коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току

Формула изобретения

Коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены логический элемент ИЛИ, триггер, релейный элемент с прямым и инвертирующим входами, интегрирующее звено и задатчик порога срабатывания релейного элемента, соединенный с инвертирующим входом релейного элемента, причем выход логического элемента ИЛИ соединен с входом сброса триггера, вход установки триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, прямой выход триггера соединен с входом управления электронного ключа, выход датчика тока нагрузки подключен к прямому входу релейного элемента, выход релейного элемента соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу выключения коммутатора напряжений, инверсный выход триггера через интегрирующее звено соединен с инвертирующим входом релейного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току как блока нагрузки, так и источника питания и самого электронного ключа.

Известен стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, датчик тока, блок нагрузки и второй транзистор, управляющий электронным коммутатором [1].

Недостаток известного устройства состоит в том, что при повышении тока в нагрузке сверх допустимого, например из-за отказа, открывается второй транзистор и уменьшает ток, протекающий через электронный коммутатор, снижая, тем самым, выделяемую мощность на электронном коммутаторе и, одновременно, - напряжение на нагрузке. Это устройство не осуществляет полное отключение нагрузки от источника напряжения, что во многих случаях является недопустимым из-за большой вероятности выдачи отказавшим устройством ложных сигналов или команд.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения типа мощного электронного ключа BTS149 фирмы INF1NEON (прежнее название фирмы - SIEMENS; Германия) с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, описанный в [2]. Известный коммутатор напряжения содержит соединенные последовательно с блоком нагрузки электронный ключ и датчик тока.

Недостаток известного устройства состоит в том, что ограничение мощности в блоке нагрузки, потребляемой от источника напряжения, происходит при токе в нагрузке, значительно превышающем допустимый ток как для самой нагрузки, так и номинальный ток через электронный ключ. Вместе с тем, во многих случаях при отказах ток, потребляемый в блоке нагрузки, не достигает значений, при которых известное устройство начинает ограничивать ток нагрузки и отключать ее, вследствие чего не осуществляется защита от перегрузки по току. Кроме того, в известном устройстве уровень отключения источника напряжения по току нагрузки остается неизменным и не может быть перестроен на другое значение тока. Учитывая, что при включении блока нагрузки ток переходного процесса всегда значительно превышает ток установившегося состояния, не представляется возможным в известном устройстве одновременно осуществить защиту от перегрузки по току как в переходном процессе (в момент включения), так и в установившемся состоянии.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет осуществления защиты от перегрузки по току как в переходном процессе при включении питания блока нагрузки, так и в установившемся состоянии, а также обеспечение возможности регулирования параметров защиты в зависимости от параметров нагрузки.

Эта задача достигается тем, что в коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки, дополнительно введены логический элемент ИЛИ, триггер, релейный элемент с прямым и инвертирующим входами, интегрирующее звено, задатчик порога срабатывания релейного элемента, соединенный с инвертирующим входом релейного элемента, причем выход логического элемента ИЛИ соединен с входом сброса триггера, вход установки триггера соединен с входом включения коммутатора напряжения, прямой выход триггера соединен с входом управления электронного ключа, выход датчика тока нагрузки подключен к прямому входу релейного элемента, выход релейного элемента соединен с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу выключения коммутатора напряжения, инверсный выход триггера через интегрирующее звено соединен с инвертирующим входом релейного элемента.

На чертеже приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току, при этом на чертеже и далее в тексте обозначены:

1 - датчик тока нагрузки;

2 - электронный ключ;

3 - блок нагрузки;

4 - логический элемент ИЛИ;

5 - триггер;

6 - релейный элемент;

7 - задатчик порога срабатывания релейного элемента;

8 - интегрирующее звено;

9 - вход включения коммутатора напряжения;

10 - вход выключения коммутатора напряжения;

11 – первый источник напряжения питания;

12 - второй источник напряжения питания;

U - коммутируемое напряжение источника напряжения питания 11;

Е - напряжение второго источника напряжения питания 12;

U_in - входные сигналы включения коммутатора;

U_out - входные сигналы выключения коммутатора;

U₁, U₂ - пороговые напряжения на инвертирующем входе релейного элемента 6;

U_i - напряжение с датчика тока нагрузки на прямом входе релейного элемента 6;

I_Ni - ток нагрузки;

k - коэффициент передачи (крутизна) датчика тока нагрузки 1;

GND - общая шина источников питания (“земля”).

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 11. Задатчик порога срабатывания релейного элемента 7 соединен с инвертирующим входом релейного элемента 6, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 4, второй вход которого подключен к входу 10 выключения коммутатора напряжения. Выход логического элемента ИЛИ 4 соединен с входом сброса триггера 5, вход установки триггера 5 соединен с входом 9 включения коммутатора напряжения. Прямой выход триггера 5 соединен с входом управления электронного ключа 2. Инверсный выход триггера 5 через интегрирующее звено 8 соединен с инвертирующим входом релейного элемента 6. Выход датчика тока нагрузки 1 подключен к прямому входу релейного элемента 6.

На чертеже приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь не принципиальные отличия. Так, датчик тока нагрузки 1 может быть выполнен с использованием датчика Холла, блок нагрузки 3 может иметь, в частности, емкостные составляющие, задатчик порога срабатывания 7 релейного элемента может иметь иной источник питания, один (R1) или два (R1, R2) резистора. Вместо интегрирующего звена в виде простейшей R3C1-цепочки могут использоваться двухзвенные. Триггер 5 типа RS может быть заменен D-триггером с входом R сброса.

Силовой первый источник напряжения питания 11 является источником энергии для блока нагрузки 3 (блоков нагрузок аппаратуры), его номинальное напряжение зависит от типа аппаратуры, в которой применяется предложенное устройство, например, U=27 В. Второй источник напряжения питания 12 служит для питания элементов устройства и задатчика порога срабатывания релейного элемента 7, его напряжение определяется типами примененных элементов и составляет, например, Е=5 В.

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

После подачи напряжений питания Е и U устройство приводится в исходное (выключенное) состояние: импульс по входу выключения коммутатора напряжения 10, сформированный схемой управления (на чертеже не показано), через логический элемент ИЛИ 4 сбрасывает триггер 5, в результате чего логический ноль с прямого выхода этого триггера удерживает электронный ключ 2 в закрытом состоянии и блок нагрузки 3 оказывается выключенным.

В исходном состоянии устройства ток с инверсного выхода триггера 5 через резистор R3 интегрирующего звена 8 и ток через резистор R1 задатчика порога срабатывания релейного элемента 7 создают на инвертирующем входе релейного элемента 6 (на резисторе R2) запирающее напряжение u₁, которое с использованием законов Кирхгофа может быть определено по формуле

Формула (1) справедлива в идеальном случае, когда питание задатчика порога срабатывания релейного элемента 7 и триггера 5 осуществляется от источника напряжения Е, и напряжение на инверсном выходе триггера 5 пренебрежимо мало отличается от значения этого напряжения. В противном случае расчет напряжения u₁ должен быть произведен с учетом реальных значений напряжений в указанных точках. В большинстве случаев формула (1) дает достаточную для практики точность.

Выходное напряжение сдатчика тока нагрузки 1, равное нулю, поступает на прямой вход релейного элемента 6, на выходе которого сигнал также равен нулю.

По импульсному сигналу U_in=1, подаваемому на вход 9 включения коммутатора напряжения, триггер 5 устанавливается в единичное состояние и его выходной сигнал с прямого выхода Q переводит во включенное состояние электронный ключ 2, который в свою очередь замыкает цепь питания блока нагрузки 3. Если ток нагрузки I_N1 в этот момент находится в заданных пределах, то напряжение u _i=kI_N1 на прямом входе релейного элемента 6, поступающего с датчика тока нагрузки 1, меньше напряжения u₁ и релейный элемент 6 остается в исходном (выключенном) состоянии, на его выходе логический ноль. Блок нагрузки 3 включен. Однако, если ток нагрузки I_N1 в момент ее включения чрезмерно велик и напряжение u₁=kI_N1 с датчика тока нагрузки 1 превышает напряжение u₁, то релейный элемент срабатывает и своим выходным импульсом (задний фронт импульса формируется после снятия тока нагрузки) через логический элемент ИЛИ 4 сбрасывает триггер 5. При этом закрывается электронный ключ 2 и блок нагрузок 3 отключается от первого источника напряжения питания 11. Устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему предельно допустимый ток на момент начала переходного процесса при включении.

Если в момент включения электронного ключа 2 ток нагрузки не превысил предельного значения, то релейный элемент 6 остался в исходном состоянии, триггер 5 остался включенным, сигнал на его инверсном выходе уменьшился до нуля. При этом через резистор R3 начинает разряжаться конденсатор С1 интегрирующего звена 8, начинает уменьшаться напряжение на инвертирующем входе релейного элемента 6 и пропорционально уменьшается предельный ток нагрузки, способный произвести автоматическое выключение устройства. По окончанию переходного процесса, продолжительность которого пропорциональна емкости конденсатора С1 интегрирующего звена 8, напряжение u₁ на инвертирующем входе релейного элемента 6 может быть определено по формуле

Это напряжение, которое может быть существенно (в несколько раз) меньше напряжения u₁ будет определять порог срабатывания по току релейного элемента 6 в установившемся режиме блока нагрузки 3. Если в этом режиме напряжение сдатчика тока нагрузки 1 в какой-то момент превысит заданное напряжение u₂ (например, произошел отказ в блоке нагрузки, когда ее ток превысил допустимое значение), то релейный элемент 6 сработает и своим выходным импульсом через логический элемент ИЛИ 4 выключит триггер 5, который в свою очередь закроет электронный ключ 2 и выключит блок нагрузки 3. В этом случае устройство автоматически отключило блок нагрузки по току, превышающему допустимый ток в установившемся режиме нагрузки.

Здесь следует рассмотреть зависимость кратности отношений токов защиты при включении и в номинальном режиме I _N1/I_N2 от соотношения сопротивления резисторов R1-R3. В общем виде отношение токов I_N1/I_N2 равно отношению напряжений

I_N1/I_N2 =u₁/u₂=ER2/[R2+R3R1/(R3+R1)]/E·[R2R3/(R2+R3)]/[R1+R2R3/(R2+R3)].

После несложных вычислений имеем

Как видно из выражения (3), отношение максимального тока защиты к минимальному не зависит от сопротивления резистора R2. Таким образом, изменяя сопротивление R2 можно одновременно перестраивать пороги защиты как во время включения, так и в установившемся режиме нагрузки, всегда сохраняя заданный запас защиты от перегрузки.

В номинальном режиме работы выключение блока нагрузки производится путем подачи на вход 10 короткого импульса U _out=1, который, проходя через логический элемент ИЛИ 4, сбрасывает триггер 5.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение расширяет функциональные возможности за счет осуществления защиты от перегрузки по току как в переходном процессе при подключении напряжения питания к блоку нагрузки (например, при наличии в блоке нагрузок 3 емкостной составляющей или двигателя постоянного тока), так и в установившемся режиме. Время защиты от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости конденсатора С1. Значения токов I_N1 и I _N2, при которых коммутатор напряжения отключает блок нагрузки от источника напряжения, могут регулироваться в широких пределах резисторами R1-R3 и устанавливаться в зависимости от параметров конкретной нагрузки. При регулировании токов срабатывания защиты одним резистором R2 кратность срабатывания токов защиты (отношение максимального тока защиты в момент включения нагрузки к номинальному току защиты в установившемся режиме) всегда остается неизменной и зависящей только от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R3. Это дополнительное обстоятельство улучшает потребительские свойства предложенного изобретения, поскольку упрощает процесс регулировки уровней токовой защиты.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренном автором предложении не встречалась для решения поставленной задачи, и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы серийные микросхемы с необходимым набором функций, например, микросхемы серии 564, стандартные релейные элементы, например, серии 521, электронные ключи необходимой мощности (наиболее перспективны полевые транзисторы, требующие минимальной мощности управления и хорошо согласующиеся с микросхемами).

Литература

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. Москва, “Радио и связь”, 1986 г., стр.189, рис.5.19.

2. http://www.infineon.com/cgi/ecrm.dll/ecrm/scripts/prodov.jsp?oid=13853&catoid=-8171 http://www.infineon.com/cgi/ecrm.dll/ecrm/scripts/prod ov.jsp?oid=13853&cat oid=-8170 Информация из источника [2] приведена в материалах заявки.