Твердотельный контроллер нагрузки

Твердотельный контроллер нагрузки относится к электронной коммутационной технике и может быть использован для коммутации силовых энергетических сетей постоянного тока.

Известен твердотельный контроллер нагрузки, содержащий узел гальванической развязки, преобразователь напряжения DC/DC, узел управления и защиты и коммутатор (SPECIFICATIONS ARE SUBJECT TO CHANGE WITHOUT NOTICE, ф. TELEDYNE RELAYS, 2000, page 122).

Недостатками такого контроллера являются ограниченные функциональные возможности и низкая надежность.

Известен твердотельный контроллер, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к источнику питания, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, коммутатор, вход которого соединен с выходом узла управления и защиты, а выход является выходом устройства, другие выходы и вход узла управления и защиты соединены соответственно с входами и выходом узла гальванической развязки, а другие выходы и вход узла развязки соединены соответственно с входами и выходом буфера, выходы которого являются выходами состояния устройства, а вход - входом управления устройства (ENGINEERING DATA SHEET, ф. LEACH INTERNATIONAL, North America, Volume V - Solid State Power Controller, page 20, date of issue: 10/98).

Известный контроллер наиболее близок по сущности к заявляемому изобретению и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Недостатками известного контроллера являются ограниченные функциональные возможности и область применения, а также низкая надежность, обусловленные высоким энергопотреблением, невозможностью контроля текущего состояния тока нагрузки и самостоятельного включения после аварийного отключения.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей и области применения, а также повышение надежности устройства за счет снижения энергопотребления, оперативного контроля величины тока в нагрузке и автоматического перезапуска после срабатывания защиты от короткого замыкания или токовой перегрузки.

Для решения поставленной задачи в твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к источнику питания, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, коммутатор, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первый выход является выходом устройства, второй выход и первый вход узла управления и защиты соединены соответственно с четвертым входом и первым выходом узла гальванической развязки, второй и третий выходы и первый вход узла гальванической развязки соединены соответственно со вторым и третьим входами и первым выходом буфера, второй и третий выходы которого являются выходами состояния устройства, а первый вход - входом управления устройства, введены узел отключения и узел идентификации нагрузки, причем выход узла отключения соединен с вторыми входами узла гальванической развязки и узла преобразования напряжения, четвертый вход узла отключения соединен с третьим выходом буфера, третий вход узла отключения является входом запрета сигнала состояния, а первый вход узла отключения является входом начального сброса, вход узла идентификации нагрузки соединен со вторым выходом коммутатора, первый и второй выходы узла идентификации нагрузки соединены с третьими входами соответственно узла гальванической развязки и узла управления и защиты.

Информационные входы узла отключения соединены с выходами датчиков, а его второй вход является входом запрета сигналов с датчиков.

Узел отключения содержит многовходовый элемент “или”, логические входы которого являются информационными входами узла, вход разрешения соединен со вторым входом узла, выход элемента соединен с входом двухвходового элемента “или”, другой вход которого является первым входом узла, а выход - выходом узла.

Узел идентификации нагрузки содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем вход АЦП является входом, а выход -вторым выходом узла, и сдвиговый регистр, вход которого соединен с выходом АЦП, а выход является первым выходом узла.

На чертеже представлена структурная схема твердотельного контроллера нагрузки.

Твердотельный контроллер нагрузки состоит из буфера 1, выполненного на базе элементов стабилизации (например, стабилитроны) и микросхем согласования уровней, узла 2 гальванической развязки, выполненного на базе оптронов, трансформаторов и т.д., узла 3 управления и защиты, который может быть реализован как на базе микросхем малого уровня интеграции, так и БИС базового матричного кристалла, узла 4 преобразования напряжения, состоящего из последовательно включенных генератора импульсов (на базе микросхем), коммутатора 5, выполненного на основе силовых транзисторов, узла 6 отключения и узла 7 идентификации нагрузки, которые могут быть построены на основе микросхем или на базовом матричном кристалле, повышающего трансформатора и выпрямителя (на базе диодов и стабилитронов).

Твердотельный контроллер нагрузки работает следующим образом.

В узел 3 управления и защиты через буфер 1 и узел 2 гальванической развязки подается сигнал управления. При отсутствии сигнала, формируемого узлом 6 отключения, обеспечивается питание узла 3 управления и защиты. При наличии сигнала управления, этот узел выдает отпирающий сигнал в коммутатор 5, что приводит к появлению выходного сигнала. Коммутатор 5 выдает в узел 7 аналоговый сигнал, напряжение которого пропорционально величине тока нагрузки. Узел 7 идентификации нагрузки преобразует этот сигнал в цифровой код, который в последовательном виде выдается через узел 2 гальванической развязки и буфер 1 (сигнал состояния 1), что позволяет вести оперативный контроль величины тока в нагрузке. Кроме того, цифровой код из узла 7 идентификации нагрузки выдается в узел 3 управления и защиты, где он сравнивается с базовыми кодами, определяющими порог срабатывания защиты по перегрузке или короткому замыканию (к.з.). При превышении током нагрузки допустимых значений, а также при перегреве силового транзистора, сразу или с заданной временной задержкой снимается отпирающий сигнал в коммутатор 5, а через узел 2 гальванической развязки и буфер 1 выдается сигнал состояния 2, сигнализирующий об аварийной ситуации. Этот же сигнал подается в узел 6 отключения. При наличии его или любого из сигналов с датчиков (радиоимпульса, блокировок, уровня напряжения питания и т.п.) и при отсутствии сигналов на соответствующих входах запрета, узел 6 отключения выдает в узел 4 преобразования напряжения сигнал, срывающий работу генератора этого узла и как следствие обесточивающий узел 3 управления и защиты (переход в режим хранения), что значительно снижает энергопотребление и повышает надежность устройства. При этом, если переход в режим хранения был вызван появлением сигнала состояния 2, то этот сигнал вследствие снятия питания пропадает, разблокируя тем самым (по вышеописанной цепи) узел 3 управления и защиты и обеспечивая автоматический перезапуск устройства и повторную (при наличии сигнала управления) коммутацию нагрузки. Если состояние перегрузки или к.з. в нагрузке сохраняется, цикл отключения и перезапуска повторяется снова (до тех пор, пока не нормализуется состояние нагрузки или на узел 6 не будет подан сигнал запрета). При этом время цикла перезапуска значительно превышает время пребывания силового транзистора в критических режимах работы (не менее чем в 100 раз). Подача сигнала на вход начального сброса обеспечивает переход устройства в режим хранения (при котором потребляемый ток на порядок меньше, чем в рабочем режиме), что дает возможность энергосбережения в тех случаях, когда контроллер включается на короткое время и не требуется высокая скорость коммутации нагрузки.

Таким образом, введение в устройство узла отключения и узла идентификации нагрузки с соответствующими связями обеспечило возможность осуществлять оперативный контроль текущего состояния тока нагрузки, производить автоматический перезапуск после срабатывания защиты от короткого замыкания или токовой перегрузки при одновременном снижении энергопотребления при переходе в режим хранения, что в итоге позволило расширить функциональные возможности устройства и область его применения, а также и повысить его надежность.

1. Твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к источнику питания, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, коммутатор, вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первый выход является выходом устройства, второй выход и первый вход узла управления и защиты соединены соответственно с четвертым входом и первым выходом узла гальванической развязки, второй и третий выходы и первый вход узла гальванической развязки соединены соответственно со вторым и третьим входами и первым выходом буфера, второй и третий выходы которого являются выходами состояния устройства, а первый вход - входом управления устройства, отличающийся тем, что введены узел отключения и узел идентификации нагрузки, причем выход узла отключения соединен со вторыми входами узла гальванической развязки и узла преобразования напряжения, четвертый вход узла отключения соединен с третьим выходом буфера, третий вход узла отключения является входом запрета сигнала состояния, а первый вход узла отключения является входом начального сброса, вход узла идентификации нагрузки соединен со вторым выходом коммутатора, первый и второй выходы узла идентификации нагрузки соединены с третьими входами соответственно узла гальванической развязки и узла управления и защиты, коммутатор выдает в узел идентификации нагрузки аналоговый сигнал, напряжение которого пропорционально величине тока нагрузки, узел идентификации нагрузки преобразует указанный сигнал в цифровой код, который в последовательном виде выдается через узел гальванической развязки и буфер.

2. Твердотельный контроллер нагрузки по п.1, отличающийся тем, что информационные входы узла отключения соединены с выходами датчиков, а второй вход узла отключения является входом запрета сигналов с датчиков.

3. Твердотельный контроллер нагрузки по п.1, отличающийся тем, что узел отключения содержит многовходовый элемент ИЛИ, логические входы которого являются информационными входами узла отключения, вход разрешения соединен со вторым входом узла отключения, выход многовходового элемента ИЛИ соединен с входом двухвходового элемента ИЛИ, другой вход которого является первым входом узла отключения, а выход - выходом узла отключения.

4. Твердотельный контроллер нагрузки по п.1, отличающийся тем, что узел идентификации нагрузки содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем вход АЦП является входом, а выход - вторым выходом узла идентификации нагрузки, и сдвиговый регистр, вход которого соединен с выходом АЦП, а выход является первым выходом узла идентификации нагрузки.