Контроллер нагрузки с защитой
Полезная модель относится к области электронной техники и предназначена для коммутации силовых цепей постоянного тока.
Особенностью контроллера является включение в его состав дополнительного коммутатора и узла гальванической развязки, а также, узла сравнения и узла защиты от перенапряжений. Введение новых узлов и организация связей позволяет повысить надежность контроллера и расширить область его применения.
Контроллер выполнен на основе современной элементной базы с использованием программируемой логической интегральной схемы 1 п.ф., 1 илл.
Заявляемая полезная модель относится к области электронной техники и предназначена для коммутации силовых цепей постоянного тока.
Известен контроллер нагрузки с защитой, содержащий: узел гальванической развязки, преобразователь напряжения, узел управления и защиты и коммутатор, (см. SPECIFICATIONS ARE SUBJEKT TO CHENGE WITHOUT NOTICE. ф.TELEDYNE RRLAYS, 2000, page 122.)
Недостатками данного контроллера являются ограниченные функциональные возможности и низкая надежность.
Известен также контроллер нагрузки с защитой, содержащий: буфер, узел гальванической развязки, преобразователь напряжения, узел управления и защиты и коммутатор, (см. ENGINERING DATA SHEET, ф. LEACH INTERNATIONAL.North America, Volume V - Solid StatePower Controller. page 20, date of issue: 10/9).
Недостатками данного контроллера являются ограниченная область применения, обусловленная невозможностью самостоятельного включения после аварийной ситуации.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели является контроллер, нагрузки с защитой (см. Патент на изобретение РФ 
2256281, МПК Н02М 3/08 публ. 2005 г., Бюл 19), содержащий буфер, узел управления и защиты, узел гальванической развязки, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, преобразователь напряжения, коммутатор, узел идентификации нагрузки
Данное устройство обеспечивает коммутацию силового напряжения постоянного тока под управлением сигналов, поступающих на информационный вход контроллера. Защита выхода контроллера от перегрузки или короткого замыкания (К.З.) работает следующим образом:
В узле идентификации нагрузки аналоговый сигнал, напряжение которого пропорционально величине тока нагрузки, со второго выхода коммутатора поступает в узел идентификации нагрузки, в котором преобразуется в последовательный цифровой код, который декодируется на сдвиговом регистре и выдается в узел управления и защиты, где сравнивается с базовыми кодами, определяющими пороги срабатывания защиты по перегрузке по току или К.З. При превышении порога снимается сигнал, отпирающий коммутатор и (или) вырабатываются сигналы состояния устройства.
Недостатком указанного устройства являются недостаточная оперативность, а, вследствие, и надежность защиты, обусловленные значительными временными затратами на преобразование значения аналогового сигнала, пропорционального величине тока нагрузки, в последовательный цифровой код, декодировки его на сдвиговом регистре и сравнении полученного многоразрядного двоичного числа с базовыми кодами в узле управления и защиты. За это время (в случае К.З. или превышения током нагрузки порогового значения) может произойти разрушение оборудования нагрузки. Узел идентификации нагрузки имеет также большой объем оборудования и сложную схему управления. Узел управления и защиты также усложнен из за необходимости анализировать в нем многоразрядные цифровые коды.
К недостаткам устройства можно также отнести отсутствие защиты от импульсных коммутационных перенапряжений и то, что в нем коммутируются только цепи потенциала «+» силового питания (цепи «+»), и нет возможности отключать цепи потенциала «-» силового питания (цепи «-»). Это снижает надежность устройства и исключает из области применения устройства объекты, требующие повышенной помехозащищенности и безопасности.
Технической задачей полезной модели является создание контроллера нагрузки с защитой, обладающего повышенной надежностью и имеющего широкую область применения.
Указанная задача решается за счет того, что в контроллер нагрузки с защитой, содержащий буфер, узел управления и защиты, узел гальванической развязки, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, коммутатор, введены второй узел гальванической развязки, второй коммутатор, узел сравнения и узел защиты от перенапряжения, причем шинные информационные входы узла управления и защиты, через буфер, соединены двунаправленными связями с внешней информационной шиной контроллера, второй выход узла управления и защиты соединен со входом второго узла гальванической развязки, выходы первого и второго узлов гальванической развязки соответственно соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов, силовые входы которых соответственно соединены с внешними силовыми входами «+» и «-» контроллера, выходы коммутаторов, через узел защиты от перенапряжения соответственно соединены с внешними силовыми выходами «+» и «-» контроллера, второй выход первого коммутатора соединен со входом узла сравнения, группа выходов состояния которого соединена со второй группой входов узла управления и защиты.
Введение узла сравнения со связями позволяет отказаться от сложного аналого-цифрового узла идентификации нагрузки, а также, значительно ускорить время срабатывания защиты, что приводит к повышению надежности контроллера.
Введение второго коммутатора и второго узла гальванической развязки со связями позволяет обеспечить коммутацию в устройстве не только цепей «+» силового питания, но и цепей «-», а введение узла защиты от перенапряжения со связями позволяет организовать защиту от импульсных коммутационных перенапряжений. Эти изменения состава и связей контроллера позволяют повысить надежность и значительно расширить область его применения для коммутации силовых цепей в объектах с повышенными требованиями к помехоустойчивости и безопасности.
Таким образом, введение новых узлов и организация новых связей позволяет создать контроллер нагрузки с защитой, обладающий более высокой надежностью, и имеющий широкую область применения. Сущность полезней модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема контроллера нагрузки.
На чертеже обозначены:
| 1 | - контроллер нагрузки с защитой; |
| 2 | - буфер; |
| 3 | - узел управления и защиты; |
| 4, 5 | - узлы гальванической развязки; |
| 6 | - узел сравнения; |
| 7, 8 | - коммутаторы; |
| 9 | - узел защиты от перенапряжения |
Указанные на чертеже узлы имеют следующее функциональное назначение:
- Буфер 2 предназначен для согласования уровней сигналов. Буфер реализован на базе двунаправленных магистральных элементов.
- Узел управления и защиты 3 является основным управляющим узлом контроллера, обеспечивающим прием команд информационной шины контроллера, включение и выключение (в том числе и аварийное) сигналов, управляющих коммутацией, а также выдачу в, информационную шину информации о состоянии контроллера. Узел 3 реализован на базе программируемой логической микросхемы (ПЛИС).
- Узлы гальванической развязки 4 и 5 предназначены для гальванической развязки управляющих сигналов узла 3 с отпирающими сигналами коммутаторов 7 и 8. Узлы гальванической развязки реализованы на базе оптопар.
- Узел сравнения 6 предназначен для непрерывного сравнения аналогового напряжения, пропорционального величине тока нагрузки, с заранее заданными напряжениями. Узел сравнения включает в себя группу аналоговых компараторов (для оперативного отслеживания значений тока нагрузки достаточно четырех компараторов, на первый вход которых поступает аналоговое напряжение с коммутатора 7, на вторые входы компараторов подаются эталонные напряжения с выходов формирователей напряжения. Формирователи представляют собой резисторные делители напряжения, на выходах которых, при помощи переменных резисторов, установлены значения напряжений, соответствующие пороговым значениям тока нагрузки. Выходы компараторов являются группой выходов состояния узла 6.
- Коммутаторы 7 и 8 соответственно обеспечивают коммутацию цепей «+» силового питания и цепей «-» силового питания. Коммутаторы реализованы на базе n-канальных полевых МОП транзисторов. В состав коммутатора 7 входит также датчик тока, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное величине выходного тока.
- Узел защиты от перенапряжения 9 предназначен для защиты от импульсных коммутационных перенапряжений. Узел 9 представляет собой ограничитель напряжения. Узел реализован на базе двух защитных диодов и диода Шотки.
На чертеже шинные информационные входы узла управления и защиты 3, через буфер 2, соединены двунаправленными связями с внешней информационной шиной контроллера, выходы узла управления и защиты 3, через узлы гальванической развязки 4 и 5, соответственно соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов 7 и 8, силовые входы которых соответственно соединены с внешними силовыми входами «+» и «-» контроллера, выходы коммутаторов 7 и 8, через узла защиты от перенапряжения 10, соответственно соединены с внешними силовыми выходами «+» и «-» контроллера, второй выход коммутатора 7 соединен со входом узла сравнения 6, группа выходов состояния которого соединена со второй группой входов узла управления и защиты 3.
Управляющие команды с внешней шины поступают через буфер 2 в узел управления и защиты 3, который в соответствии с полученной командой выдает управляющий сигнал на первый (4) или второй (5) узел гальванической развязки. Узлы гальванической развязки выдают отпирающие сигналы на первый (7) или второй (8) коммутаторы. На вход первого коммутатора 7 подается потенциал «+» с источника постоянного напряжения, на вход второго коммутатора 8 подается потенциал «-». Выходы первого и второго коммутаторов проходят через узел защиты от импульсных коммутационных перенапряжений 9, защищающий коммутаторы от перегрузки по напряжению в момент включения/отключения. Сигнал с выхода напряжения датчика тока, входящего в состав первого коммутатора 7, поступает на входы компараторов узла сравнения 6 и сравнивается с заданными на резисторных делителях напряжениями. На первом делителе устанавливается напряжение, соответствующее току К.З., на втором делителе - току перегрузки. На третьем и четвертом делителях устанавливаются напряжения, соответствующие значениям тока, критичным для данного объекта нагрузки, с которым работает контроллер. Сигналы с выходов компараторов узла 6 определяют состояние тока нагрузки контроллера. Эти сигналы поступают на вторую группу входов узла управления и защиты 3, где проводится их анализ и выдача кода состояния контроллера на внешнюю информационную шину. При появлении единичных сигналов с выходов сравнения первого или второго компараторов, в узле 3 автоматически снимаются управляющие сигналы, что приводит к отключению отпирающих сигналов коммутаторов 7 и 8.
Контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел управления и защиты, узел гальванической развязки, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, коммутатор, отличающийся тем, что в него введены второй узел гальванической развязки, второй коммутатор, узел сравнения и узел защиты от перенапряжения, причем шинные информационные входы узла управления и защиты через буфер соединены двунаправленными связями с внешней информационной шиной контроллера, второй выход узла управления и защиты соединен со входом второго узла гальванической развязки, выходы первого и второго узлов гальванической развязки соответственно соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов, силовые входы которых соответственно соединены с внешними силовыми входами «+» и «-» контроллера, а выходы через узел защиты от перенапряжения соответственно соединены с внешними силовыми выходами «+» и «-» контроллера, второй выход первого коммутатора соединен со входом узла сравнения, группа выходов состояния которого соединена со второй группой входов узла управления и защиты.
