оптрона соединен с базой транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора и первой шиной питания, база и эмиттер фототранзистора оптрона соединены с второй шиной питания соответственно через второй и третий резисторы, база фототранзистора оптрона соединена непосредственно с первым выСП

С

VI

С

ю

&

х

водом элемента односторонней проводимости, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора и выходной шиной устройства.

В большинстве случаев исполнительными элементами, которые коммутируют электронные ключи, являются устройства и механизмы, которые как нагрузка электронного ключа характеризуется большой кратностью (различием) пускового и номинального токов К таким нагрузкам относятся нагрузки емкостного характера, электромагниты, двигатели, нагрузки нелинейного характера - нагревательные элементы, лампы накаливания и пр. При работе ключа на указанные типы нагрузок ток ограничения токовой зчщиты ключа должен превышать значение пускового тока нагрузки, т.к. в противном случае срабатывание защиты в течение переходного (пускового) режима нагрузки ключа будет квалифицировано как функциональный отказ ключа.Загрубле- ние порога токоограничения защиты ключа из расчета большой кратности пускового и номинального токов нагрузки делает невозможным срабатывание защиты как при токовой перегрузке, при которой ток превышает номинальное значение, но меньше пускового Обауказанных фактора вынужденное заглубление характеристики токоограничения и работа ключз без срабатывания защиты в указанном :;иие ре,к .r.ic перегрузки, обус лавлиьают в совокупное т i принципиальные недостатки про-о ипа н , КПД и функциональная нэпе , ость ключа

Целью изобретения явпяв1ся повыше- ние сщежност/( отбыты и КПД кл -оча в режиме пирргрузки

Поставленная i(eль достигается тем, что в устройство сод ржаш°е транзисторный оптрон. тосшз1 г.ср противоположной к фо- тотрзноисгпру оптроиа проводимости, элемент односторонней проводимости ; первый, второй и третий резисторы, причем светодиод оптоонз соедппен с входными выводами устройства база фотстранзисго- ра оптрона через первый резистор соединена со втооой шиной питания а через элемент односторонней проводимости - с выходной шиной устройства коллектор фо- тотрэнзисторз ог .трома через птоэой pest стор соединен с первой шиной -Ж тзния, с которой соединен эмит-ер .сгерз, 6з- за которого соединена с л.лекторим фототранзистора оптрона а коллектор - с выходной ш М Ой устройова дополнительно введены резистор, ко дзнсатор и элемент односторонней проводимости, при этом введеннь й элемент од1 осторонней проводимости соединен встречно-параллельно с база-эмиттерным переходом фото- транзистора оптрона, а параллельно соединенные введенные резистор и конденсатор через третий резистор включены между

эмиттером фототрэнзистора оптрона и второй шиной питания.

Физическая сущность изобретения заключается в формировании введенными резистором и конденсатором токовой

0 нагрузочной характеристики, сопряженной с время-токовой характеристикой нагрузки ключа, и в формировании посредством введенного элемента односторонней проводимости автоматического возврата элементов

5 защиты в исходное состояние.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличгется наличием резистора, конденсатора и элемен га односторонней проводимо0 сти а также их связями с остальными элементами устройства Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию новизна.

Введенные элементы известны, однако

5 в указанных взаимосвязях они позволяют формировать двухуровневую характеристику токового ограничения устройства, обеспечивая таким образом повышение его надежное и КПД, что позволяет сделать

0 зычод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения существенные отличия

На фиг 1 представлена схема предлагаемого устройства на фиг 2 - функция

5 токового огра..бния устройства от времени (а) и время - нагрузочная характеристика исполнителоного элемента ча выходе элек- -ронмого ключа (5).

Устройство (фиг. 1) состоит из транзи0 сторного оптрона 1,транзистора 2 первого 3 и второго 4 элементов односторонней проводимости, первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 резисторов и конденсатора 9. Светодиод транзисторного оптрона 1

5 соединен с входными выводами устройства, база фоютранзистора оптрона 1 через резистор 5 соединена со второй шиной питания и через элемент односторонней проводимости 3 с выходной шиной устройС гтва, эмиттер фототранзисторз оптрона 1 через элемент односторонней проводимости 4 соединен с базой фототранзистора оптрона, эмитгер фототранзистора оптрона 1 соединен с параллельно соединенными

5 резистором 8 и конденсатором 9, которые через резистор 7 соединены со второй шиной питания. Коллектор фототранзистора оптрона 1 соединен с базой транзистора 2 и через резистор 6 с первой шиной питания, г которой соединен эмиттер транзистора 2.

коллектор которого соединен с выходной шиной устройства.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала, оптрон 1 закрыт, ток базы транзистора 2 не протекает - транзистор 2 закрыт - ток в нагрузку ключом не передается.

При подаче входного сигнала и коротком замыкании в нагрузке ключа фототранзистор оптрона 1 закрыт за счет шунтирования нагрузкой базы фототранзистора оптрона 1 на вторую шину питания через элемент односторонней проводимости 3. Ток коллектора фототранзистора, а следовательно ток базы транзистора 2 не протекает - ток в нагрузку ключом не передается.

В безаварийной состоянии нагрузки, характеризующийся различием пускового и номинального токов, фототранзистор оптрона 1 открывается световым потоком све- тодиода оптрона 1, на вход которого подается сигнал управления. Конденсатор 9 разряжен, напряжение на нем равно нулю - в случае предыдущего включения устройства конденсатор 9 разряжен через резистор 8. Ток коллектора фототранзистора оптрона 1 протекает через базу транзистора 2, открывая его, при этом в цепи эмиттера ток протекает через незаряженный конденсатор 9 и резистор 7, минуя шунтированный конденсатором с нулевым напряжением резистор 8. В этом момент времени ток коллектора фототранзистора оптрона 1, а следовательно, ток базы транзистора 2, Определяется только резистором 7 таким образом, что максимально возможный выходной ток ключа (И. фиг. 2) несколько превышает значение пускового тока нагрузки (начальная точка кривой б, фиг. 2). По мере уменьшения тока нагрузки ключа, в устройстве конденсатор 9 заряжается током резистора 7 с постоянной времени, определяемой произведением сопротивления резистора 7 на емкость конденсатора 9. Напряжение на конденсаторе 9 начинает возрастать, часть тока резистора 7 ответвляется в резистор 8. Постоянная времени заряда конденсатора 9 выбирается большей или равной постоянной времени переходного процесса в нагрузке. По окончании переходного процесса конденсатор 9 заряжен полностью, напряжение на нем определяется соотношением величин сопротивлений резисторов 7 и 8, ток коллектора фототранзистора оптрона 1 (ток базы транзистора 2) определяется теперь суммарным значением сопротивлений 7 и 8 на уровне (12, фиг. 2), превышающем максимально возможный

номинальный ток нагрузки Таким образом устройство формирует два порога токовой защиты - максимальный в начальный момент времени (11) и минимальный Ь) по окон- 5 чэнии переходного процесса в нагрузке.

В случае перегрузки устройства в любой момент времени, т.е. при превышении током нагрузки ключа значений характеристики а (фиг. 2). фототранзистор оптронз 1 и 10 транзистор 2 выходят из режима насыщения, напряжение коллектор - эмиттер транзистора 2 растет, что вызывает шунтирование базы фототранзистора оптрона 1 нагрузкой через открывающийся эле- 15 мент односторонней проводимости 3. Выходной ток устройства начинает ограничиваться.

В случае аварийного состояния нагрузки - значительной перегрузки или короткого

0 замыкания выходных шин ключа, после включения устройства, разряженный (или частично заряженный во время переходного процесса) конденсатор 9 разряжается, помимо резистора 8, через сформирован5 ную цепь разряда: элемен гы односторонней проводимости 4, 3 - нагрузка ключа - вторая шина питания - резистор 7. Указанная цепь выполняет несколько важных функций для устройства. Во-первых, открытый разряд0 ным током конденсатора 9 элемент односторонней проводимости 4 надежно закрывает фототрэнзистор оптрона 1 обратным напряжением на база-эмиттерном переходе, защищая в то же время указанный переход от

5 обратного напряжения пробоя. Во-вторых, форсированный разряд конденсатора 9 создает условия для более оперативного повторения цикла включения с последующим переходным процессом, при устранении не0 исправности в нагрузке. Таким образом введенные элементы обеспечивают быстрый переход устройства в режим токового ограничения при перегрузке.

Следует отметить дополнительно, что

5 введенные элементы позволяют исключить переход устройства в режим токового ограничения в режимах эксплуатации, провоцирующих ложные срабатывания защиты. Так, например, при скачке напряжения на шинах

0 питания нагрузки, особенно на нагрузке нелинейного или емкостного характера, будет вызван скачок тока на уровне (игш превышающем уровень) пускового тока нагрузки Переход ключа в режим токоог рзничения

5 будет воспринят как функционально ложное срабатывание защиты, т к увеличение тока не вызвано аварийным рех-имом нагрузки. В то же время в заявляемом устройстве скачок напряжения вызывает скачок тока в конденсаторе 9. при этом на время Ьроска

напряжения питания конденсатор 9 полностью шунтирует током заряда резистор 8 - порог токового ограничения ключа определяется исключительно резистором 7 на уровне, превышающем значение i (из-за по- вышения напряжения на шинах питания нагрузки). Описанные процессы подтверждают повышение функциональной надежности устройства.

При устранении перегрузки или корот- кого замыкания в нагрузке, в устройстве автоматически обеспечивается возврат режимов всех элементов в исходное состояние.

Положительный эффект изобретения заключается во введении в известное устройство элемента односторонней проводимости 4, резистора 8 и конденсатора 9 со связями, при этом заявляемым устройством проявляются новые качества:

-заявляемое устройство переходит в режим токоограничения при токах в нагрузке, меньших пусковых токов. Уменьшение значения тока перегрузки обуславливает повышение КПД ключа,

-устройство исключает ложное срабатывание защиты при выбросах напряжения на нагрузке, что обуславливает повышение функциональной надежности ключа.

Устройство обеспечивает работу на нз- грузку с большой кратностью пускового и номинального токов с одновременным улучшением энергетических характеристик.

В режиме перегрузки и короткого замыкания устройство обеспечивает оперативный переход в режим токового ограничения.

Формула изобретения Оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, транзистор противоположной к фототранзистору оптрона проводимости, элемент односторонней проводимости и ппрвый, второй и третий резисторы, причем светоди- од оптрона соединен с входными выводами устройства, база фототрэнзистора оптрона через первый резистор соединена со второй шиной питания, а через элемент односторонней проводимости - с выходной шиной устройства, коллектор фототранзистора оптрона через второй резистор соединен с первой шиной питания, с которой соединен эмиттер транзистора, база которого соединена с коллектором фототранзистора оптрона, а коллектор - с выходной шиной устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и КПД, введены четвертый резистор, конденсатор и второй элемент односторонней проводимости, который соединен встречно-параллель- но б аза-эмиттерному переходу фототранзистора оптрона, а параллельно соединенные четвертый резистор и конденсатор через третий резистор включены между эмиттером фототранзистора оптрона и второй шиной питания.

Использование изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники. Сущность изобретения: устройство содержит 1 фототранзисторный оп- трон (1), транзистор (2), 4 резистора (5. 6, 7, 8), 2 элемента односторонней проводимости (3, 4), 1 конденсатор (9) 2 ил

foot

s

3

I

Фиг. 2