Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа предназначен для коммутации силовых цепей постоянного тока в бесконтактных коммутирующих устройствах, контроллерах нагрузки и электронных реле времени.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении надежности за счет осуществления защиты от перегрева, оперативного контроля режимов работы коммутатора напряжения, подключения блока нагрузки, как к положительной, так и к отрицательной шине источника напряжения питания, применения в качестве датчика тока безындукционных низкоомных резисторов.

Для этого в известный коммутатор напряжения, который содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, первый релейный элемент, задатчик порога срабатывания первого релейного элемента, интегрирующее звено, первый и второй источники напряжения питания, дополнительно введены датчик температуры, второй релейный элемент, задатчик порога срабатывания второго релейного элемента, элементы НЕ и ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом, делитель напряжения, индикатор, развязывающий диод, токоограничительный резистор и блок гальванической развязки.

Датчик температуры и второй релейный элемент через элемент ИЛИ-НЕ выключают электронный ключ при повышении температуры коммутатора выше критической. Блок гальванической развязки позволяет подключать блок нагрузки, как к положительной, так и к отрицательной шине питания первого источника напряжения питания. Индикатор позволяет осуществлять оперативный контроль режимов работы коммутатора напряжения. Первый релейный элемент через интегрирующее звено и элемент ИЛИ-НЕ выключает электронный ключ при наличии перегрузки по току, как в переходном, так и в установившемся режиме.

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока с защитой от перегрузки по току и перегреву электронного ключа в бесконтактных коммутирующих устройствах (БКУ) и электронных реле времени.

Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1], содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, первый и второй релейные элементы, триггер, одновибратор, элемент И и элемент ИЛИ.

Недостаток известного устройства состоит в том, что во многих случаях при отказах возрастает ток в нагрузке и становится больше номинального значения, но меньше тока, при котором происходит выключение электронного ключа и отключение блока нагрузки от источника напряжения питания. При возрастании тока нагрузки увеличивается напряжение на открытом электронном ключе, тем самым увеличивается мощность, выделяемая в коммутаторе, что приводит к его разогреву до температуры, при которой происходит разогрев и разрушение транзистора электронного ключа.

Это устройство не осуществляет отключение нагрузки от источника напряжения питания при перегреве электронного ключа, что снижает надежность коммутатора напряжения.

Другим недостатком известного устройства является то, что коммутатор напряжения имеет хорошие точностные характеристики при регистрации тока перегрузки только при использовании в качестве датчика тока датчика Холла. Отечественный датчик Холла, применяемый в качестве датчика тока, имеет высокую стоимость, большие габариты и массу и узкий температурный диапазон, что во многих случаях является неприемлемым.

Третий недостаток известного устройства состоит в том, что блок нагрузки может быть подключен только к положительной шине питания, что снижает его функциональные возможности.

Еще одним недостатком известного устройства является отсутствие информации о нормальном и аварийных режимах работы коммутатора напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току [2]. Известный коммутатор напряжения содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки, логический элемент ИЛИ, триггер, релейный элемент, задатчик порога срабатывания релейного элемента, интегрирующее звено, первый и второй источники напряжения.

Недостаток известного устройства состоит в том, что в качестве датчика тока используется датчик Холла, кроме того, отсутствуют защита от перегрева коммутатора напряжения и информация о нормальном и аварийном режимах его работы, а подключение блока нагрузки возможно только к положительной шине питания источника напряжения.

Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей и повышение надежности за счет осуществления защиты от перегрева, оперативного контроля режимов работы коммутатора напряжения, подключение блока нагрузки как к положительной, так и к отрицательной шине источника напряжения питания, применения в качестве датчика тока безындукционных низкоомных резисторов.

Для решения поставленной задачи в коммутатор напряжения, содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки, первый релейный элемент, задатчик порога срабатывания первого релейного элемента, интегрирующее звено, первый и второй источники напряжения питания, дополнительно введены датчик температуры, который представляет собой двухполюсник, состоящий из трех последовательно соединенных резисторов и кремниевого транзистора, второй релейный элемент, задатчик порога срабатывания второго релейного элемента, элементы НЕ и ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом, делитель напряжения, индикатор, развязывающий диод, токоограничительный резистор и блок гальванической развязки, на входы которого подается напряжение управления, а первый выход которого через токоограничительный резистор соединен с затвором электронного ключа и выходом элемента ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с входом элемента НЕ и выходом интегрирующего звена, вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, второй вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом второго релейного элемента, неинвертирующий вход которого соединен с задатчиком порога срабатывания второго релейного элемента, а инвертирующий вход подключен к эмиттеру кремниевого транзистора, выводам первого и второго резисторов датчика температуры и к выводу коммутатора напряжения, на котором формируется напряжение, пропорциональное температуре электронного ключа, причем, база кремниевого транзистора подключена к

точке соединения второго и третьего резисторов, а коллектор кремниевого транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора датчика температуры, с выводом второго резистора задатчика порога срабатывания второго релейного элемента и отрицательной шиной второго источника напряжения питания, а первый вывод первого резистора датчика температуры подключен к первому выводу первого резистора задатчика порога срабатывания второго релейного элемента и к положительной шине второго источника напряжения питания, выход элемента НЕ соединен с инвертирующим входом первого релейного элемента и выходом задатчика порога срабатывания первого релейного элемента, а неинвертирующий вход первого релейного элемента подключен к точке соединения первого и второго резисторов делителя напряжения, причем, второй вывод первого резистора делителя напряжения подключен к положительной шине второго источника напряжения питания, а второй вывод второго резистора делителя напряжения через датчик тока соединен с отрицательной шиной второго источника напряжения питания и вторым выходом блока гальванической развязки, а индикатор через развязывающий диод соединен со стоком электронного ключа.

На фиг.1 приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа. На блок-схеме и далее по тексту обозначены: 1 - датчик тока нагрузки, 2 - электронный ключ, 3 - блок нагрузки, 4 - первый релейный элемент, 5 - задатчик порога срабатывания первого релейного элемента, 6 - интегрирующее звено, 7 - первый источник напряжения питания, 8 - второй источник напряжения питания, 9 - датчик температуры, 10, 11, 12 - соответственно первый, второй, третий резисторы датчика температуры, 13 - кремниевый транзистор датчика температуры, 14 - задатчик порога срабатывания второго релейного элемента, 15, 16 - соответственно первый и второй резисторы задатчика порога срабатывания второго релейного элемента, 17 - второй релейный элемент, 18 - элемент ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом, 19 - элемент НЕ с открытым коллекторным выходом, 20 - токоограничительный резистор, 21 - блок гальванической развязки, 22 - делитель напряжения, 23, 24 - первый и второй резисторы делителя напряжения, 25 - развязывающий диод, 26 - индикатор, 27, 28 - входы включения коммутатора, 29 - выход, на котором формируется напряжение, пропорциональное температуре электронного ключа коммутатора, 30 - вход коммутатора «Сброс перегрузки»; U_ком - коммутируемое напряжение первого источника напряжения питания 7, Е - напряжение второго источника напряжения питания 8, U_in - входные сигналы включения/выключения, U₁ - напряжение на инвертирующем входе первого релейного

элемента 4, U _j - напряжение на неинвертирующем входе первого релейного элемента 4, U/°С - напряжение на инвертирующем входе второго релейного элемента 17 и выходе 29 коммутатора, U ₂ - напряжение на неинвертирующем входе второго релейного элемента, I_nj - ток перегрузки, I _n - номинальный ток нагрузки коммутатора, R _ш - сопротивление датчика тока 1, Т°С - температура в нормальных климатических условиях, Т_кр °С - температура, при которой происходит отключение электронного ключа 2.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току выполнен следующим образом.

Датчик тока нагрузки 1, электронный ключ 2 и блок нагрузки 3 соединены последовательно и подключены к первому источнику напряжения питания 7, причем, блок нагрузки 3 может быть подключен как к положительной, так и к отрицательной шине первого источника напряжения питания 7. Задатчик порога срабатывания первого релейного элемента 5 соединен с инвертирующим входом первого релейного элемента 4, выход которого через интегрирующее звено 6 соединен с входом элемента НЕ с открытым коллекторным выходом 19, с входом коммутатора «Сброс перегрузки» 30 и первым входом элемента ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом 18, а выход элемента НЕ 19 соединен с инвертирующим входом первого релейного элемента 4. Неинвертирующий вход первого релейного элемента 4 подключен к точке соединения первого 23 и второго 24 резисторов делителя напряжения 22 и к истоку транзистора электронного ключа 2 и датчику тока 1. Второй вывод первого резистора 23 делителя напряжения 22 подключен к положительной шине второго источника питания 8, а второй вывод второго резистора 24 делителя напряжения 22 соединен с отрицательной шиной второго источника питания 8, конденсатором интегрирующего звена 6, датчиком тока 1 и вторым выводом блока гальванической развязки 21, эмиттером кремниевого транзистора 13, третьим резистором 12 датчика температуры 9 и вторым резистором 16 задатчика порога срабатывания второго релейного элемента 17.

Датчик температуры 9 представляет собой двухполюсник, состоящий из кремниевого транзистора 13 и последовательно соединенных резисторов 10, 11, 12.

База кремниевого транзистора 13 датчика температуры 9 подключена к точке соединения второго 11 и третьего 12 резисторов, эмиттер кремниевого транзистора 13 соединен с первым 10, вторым 11 резисторами датчика температуры 9 и инвертирующим входом второго релейного элемента 17, неинвертирующий вход которого соединен с первым 15 и вторым 16 резисторами задатчика порога срабатывания второго релейного элемента 14. Выход второго релейного элемента 17 соединен со вторым входом элемента

ИЛИ-НЕ 18, выход которого соединен с входом электронного ключа 2 и через токоограничительный резистор 20 соединен с первым выходом блока гальванической развязки 21. Индикатор 26 через развязывающий диод 25 соединен со стоком электронного ключа 2.

На фиг.1 приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Вместе с тем элементы устройства могут иметь непринципиальные отличия.

Датчик тока 1 выполнен с использованием низкоомных, порядка (1-2) мОм, безындукционных резисторов. Блок нагрузки 3 может иметь как емкостные, так и индуктивные составляющие. В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы транзисторы, светодиоды, оптроны, импульсные трансформаторы. В качестве релейных элементов 4, 17 могут быть использованы компараторы серии Б521СА3. Блок гальванической развязки 21 может быть выполнен по принципу оптоэлектронной или трансформаторной развязки.

Первый источник напряжения питания 7 является силовым источником для блока нагрузки 3. Его номинальное напряжение и ток зависят от типа аппаратуры, в которой применяется предлагаемое устройство, например, U_ком=(1-130) В, I _n=(1-20) А.

Второй источник напряжения питания 8 служит для питания элементов устройства и задатчиков порога срабатывания 5, 14 первого 4 и второго 17 релейных элементов. Его напряжение определяется типами примененных элементов и составляет, например, 9 В.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа работает следующим образом.

После подачи напряжений питания U_ком и Е устройство приводится в исходное (выключенное) состояние. В исходном состоянии ток через резистор R1 задатчика порога срабатывания первого релейного элемента 5 создает на инвертирующем входе первого релейного элемента 4 запирающее напряжение U₁ , которое определяется по формуле:

где R₁, R₂ - сопротивления резисторов R1 и R2 задатчика порога срабатывания первого релейного элемента 5.

Так как сопротивление R _ш датчика тока 1 составляет порядка (1-2) мОм, то даже при большом токе нагрузки I_n на нем формируется напряжение порядка (0,04-0,1) мВ. В качестве релейных элементов 4, 17 в предлагаемом устройстве применяются компараторы Б521СА3, которые могут работать с низкими входными напряжениями, находящимися

практически на потенциале нуля. Измерять малые изменения напряжения с достаточной точностью очень сложно, здесь вмешиваются шумы, помехи и нестабильность питающего напряжения. Поэтому, чтобы фиксировать небольшие изменения напряжения с достаточной точностью, необходимо «поднять» потенциал неинвертирующего входа первого релейного элемента 4 на более высокий уровень. Для этого в предлагаемое устройство введен делитель напряжения 22 с первым 23 и вторым 24 резисторами, в этом случае напряжение U _j на неинвертирующем входе первого релейного элемента 4 определяется сопротивлениями R₃ первого 23 и R₄ второго 24 резисторов делителя напряжения 22, сопротивлением R_ш датчика тока 1 и рассчитывается по формуле:

Напряжение U₁ превышает напряжение U_j на величину U=I_нj·R_ш .

Так как напряжение U₁ на инвертирующем входе первого релейного элемента 4 больше напряжения U _j, то на выходе первого релейного элемента 4 и на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 формируется сигнал «логический 0».

В исходном состоянии, когда электронный ключ 2 закрыт, температура внутри корпуса коммутатора равна температуре окружающей среды Т°С. Датчик температуры 9 представляет собой двухполюсник, состоящий из кремниевого n-р-n или р-n-р транзистора 13 и трех последовательно соединенных резисторов 10, 11 12. Напряжение на выходе датчика температуры 9 и на инвертирующем входе второго релейного элемента 17 определяется по формуле:

где Т_cvd - температурный коэффициент одного р-n перехода кремниевого транзистора, равный, примерно, - 2,3 мВ/°С;

R₅, R ₆, R₇ - сопротивления резисторов R5-R7 датчика температуры 9.

В формуле (3) первое слагаемое задает значение напряжения на выходе датчика температуры 9 и выводе 29 коммутатора, пропорциональное нормальной температуре окружающей среды Т°С.

Выражение определяет изменение напряжения на выходе датчика температуры 9 при изменении температуры датчика на 1°С.

Выражение определяет изменение напряжения на выходе датчика температуры 9 при изменении температуры эксплуатации коммутатора напряжения от Т°С до Т_кр°С, при которой происходит отключение электронного ключа 2.

Так как в исходном состоянии Т°С и Т_кр°С равны, то второе слагаемое в формуле (3) будет равно нулю.

Напряжение U₂ на неинвертирующем входе второго релейного элемента 17 задается задатчиком порога срабатывания второго релейного элемента 14 и определяется по формуле:

где R₈, R₉ - сопротивления R8, R9 задатчика порога срабатывания второго релейного элемента 14.

По абсолютной величине, напряжение U₂ меньше напряжения U/°С на величину

Так как напряжение U/°С на инвертирующем входе второго релейного элемента 17 больше напряжения U ₂, то на выходе второго порогового элемента 17 и выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 формируется сигнал «логический 0», который удерживает электронный ключ 2 в выключенном состоянии.

По сигналу U_in=1, подаваемому на входы 27, 28 коммутатора напряжения, блок гальванической развязки формирует напряжение, которое открывает электронный ключ 2 через токоограничительный резистор 20. Электронный ключ 2 замыкает цепь питания блока нагрузки.

Так как входное напряжение U_in гальванически развязано с напряжением U_ком первого источника напряжения питания 7 и отрицательная шина второго источника напряжения питания 8 подключена к выходу датчика тока 1, то блок нагрузки 3 можно подключать как к положительной, так и к отрицательной шине первого источника напряжения питания 7.

Если ток нагрузки I_n в момент включения находился в заданных пределах, то напряжение U_j, определяемое по формуле (2), на неинвертирующем входе первого

релейного элемента 4, поступающего с датчика тока 1, меньше напряжения U₁ и первый релейный элемент 4 остается в исходном состоянии, на его выходе «логический 0». Блок нагрузки 3 включен. Однако, если ток нагрузки I_n в момент ее включения будет больше или равен току перегрузки I_nj и напряжение U_j превысит напряжение U₁, то первый релейный элемент 4 срабатывает и на его выходе формируется сигнал «логическая 1», который через интегрирующее звено 6 поступает на вход элемента НЕ 19 и элемента ИЛИ-НЕ 18. Транзистор элемента ИЛИ-НЕ 18 открывается и выключает электронный ключ 2. Блок нагрузки 3 отключается от первого источника напряжения питания 7. Устройство автоматически отключает блок нагрузки, если ток превышает предельно допустимое значение на момент начала переходного процесса. Одновременно с этим открывается транзистор элемента НЕ 19 и шунтирует инвертирующий вход первого релейного элемента 4, устанавливая на нем напряжение U₁=0. Напряжение U_j , определяемое делителем напряжения 22, становится больше напряжения U₁ и надежно удерживает первый релейный элемент 4 во включенном состоянии. Выключение режима перегрузки производится по входу 30 «Сброс перегрузки» коммутатора сигналом «логический 0».

Интегрирующее звено 6 с постоянной времени, определяемой резистором R и емкостью С, не пропускает короткие импульсы напряжения, определяемые емкостным характером нагрузки в момент включения, если длительность этих импульсов меньше постоянной интегрирующего звена 6, то есть задержка выключения электронного ключа 2 определяется резистором R и емкостью С интегрирующего звена 6. Изменяя емкость конденсатора, всегда можно подобрать задержку выключения электронного ключа 2 при токе перегрузки I_nj в зависимости от характера нагрузки, его емкостной составляющей и тока нагрузки.

Если в установившемся режиме произойдет увеличение тока нагрузки I_n до значения тока I_nj (например, из-за отказа блока нагрузки 3) и напряжение U_j превысит заданное значение U₁, то первый релейный элемент 4 сработает и своим выходным сигналом включит транзистор элемента ИЛИ-НЕ 18, который в свою очередь закроет электронный ключ 2, а через элемент НЕ 19 установит на инвертирующем входе первого релейного элемента 4 U₁=0 и надежно заблокирует первый релейный элемент 4.

Так как пороговое напряжение U₁ определяется выражением (1), то, изменяя сопротивление R2 задатчика порога срабатывания первого релейного элемента 5, можно

перестраивать пороги защиты в момент включения и в установившемся режиме блока нагрузки 3, всегда сохраняя заданный запас защиты от перегрузки.

Если в процессе работы коммутатора напряжения ток нагрузки превысит значение I_n, но не достигнет значение I _nj, при котором происходит выключение электронного ключа 2, то увеличится падение напряжения на открытом электронном ключе 2. При повышенном токе нагрузки и повышенном остаточном напряжении на открытом электронном ключе 2 увеличится мощность, выделяемая на электронном ключе 2. Температура его начнет повышаться, следовательно, напряжение U/°С на инвертируемом входе второго релейного элемента 17 начнет уменьшаться, и когда оно станет меньше напряжения U₂, поступающего на неинвертирующий вход второго релейного элемента 17, на выходе второго релейного элемента 17 установится сигнал «логическая 1». Этот сигнал откроет транзистор элемента ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом 18 и закроет электронный ключ 2. После выключения электронного ключа 2 температура его начнет уменьшаться, и начнет увеличиваться напряжение U/°С. Когда напряжение станет больше U₂, второй релейный элемент 17 выключится, при этом включится электронный ключ 2. Процесс выключения/включения электронного ключа 2 будет продолжаться до тех пор, пока температура электронного ключа не уменьшится до оптимальной температуры эксплуатации коммутатора или не будет устранена причина повышения температуры электронного ключа 2.

Конструктивно кремниевый транзистор 13 датчика температуры 9 устанавливается на корпус транзистора электронного ключа 2, если в качестве электронного ключа используется корпусной транзистор, или рядом с кристаллом, если используется бескорпусной транзистор.

Индикатор 26, представляющий собой, например, светодиод, будет находиться во включенном состоянии, когда электронный ключ 2 будет открыт, развязывающий диод 25 также будет находиться в открытом состоянии. Когда электронный ключ 2 закрывается, развязывающий диод 25 запирается напряжением U_ком первого источника напряжения питания 7, и светодиод индикатора 26 выключается.

Таким образом, введение индикатора 26 в предлагаемое устройство позволит контролировать режимы работы коммутатора напряжения. Если после подачи входного напряжения U_in на блок гальванической развязки 21 светодиод индикатора находится во включенном состоянии, то это означает, что коммутатор напряжения функционирует нормально. Если в процессе работы коммутатора напряжения светодиод индикатора 26

выключается, значит, увеличился ток нагрузки I_n до значения I _nj, при котором произошло отключение электронного ключа 2.

Если в процессе работы коммутатора напряжения светодиод индикатора 26 периодически выключается и включается, значит, температура электронного ключа повысилась до T _кр°С.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое техническое решение расширяет функциональные возможности и повышает надежность коммутатора напряжения за счет осуществления защиты от перегрева электронного ключа 2, оперативного контроля режимов работы коммутатора, подключения блока нагрузки 3 как к положительной, так и отрицательной шинам первого источника напряжения питания 7, введения гальванической развязки, применения в качестве датчика тока 1 безындукционных низкоомных резисторов.

Литература

1. Патент RU 2208291, Н03к 17/08, опубликовано 10.07.2003 г.

2. Патент RU 2240647, Н03к 17/08, опубликовано 20.11.2004 г.

Коммутатор с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа, содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ и блок нагрузки, первый релейный элемент, задатчик порога срабатывания первого релейного элемента, интегрирующее звено, первый и второй источники напряжения питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик температуры, представляющий собой двухполюсник, состоящий из трех последовательно соединенных резисторов и кремниевого транзистора, второй релейный элемент, задатчик порога срабатывания второго релейного элемента, элементы НЕ и ИЛИ-НЕ с открытым коллекторным выходом, делитель напряжения, индикатор, развязывающий диод, токоограничительный резистор и блок гальванической развязки, на входы которого подается напряжение управления, а первый выход которого через токоограничительный резистор соединен с затвором электронного ключа и выходом элемента ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с входом элемента НЕ и выходом интегрирующего звена, вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, второй вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом второго релейного элемента, неинвертирующий вход которого соединен с задатчиком порога срабатывания второго релейного элемента, а инвертирующий вход подключен к эмиттеру кремниевого транзистора, выводам первого и второго резисторов датчика температуры и к выводу коммутатора напряжения, на котором формируется напряжение, пропорциональное температуре электронного ключа, причем база кремниевого транзистора подключена к точке соединения второго и третьего резисторов датчика температуры, а коллектор кремниевого транзистора соединен со вторым выводом третьего резистора датчика температуры, с выводом второго резистора задатчика порога срабатывания второго релейного элемента и отрицательной шиной второго источника напряжения питания, а первый вывод первого резистора датчика температуры подключен к первому выводу первого резистора задатчика порога срабатывания второго релейного элемента и к положительной шине второго источника напряжения питания, выход элемента НЕ соединен с инвертирующим входом первого релейного элемента и выходом задатчика порога срабатывания первого релейного элемента, а неинвертирующий вход первого релейного элемента подключен к точке соединения первого и второго резисторов делителя напряжения, причем второй вывод первого резистора делителя напряжения подключен к положительной шине второго источника напряжения питания, а второй вывод второго резистора делителя напряжения через датчик тока соединен с отрицательной шиной второго источника напряжения питания и вторым выходом блока гальванической развязки, а индикатор через развязывающий диод соединен со стоком электронного ключа.