Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Авторы патента:

H03K17/00 - Электронная коммутация или стробирование, т.е. без размыкания или замыкания контактов (выбор печатающего элемента или вспомогательного электрода при электрическом пеатании B41J 2/405; устройства для хранения и выборки информации G11C 27/02; переключающие или прерывающие устройства в волноводах H01P; стробированные усилители H03F 3/72; коммутирующие устройства для коммутаторных систем, содержащие статические приборы H04Q 3/52)

Владельцы патента RU 2599190:

АНДРЕЕВ Анатолий Владимирович (RU)

Использование: для защиты вторичных источников питания электронных коммутаторов от токовых перегрузок. Сущность изобретения заключается в том, что коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени. Технический результат: обеспечение возможности сохранения нормального функционирования нагрузки. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Защита вторичных источников питания электронных коммутаторов и коммутируемых ими нагрузок от токовых перегрузок, вызванных флюктуациями напряжения источника питания, неисправностью соединительных линий и характером самих нагрузок обычно решается введением различных быстродействующих электронных схем защиты. Емкостный или двигательный характер нагрузки приводит к появлению кратковременных бросков тока в момент включения, что требует усложнения схемы защиты.

Известны решения, такие как патент РФ №2208291, где реализована двухуровневая защита по току с ограничением допустимого времени действия пускового тока (переходного процесса) после подачи сигнала отпирания ключа. Использование пороговых элементов, обычно реализуемых как компараторы, позволяет иметь низкое падение напряжения на датчике тока и соответственно мощность, рассеиваемую на нем. Данная защита является триггерной и полностью разрывает цепь нагрузки; сбрасывается она только подачей сигнала выключения. Недостатками являются относительно сложное техническое решение и полное отключение нагрузки при кратковременных бросках тока, превышающих заданный уровень, что может нарушить функционирование системы, где используется данная схема защиты, как, например, в схеме управления вагона метрополитена это может приводить к передаче ложных сигналов при возможных перегрузках и коротких замыканиях в цепях управления.

Другие известные решения, такие как патент США №7262948, вместо полного отключения нагрузки используют перевод ключа в режим стабилизации тока. Поскольку такой режим приводит к увеличению рассеиваемой на ключе мощности, для ее ограничения значение тока делается зависимым от падения напряжения на нем. Недостатками этого решения являются значительное падение напряжения на резисторах, используемых как датчики тока ключа, и отсутствие триггерной защиты в виде полного отключения нагрузки при длительных перегрузках.

Известны другие решения, как, например, патент РФ №2023344, где простыми техническими средствами достигается защита ключа и нагрузки от бросков тока. В известном решении цепь отрицательной обратной связи по току ключа помимо управляющего транзистора 3, общего для обеих цепей обратной связи, содержит датчик тока 4 и диод 5, а цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит дифференцирующую RC цепочку из резистора 7, зашунтированного диодом 8, и конденсатора 6. При переводе электронного ключа 1 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа происходит немедленное срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, и нагрузка обесточивается.

Это решение имеет один порог тока защиты, что не позволяет различать кратковременные броски тока переходного процесса от значения тока в установившемся режиме. Срабатывание защиты вызывает полное отключение нагрузки на заданное время, после чего устройство автоматически включает нагрузку. Такой подход приводит к отключению нагрузки даже при кратковременных бросках тока. При сохранении причины перегрузки, такой как короткое замыкание, эта схема будет периодически подвергать ключ и нагрузку действию перегрузочного тока на время срабатывания защиты, что в ряде случаев нежелательно. Кроме того, данное решение требует значительного падения напряжения на резисторе, выполняющем функции датчика тока, что приводит к значительной мощности, рассеиваемой на нем.

Задача предлагаемого коммутатора напряжения состоит в том, чтобы при кратковременных бросках тока нагрузки обеспечить предотвращение ее полного отключения, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.

Указанная задача решена тем, что в коммутаторе напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащем последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени.

Благодаря этому при кратковременных бросках тока нагрузки электронный ключ переводится в режим ограничения тока, предотвращая тем самым ее полное отключение, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.

Электронный ключ может быть реализован на биполярном транзисторе, полевом транзисторе с p-n-переходом, полевом транзисторе с изолированным затвором или биполярном транзисторе с изолированным затвором.

В предпочтительном варианте элемент задержки реализован в виде интегрирующего RC звена. Однако он может быть реализован и другими средствами, например с использованием одновибратора или таймера.

Далее изобретение описано на примере его практической реализации со ссылками на чертеж, на котором представлена схема предлагаемого коммутатора напряжения.

Электронный ключ с защитой от перегрузки содержит вход управления 1, первый логический элемент И-НЕ 2, первый вход которого соединен с входом управления, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, вход которой соединен с выходом первого логического элемента И-НЕ 2, второй логический элемент И-НЕ 4, первый вход которого соединен с входом управления 1, а второй - с выходом интегрирующего RC звена 3, управляющий транзистор 5, затвор которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ 4, сток, через резистор 6, соединен с положительным полюсом источника питания 7, а исток подключен к отрицательному полюсу источника питания 7, к которому подключены также нулевой провод интегрирующего RC звена 3 и первый вывод нагрузки 11, электронный ключ 9 в виде полевого транзистора, сток которого соединен с положительной силовой шиной 8, а затвор - со стоком управляющего транзистора 5, датчик тока 10, включенный между истоком силового транзистора 9 и первым выводом нагрузки 11, второй вывод которой соединен с отрицательной силовой шиной 12, операционный усилитель 13, инвертирующий вход которого соединен с истоком силового транзистора, неинвертирующий вход соединен с источником опорного напряжения 14, а выход, через диод 15, соединен с затвором силового транзистора, формирователь логического уровня 16, включенный между стоком силового транзистора 9 и вторым входом первого логического элемента 2.

Таким образом, цепь отрицательной обратной связи по току ключа содержит датчик тока ключа 10, источник опорного уровня 14, операционный усилитель 13 и диод 15, соединяющий выход операционного усилителя с затвором электронного ключа 9. Цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит формирователь логического уровня 16, логический элемент И-НЕ 2, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, логический элемент И-НЕ 4 и управляющий транзистор 5.

При переводе электронного ключа 9 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе происходит с задержкой, определяемой параметрами RC звена 3, во время которой электронный ключ находится в режиме ограничения тока. Таким образом, обеспечиваются непрерывность тока в нагрузке при кратковременных перенапряжениях и ограничение времени нахождения ключа в активном режиме, где он рассеивает значительную мощность. Более подробно работа устройства описана ниже.

В исходном (выключенном) состоянии на входе управления 1 присутствует низкий логический уровень (уровень логического нуля), который порождает высокий логический уровень (уровень логической единицы) на выходе второго логического элемента И-НЕ 4, обуславливающий открытое состояние управляющего транзистора 5. Управляющий транзистор 5 шунтирует цепь затвора электронного ключа 9, закрывая его и отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. На выходе операционного усилителя 13, на инвертирующий вход которого с датчика тока подано нулевое напряжение, соответствующее нулевому току ключа и нагрузки, а на неинвертирующий вход - положительное опорное напряжение от источника 14, присутствует положительное напряжение ограничения. Диод 15 закрыт и на работу электронного ключа не влияет. На первый вход первого логического элемента И-НЕ 2 с входа управления 1 поступает низкий логический уровень, на второй его вход со стока закрытого силового транзистора 9 через формирователь логического уровня 16 поступает высокий логический уровень. На выходе первого логического элемента И-НЕ 2, на выходе элемента задержки (интегрирующего RC звена) 3 и на втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 присутствует уровень логической единицы.

При подаче на вход управления 1 сигнала включения в виде высокого логического уровня этот высокий уровень поступает на первые входы обоих логических элементов И-НЕ. Их выходы приходят в состояние низкого логического уровня. Управляющий транзистор 5 закрывается и на затвор ключа 9 через резистор 6 поступает напряжение, вызывающее его открытие. Силовой транзистор 9 открывается, подключая нагрузку 11 к отрицательной силовой шине 12. Напряжение на выходе интегрирующего RC звена 3 и втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 начинает падать, однако в течение некоторого интервала, определяемого постоянной времени интегрирующего RC звена, на них обеспечивается высокий логический уровень. За это время электронный ключ 9 успевает включиться и его напряжение сток-исток падает ниже входного порога преобразователя уровней 15. На втором входе первого логического элемента И-НЕ 2 устанавливается низкий логический уровень. Высокий логический уровень, установившийся на выходе первого логического элемента И-НЕ 2, останавливает падение напряжения на выходе интегрирующего RC звена 3.

При токе нагрузки, не превышающем заданный порог, определяемый как

Iпор = Uоп/Rдт,

где Iпор - ток порога срабатывания защиты;

Uоп - опорное напряжение;

Rдт - сопротивление датчика тока,

схема коммутатора может находиться в стационарном включенном состоянии неопределенно долгое время.

При превышении током нагрузки указанного порога схема коммутатора переходит в состояние ограничения тока следующим образом. При падении напряжения на датчике тока 10, превышающем уровень, заданный источником опорного напряжения 14, напряжение на выходе операционного усилителя 13 начинает падать, диод 15 открывается, замыкая цепь отрицательной обратной связи по току ключа, стабилизирующей ток нагрузки на уровне Iпор. Это приводит к понижению напряжения на затворе электронного ключа 9, при этом падение напряжения на ключе 9 возрастает, приводя к появлению уровня логической единицы на выходе формирователя логического уровня 16. Этот единичный логический уровень при логической единице на входе управления коммутатором 1 приводит к появлению низкого уровня на выходе элемента И-НЕ 2, соединенным со входом интегрирующего RC звена 3. Данное состояние схемы транзисторного коммутатора является кратковременным. Длительность нахождения схемы коммутатора в данном состоянии определяется задержкой появления низкого логического уровня на выходе интегрирующего RC звена 3. Значение задержки зависит как от постоянной времени звена, так и от напряжений выходных логических уровней элемента И-НЕ 2 и входного порогового уровня элемента И-НЕ 4.

После этой задержки на выходе элемента И-НЕ 4 появляется высокий логический уровень, что приводит к открыванию управляющего транзистора 5 и полному запиранию электронного ключа 9, отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. Схема транзисторного коммутатора переходит в защитное состояние. При снятии управляющего сигнала и установлении уровня логического нуля на входе управления 1, при условии отсутствия тока перегрузки, схема коммутатора возвращается в выключенное состояние.

Во время задержки электронный ключ находится в режиме стабилизации тока нагрузки, при снижении тока ключа ниже порогового уровня во время действия задержки схема возвращается в исходное включенное состояние, полностью отпирая электронный ключ.

Таким образом, предлагаемый коммутатор с защитой от перегрузки сглаживает кратковременные броски тока, ограничивая их на заданном уровне, без полного отключения нагрузки.

1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, отличающийся тем, что в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени.

2. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на биполярном транзисторе.

3. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на полевом транзисторе с p-n-переходом.

4. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на полевом транзисторе с изолированным затвором.

5. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ реализован на биполярном транзисторе с изолированным затвором.

6. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что элемент задержки реализован в виде интегрирующего RC звена.

7. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что элемент задержки реализован с использованием одновибратора или таймера.

Приводится выключатель для участка передачи постоянного тока высокого напряжения, содержащий вакуумный силовой выключатель (3) для отключения участка передачи и силовой выключатель (5) с газовой изоляцией для отключения участка передачи, причем силовой выключатель (5) с газовой изоляцией включен последовательно с вакуумным силовым выключателем (3).

Способ переключения в компоновке силовых переключателей и компоновка из множества силовых переключателей // 2595600

Группа изобретений относится к переключающим устройствам. Технический результат - создание средств переключения, обеспечивающих то, что отдельные ветви оборудования распределения энергии надежно подключаются или отключаются.

Многоканальное твердотельное реле с переключающимися контактами // 2589371

Изобретение относится к коммутационной технике. Технический результат - обеспечение коммутации двунаправленных сигналов, повышение быстродействия и увеличение надежности.

Силовой ключ на мдп-транзисторе // 2571719

Изобретение относится к импульсной технике и может быть применено в коммутационных устройствах. Технический результат заключается в повышении надежности силового ключа.

Коммутирующее устройство для источников переменного тока // 2568770

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах преобразования и распределения электроэнергии. Технический результат заключается в повышении надежности резервирования в системах бесперебойного питания с параллельной работой за счет сокращения до нуля времени резервирования.

Реверсивный полупроводниковый коммутатор, работающий на индуктивную нагрузку // 2562778

Изобретение относится к реверсивным полупроводниковым коммутаторам, работающим на индуктивную нагрузку. Технический результат заключается в повышении надежности устройства и уменьшении расхода электрической энергии.

Передатчик со следящей обратной связью // 2558609

Изобретение относится к области коммутационных сред для вычислительных систем и может быть использовано как составная часть высокоскоростного последовательного мультиканального приемопередатчика.

Трехканальный релейный коммутатор // 2543555

Изобретение относится к электронным устройствам автоматики. Технический результат заключается в повышении надежности и помехоустойчивости.

Устройство непрерывного контроля многопозиционного релейного коммутатора // 2540811

Изобретение относится к системам автоматического управления и контроля. Техническим результатом является обеспечение возможности выявления дефектов элементов в многопозиционном релейном коммутаторе до нарушения его функционирования путем контроля за временем переключения исполнительного реле.

Схема и топология высоконадежной системы силовой электроники // 2533317

Изобретение относится к силовой электронике. Технический результат заключается в упрощении схемы резервирования системы силовой электроники при сохранении ее надежности.

Интерфейсная схема цифровой связи для проводной пары с индивидуально регулируемыми границами перехода // 2624452

Изобретение относится к цифровому интерфейсу связи. Интерфейсная схема обеспечивает связь устройства с проводной парой. Интерфейсная схема включает: диодный мост, имеющий полярно независимые входные выводы, связанные с проводной парой, и первый и второй выходные выводы, имеющие положительную полярность и отрицательную полярность соответственно; первое гальваническое изолирующее устройство для вывода принимаемого сигнала, принимаемого по проводной паре через диодный мост; второе гальваническое изолирующее устройство, принимающее передаваемый сигнал; управляемый напряжением изменяемый резистивный элемент, соединенный с положительным и отрицательным выходными выводами диодного моста; и первый и второй фильтры, соединенные каскадом между вторым гальваническим изолирующим устройством и управляемым напряжением изменяемым резистивным элементом. Первый фильтр имеет развязанные пути зарядки и разрядки таким образом, чтобы развязывать время нарастания передаваемого сигнала от времени падения передаваемого сигнала. Второй фильтр имеет частотную характеристику, зависимую от напряжения. Управляемый напряжением изменяемый резистивный элемент предоставляет передаваемый сигнал проводной паре через диодный мост. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Детектор элементов каркаса со схемой регулирования // 2625440

Cхемное устройство для емкостного детектора скрытых объектов относится к области. емкостных измерительных средств - детекторов. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности обнаружения скрытых объектов. Схемное устройство для емкостного детектора скрытых объектов содержит четыре конденсатора, на которые поданы зависящие от времени напряжения, усилитель, синхронный демодулятор, компаратор, тактовый генератор. Детектор для обнаружения скрытых элементов каркаса содержит упомянутое выше схемное устройство, при этом электроды конденсаторов образуют обкладки конденсаторов, которые выполнены различным образом. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 32 ил.

Управляемый ключевой электронный коммутатор // 2628129

Изобретение относится к электронной коммутационной технике применительно для обеспечения коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока с защитой от перегрузки и использования их в качестве интерфейсных линий передачи информации. Технический результат заключается в повышении быстродействия защиты при недопустимых перегрузках по току, управляемого посредством создания коммутатора с дистанционным управлением, реализованного на полевом транзисторе с минимальным сопротивлением в открытом состоянии, используемого в качестве силового ключа, и обеспечении качества защиты за счет применения токового датчика и быстродействующей схемы защиты, работающей в режиме триггера по состоянию перегрузки, позволяющего удерживать ключ после возникновения перегрузки по току в отключенном состоянии до снятия управляющего сигнала и обеспечения повторного включения. 2 ил.

Высокочастотный переключатель для компактного модуля преобразователя энергии // 2628211

Изобретение относится к области электроники. Технический результат заключается в снижении потерь и уменьшении размеров высокочастотного переключателя. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработан высокочастотный переключатель, содержащий: каскодную схему переключения, включающую в себя по меньшей мере два транзистора (VT1, VT2), источник (U1) неизменяемого вспомогательного напряжения, источник (U2) управляющего сигнала и дополнительный транзистор (VT3), имеющий тип проводимости, противоположный типу проводимости транзисторов (VT1, VT2) каскодной схемы переключения, причем источник (U2) управляющего сигнала выполнен с возможностью подавать управляющий сигнал на управляющий вывод первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения и на управляющий вывод дополнительного транзистора (VT3) для того, чтобы одновременно осуществлять управление первым транзистором (VT1) каскодной схемы переключения и дополнительным транзистором (VT3), посредством этого осуществляя управление вторым транзистором (VT2) каскодной схемы переключения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Матричное устройство выдачи команд с оптической развязкой // 2628911

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники. Технический результат - повышение функциональной плотности и уменьшение массогабаритных параметров устройства выдачи команд. В устройстве осуществляется гальваническая развязка коммутируемых сигналов от схемы управления и между собой, а также уменьшение количества адресов в системе, за счет введения дополнительной дешифрации. Устройство содержит регистр, первый и второй дешифраторы, первое и второе буферные устройства и матрицу, построенную из оптронов, каждый из которых содержит светодиод и ключ. 1 ил.

Управляющее устройство органа управления в транспортном средстве // 2637075

Изобретение относится к области обеспечения авторизованного доступа к управлению агрегатами автомобиля. Рукоятка переключения передач (3) в автомобиле содержит датчики магнитного поля (6, 7). Датчики магнитного поля (6, 7) определяют магнитное поле, порождаемое электрическим полем, которое подводится к сиденью (2) водителя (1) источником электрического поля (5). Достигается определение присутствия водителя (1) на сиденье водителя (2). 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

Автоматический коммутатор антенн // 2638362

Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано для подключения антенн к радиопередатчикам. Предложено сопряжение переключателя антенн с переключателем сигналов от датчиков тока, установленных в основаниях антенн, и использование сигналов от указанных датчиков для настройки антенно-согласующих устройств радиопередатчиков с целью повышения отдаваемой ими мощности в антенну. Технический результат, наблюдаемый при реализации заявленного решения, направлен на повышение мощности, отдаваемой широкополосным радиопередатчиком в антенну. 2 ил.

Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности // 2641479

Изобретение относится к схеме защиты для полупроводникового переключающего элемента. Технический результат заключается в уменьшении риска выхода из строя полупроводникового переключающего элемента вследствие пробоя, вызванного перенапряжением. В схеме защиты для каждого из множества полупроводниковых переключающих элементов 50, соединенных последовательно, между коллектором и эмиттером полупроводникового переключающего элемента 50 подключается последовательная цепь, состоящая из лавинных элементов D1~D5, резистора R4 и лавинного элемента D6. Конденсатор С1 и резистор R1 соединяются параллельно между обоими выводами лавинного элемента D4, а конденсатор С2 и резистор R2 соединяются параллельно между обоими выводами лавинного элемента D5. Между общей точкой соединения резистора R4 и лавинного элемента D6 и затвором полупроводникового переключающего элемента 50 подключается последовательная цепь, состоящая из резистора R5, параллельной цепи, состоящей из конденсатора С3 и резистора R6, и последовательного компонента, включающего стабилитроны ZD1 и ZD2, соединенные в обратной полярности по отношению друг к другу. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Индуктивно-импульсный генератор // 2643665

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.д. Технический результат - повышение надежности работы. Индуктивно-импульсный генератор содержит повышающий трансформатор, катушку индуктивности, имеющую от 1.1 до 2 раз большую индуктивность и от 1.1 до 2 раз большую добротность, чем индуктивность и добротность первичной обмотки повышающего трансформатора, первый источник постоянного тока, ветвь с последовательно включенными вторичной обмоткой импульсного трансформатора и с вентилем так, что плюсовой зажим первого источника постоянного тока подключен к аноду тиристора и к катоду вентиля, катод тиристора подключен к входным зажимам первичной обмотки повышающего трансформатора и катушки индуктивности, коммутатор, второй источник постоянного тока. 4 ил.