Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току
Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току, предназначено для коммутации силовых цепей постоянного тока в бесконтактных коммутирующих устройствах, контроллерах нагрузки, электронных реле времени и т.д. Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей электронного реле с трансформаторной развязкой за счет осуществления защиты реле от перегрузки по току, как в переходном процессе при включении нагрузки, так и в установившемся режиме, а также за счет возможности регулирования параметров защиты в зависимости от параметров нагрузки. Для решения поставленной задачи в электронное реле с трансформаторной развязкой, содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, конденсатор фильтра и электронный ключ на транзисторе дополнительно введены конденсатор фильтра, резистор разряда, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелка», состоящая из n-p-n и p-n-p транзисторов и нагрузочного резистора. Время защиты от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости интегрирующего звена. Порог срабатывания защиты можно перестраивать, изменяя сопротивление в задатчике релейного элемента.
Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутационных устройствах с гальванической развязкой и с защитой от перегрузки по току.
Известно электронное реле с трансформаторной развязкой, содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, конденсатор фильтра и электронный ключ на транзисторе [1].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является электронное реле с гальванической развязкой, содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, токоограничительный резистор, резистор разряда и электронный ключ на МОП транзисторе [2].
Отсутствие защиты от перегрузки по току является существенным недостатком известных устройств, так как при превышении тока в нагрузке сверх допустимого, например, из-за отказа источника питания, транзисторы электронного ключа или нагрузка могут выйти из строя.
Второй существенный недостаток известных устройств заключается в том, что эти устройства не отключают нагрузку от источника напряжения, что во многих случаях является недопустимым из-за большой вероятности выдачи отказавшими устройствами ложных сигналов или команд.
Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей электронного реле с трансформаторной развязкой за счет осуществления защиты реле от перегрузки по току, как в переходном процессе при включении нагрузки, так и в установившемся состоянии, а также за счет возможности регулирования параметров защиты в зависимости от параметров нагрузки.
Для достижения указанного выше технического результата в электронное реле, содержащее генератор импульсов, импульсный
трансформатор, выпрямительный диод, резистор разряда, электронный ключ на МОП транзисторе, входные и выходные выводы, причем входные выводы реле являются входами питания генератора импульсов, выход которого соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с анодом выпрямительного диода, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с первым выводом резистора разряда и вторым выходом реле, первый выход реле соединен со стоком МОП транзистора электронного ключа, а катод выпрямительного диода соединен со вторым выводом резистора разряда, дополнительно введены конденсатор фильтра, токоограничительный резистор, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелка», состоящая из n-p-n и p-n-p транзисторов и нагрузочного резистора, причем датчик тока нагрузки первым своим выводом соединен с истоком МОП транзистора электронного ключа, а вторым выводом соединен со вторым выходом реле, вторым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, первым выводом конденсатора фильтра, резистора разряда, задатчика релейного элемента и интегрирующего звена, эмиттером n-p-n транзистора «защелки», отрицательной шиной источника стабилизированного напряжения, отрицательной шиной релейного элемента, первым входом источника стабилизированного напряжения, второй вход которого соединен со вторым выводом конденсатора фильтра и резистора разряда, катодом выпрямительного диода и первым выводом токоограничительного резистора, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа, а выход источника стабилизированного напряжения соединен со вторым выводом задатчика релейного элемента, положительной шиной питания релейного элемента и операционного усилителя, входы которого подключены к выводам датчика тока нагрузки, а выход - к неинвертирующему входу релейного элемента, инвертирующий вход
которого подключен к выходу задатчика релейного элемента, выход релейного элемента через интегрирующее звено соединен с базой n-p-n и коллектором p-n-p транзисторов «защелки», причем коллектор n-p-n транзистора соединен с первым выводом нагрузочного резистора и базой p-n-p транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом нагрузочного резистора «защелки», затвором МОП транзистора электронного ключа и вторым выводом токоограничительного резистора.
На фиг.1 изображена блок-схема электронного реле с трансформаторной развязкой с защитой от перегрузки по току, при этом на фиг.1 и далее в тексте обозначены:
1 - электронный ключ;
2 - генератор импульсов;
3 - импульсный трансформатор;
4 - выпрямительный диод;
5 - токоограничительный резистор;
6, 7 - входные выводы реле;
8, 9 - выходные выводы реле;
10 - конденсатор фильтра;
11 - резистор разряда;
12 - источник стабилизированного напряжения;
13 - датчик тока нагрузки;
14 - операционный усилитель;
15 - релейный элемент;
16 - задатчик релейного элемента;
17 - интегрирующее звено;
18 - «защелка»;
19 - p-n-p транзистор;
20 - n-p-n транзистор;
21 - нагрузочный резистор;
22 - первичная обмотка импульсного трансформатора;
23 - вторичная обмотка импульсного трансформатора;
Uупр - управляющее напряжение;
±Uком - коммутируемое напряжение;
Свх - входная емкость МОП транзистора электронного ключа;
Iнагр - ток нагрузки.
Электронное реле с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки по току выполнено следующим образом.
Входные выводы реле 6, 7 являются входами питания генератора импульсов 2, выход которого соединен с первичной обмоткой 22 импульсного трансформатора 3. Первый вывод вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3 соединен с анодом выпрямительного диода 4. Катод выпрямительного диода 4 через токоограничительный резистор 5 соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа 1, сток которого является первым выходом реле 8.
Датчик тока нагрузки 13, первым своим выводом соединен с истоком МОП транзистора электронного ключа 1, а вторым выводом соединен со вторым выходом реле 9, вторым выводом вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, первыми выводами конденсатора фильтра 10, резистора разряда 11, задатчика релейного элемента 16, интегрирующего звена 17, эмиттером n-p-n транзистора 20 «защелки» 18, отрицательной шиной питания операционного усилителя 14 и релейного элемента 15 и первым входом источника стабилизированного напряжения 12. Второй вход источника стабилизированного напряжения 12 соединен со вторыми выводами конденсатора фильтра 10, резистора разряда 11, катодом выпрямительного диода 4 и первым выводом токоограничительного резистора 5, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа 1. Выход источника стабилизированного напряжения 12 соединен со вторым выводом задатчика релейного элемента 16,
положительной шиной питания релейного элемента 15 и операционного усилителя 14, входы которого подключены к выводам датчика тока нагрузки 13, а выход - к неинвертирующему входу релейного элемента 15, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика релейного элемента 16. Выход релейного элемента 15 через интегрирующее звено 17 соединен с базой n-p-n 20 и коллектором p-n-p 19 транзисторов «защелки» 18, причем коллектор n-p-n транзистора 20 соединен с первым выводом нагрузочного резистора 21 и базой p-n-p транзистора 19, эмиттер которого соединен со вторым выводом нагрузочного резистора 21 «защелки» 18, затвором МОП транзистора электронного ключа 1 и вторым выводом токоограничительного резистора 5.
На фиг.1 приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь непринципиальные отличия. Так, датчик тока нагрузки 13 может быть выполнен с использованием низкоомных, порядка (1-2) мОм безиндуктивных резисторов, задатчик порога срабатывания 16 релейного элемента 15 может иметь два (R1, R2) резистора или потенциометр. Вместо интегрирующего звена 17 в виде простейшей R3C1 цепочки могут использоваться двухзвенные.
В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы серийные микросхемы, например, микросхемы серии 1467 для реализации операционного усилителя 14 и релейного элемента 15, 142ЕР2Н4ИМ для источника стабилизированного напряжения. В качестве импульсного трансформатора 3 могут быть использованы трансформаторы типа ТИИ4. Генератор импульсов 2 может быть выполнен на микросхемах типа 1526ЛН2 по схеме, приведенной в прототипе, или по другой схеме на КМОП-микросхемах.
Электронное реле с трансформаторной развязкой с защитой от перегрузки по току работает следующим образом.
После подачи на входные выводы реле 6, 7 управляющего напряжения Uупр генератор 2 формирует прямоугольные импульсы, которые с его выхода поступают на первичную обмотку 22 импульсного трансформатора 3. На вторичной обмотке 23 импульсного трансформатора 3 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются выпрямительным диодом 4 и фильтруются конденсатором фильтра 10. Положительное напряжение с конденсатора фильтра 10 подается на входы источника стабилизированного напряжения 12. С выхода источника стабилизированного напряжения 12 напряжение поступает на положительные шины питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15 и на второй вывод задатчика релейного элемента 16, первый вывод которого соединен с отрицательной шиной питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15 и первым выводом конденсатора фильтра 10, вторым выводом вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, первым выводом резистора разряда 11, вторым выводом датчика тока нагрузки 13, первым выводом задатчика релейного элемента 16, первым выводом конденсатора интегрирующего звена 17 и эмиттером транзистора 20 «защелки» 18. Ток через резистор R1 задатчика порога срабатывания релейного элемента 16 создает на инвертирующем входе релейного элемента 15 (на резисторе R2) запирающее напряжение.
Одновременно с этим отфильтрованное конденсатором фильтра 10 напряжение через токоограничительный резистор 5 заряжает входную емкость МОП транзистора электронного ключа 1.
После заряда входной емкости Свх выше порогового напряжения МОП транзистора, электронный ключ 1 переходит во включенное состояние, создавая низкое сопротивление для протекания тока нагрузки I нагр через открытый МОП транзистор.
При протекании тока нагрузки Iнагр через открытый МОП транзистор электронного ключа 1 и последовательно соединенный с ним датчик тока
нагрузки 13, на последнем создается падение напряжения, пропорциональное току нагрузки I нагр. Это напряжение, составляющее единицы милливольт, поступает на вход операционного усилителя 14, усиливается им и с его выхода поступает на неинвертирующий вход релейного элемента 15.
Напряжение, поступающее на инвертирующий вход релейного элемента 15 с выхода задатчика релейного элемента 16, задает максимальный ток нагрузки Iнагр реле, при котором происходит отключение МОП транзистора электронного ключа 1.
Если в какой-то момент времени или в момент включения реле ток не превысит предельного значения, то релейный элемент 15 остается в состоянии, когда на его выходе сигнал лог. «0», который через интегрирующее звено 17 поступает на базу n-p-n транзистора 20 «защелки» 18 и сохраняет состояние «защелки» как выключенное.
Если в какой-то момент времени или в момент включения реле ток нагрузки Iнагр превысит заданное для реле значение, при котором срабатывает защита от перегрузки, то на выходе операционного усилителя 14 сформируется напряжение, превышающее напряжение с выхода задатчика релейного элемента 16. На выходе релейного элемента 15 формируется сигнал лог. «1», который через интегрирующее звено 17 поступает на базу n-p-n транзистора 20 «защелки» 18 и открывает его. Через открытый n-p-n транзистор 20 по цепи коллектор-эмиттер база p-n-p транзистора 19 подключается к отрицательной шине питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15, к выходному выводу реле 9 (-U ком), второму выводу вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, первому выводу конденсатора фильтра 10, резистора разряда 11, задатчика релейного элемента 16 и интегрирующего звена 17.
Через открытые n-p-n транзистор 20, p-n-p транзистор 19 «защелки» 18 затвор МОП транзистора электронного ключа 1 подключается к отрицательной шине - Uком (вывод 9) и электронный ключ закрывается.
Открытое состояние транзисторов 19, 20 «защелки» 18 сохраняется и после выключения МОП транзистора электронного ключа 1, надежно удерживая МОП транзистор электронного ключа 1 в выключенном состоянии.
Изменяя сопротивление R2 в задатчике релейного элемента 16 можно перестраивать пороги защиты, как во время включения, так и в установившемся режиме нагрузки, всегда сохраняя заданный запас защиты от перегрузки.
Время срабатывания защиты от перегрузки от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости конденсатора С1 интегрирующего звена 17, следовательно, емкость С1 интегрирующего звена 17 фильтрует и не пропускает на вход «защелки» 18 короткие сигналы помехи, возникающие при включении нагрузки.
Выключение реле, как в режиме перегрузки реле, так и в номинальном режиме производится отключением управляющего напряжения Uупр от входных выводов реле 6, 7. Генератор импульсов 2 выключается, конденсатор фильтра 10 плавно разряжается через резистор разряда 11, а входная емкость Свх - через резистор разряда 11 и токоограничительный резистор 5, тем самым исключаются выбросы в нагрузке при выключении реле.
По сравнению с известным реле с трансформаторной развязкой [2] предлагаемое техническое решение расширяет функциональные возможности электронного реле за счет осуществления защиты от перегрузки по току, как в переходном режиме при подключении нагрузки к реле, так и в установившемся режиме.
Время защиты от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости С1 интегрирующего звена 17.
Порог срабатывания защиты можно перестраивать, изменяя сопротивление R2 в задатчике релейного элемента 16.
Литература
[1] Патент США №4346375 G08 21/00 от 24.08.1982 г.
[2] Патент РФ на полезную модель №74021 от 01.02.2008 г.
Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току, содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, резистор разряда, электронный ключ на МОП транзисторе, входные и выходные выводы, причем входные выводы являются входами питания генератора импульсов, выходы которого соединены с первичной обмоткой импульсного трансформатора, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с анодом выпрямительного диода, второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с первым выводом резистора разряда и вторым выходом реле, первый выход реле соединен со стоком МОП транзистора электронного ключа, а катод выпрямительного диода соединен со вторым выводом резистора разряда, отличающееся тем, что в него дополнительно введены конденсатор фильтра, токоограничительный резистор, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелка», состоящая из n-p-n и p-n-p транзисторов и нагрузочного резистора, причем датчик тока нагрузки первым своим выводом соединен с истоком МОП транзистора электронного ключа, а вторым выводом соединен со вторым выходом реле, вторым выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, первым выводом конденсатора фильтра, резистора разряда, задатчика релейного элемента и интегрирующего звена, эмиттером n-p-n транзистора «защелки», отрицательной шиной источника стабилизированного напряжения, отрицательной шиной релейного элемента, первым входом источника стабилизированного напряжения, второй вход которого соединен со вторым выводом конденсатора фильтра и резистора разряда, катодом выпрямительного диода и первым выводом токоограничительного резистора, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа, а выход источника стабилизированного напряжения соединен со вторым выводом задатчика релейного элемента, положительной шиной питания релейного элемента и операционного усилителя, входы которого подключены к выводам датчика тока нагрузки, а выход - к неинвертирующему входу релейного элемента, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика релейного элемента, выход релейного элемента через интегрирующее звено соединен с базой n-p-n и коллектором p-n-p транзисторов «защелки», причем коллектор n-p-n транзистора соединен с первым выводом нагрузочного резистора и базой p-n-p транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом нагрузочного резистора «защелки», затвором МОП транзистора электронного ключа и вторым выводом токоограничительного резистора.
