Устройство защиты от перегрузки по току
Владельцы патента RU 2693925:
Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" (RU)
Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току. Технический результат изобретения - уменьшение времени срабатывания защиты при перегрузке по току, защита нагрузки от выходного напряжения при его значениях выше допустимых, упрощение устройства и увеличение его КПД. Для этого предложено устройство защиты от перегрузки по току, которое содержит резистивный датчик тока, шины отрицательного и положительного потенциала входного и выходного напряжений, управляющий и коммутирующий р-МОП транзисторы. Управление р-МОП транзисторами при ограничении и/или прерывании тока через устройство осуществляется изменением выходного напряжения при изменении нагрузки, например, при коротком замыкании в ней, и по изменению напряжения на резистивном датчике тока, установленном последовательно с выходным конденсатором фильтра. 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам электронной техники и может быть использовано для передачи напряжения от источника питания в блок нагрузки с защитой его от превышения тока, а также для защиты от перегрузки как источника питания, так и самого коммутатора напряжения. Кроме того, устройство обеспечивает возможность защиты нагрузки от недопустимо низкого или высокого напряжения путем его полного снятия с нагрузки.
Известен компенсационный стабилизатор напряжения [Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С. Найвельта. Москва «Радио и связь» 1986 г. стр. 189, рис. 5.19] с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, ограничительный резистор и второй транзистор, управляющий электронным коммутатором.
Недостатком указанного устройства является невозможность полного отключения нагрузки от источника напряжения при несанкционированном понижении входного напряжения, что может привести к недопустимым режимам работы блока нагрузки. Например, если блоком нагрузки является электронное устройство, то элементы этого устройства будут находиться под пониженным недопустимым напряжением.
Известен ряд устройств - коммутаторов напряжения [Описание изобретения к патенту РФ №2210183 H03K 17/08, Описание изобретения к патенту РФ №2240647 H03K 17/08, Описание изобретения к патенту РФ №2208292 H03K 17/08, Описание изобретения к патенту РФ №2335843 H03K 17/08], построенных на основе последовательно соединенных электронного ключа и шунта; по увеличению падения напряжения на котором в несколько раз, с помощью компараторов и элементов логики осуществляется управление (выключение) электронного ключа.
Недостатком таких устройств является нечувствительность к случайным значительным кратковременным понижениям входного напряжения, при которых напряжение на нагрузке не снимается, но достигает недопустимо низких значений.
В качестве прототипа заявляемого устройства по построению и функциональному назначению можно указать на «Устройство защиты от перегрузки по току» [Описание изобретения к патенту РФ №2542950 H03K 17/08].
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные шину положительного потенциала входного напряжения, резистивный датчик тока, электронный ключ со схемой управления его включения/выключения, связанный с выходом электронного ключа через апериодическое звено (времязадающая цепь), шину положительного потенциала выходного напряжения, а также шины отрицательного входного и выходного напряжения. Шины положительного и отрицательного потенциалов входного напряжения являются входом устройства, шины положительного и отрицательного потенциалов выходного напряжения являются выходом устройств.
Недостатками известного устройства является длительное время срабатывания защиты от перегрузки по току, приводящее к значительным импульсным выделениям энергии на электронном ключе, отсутствие защиты нагрузки от импульсного повышения входного напряжения, а также сложность построения устройства. Кроме того, включение в цепь прохождения коммутируемого тока резистивного датчика тока, приводит к выделению дополнительной мощности на нем.
Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей за счет уменьшения времени срабатывания защиты при перегрузке по току, защиты нагрузки от выходного напряжения при его значениях выше допустимых, упрощение устройства и увеличение его КПД.
Технический результат достигается тем, что в устройство защиты от перегрузки по току, содержащее резистивный датчик тока, конденсатор времязадающей цепи, шины отрицательного и положительного потенциала входного и выходного напряжений, управляющий и коммутирующий р-МОП транзисторы, выход последнего из которых соединен с первым выводом резистора обратной связи и шиной положительного потенциала выходного напряжения, при этом шина отрицательного потенциала входного напряжения соединена с шиной отрицательного потенциала выходного напряжения, дополнительно введен фильтр в виде последовательно соединенного конденсатора фильтра и резистивного датчика тока, включенного между шиной отрицательного потенциала выходного напряжения и низкопотенциальным выводом конденсатора фильтра, соединенного через первый резистор с затвором управляющего р-МОП транзистора, соединенного со вторым выводом резистора обратной связи и, через второй резистор, - со своим стоком и затвором коммутирующего р-МОП транзистора, соединенного через третий резистор с шиной отрицательного потенциала выходного напряжения, при этом исток управляющего р-МОП транзистора соединен через четвертый резистор с шиной положительного потенциала входного напряжения, истоком коммутирующего р-МОП транзистора и, через конденсатор времязадающей цепи, - со своим затвором, высокопотенциальный вывод конденсатора фильтра соединен со стоком коммутирующего р-МОП транзистора.
Функционирование заявляемого устройства поясняется фиг. 1…4.
На фиг. 1 приведено устройство защиты от перегрузки по току.
На фиг. 2…4 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов.
На фиг. 1 показано:
1 - шина положительного потенциала входного напряжения (далее, в описании - "шина 1"),
2 - шина отрицательного потенциала входного напряжения, (далее, в описании - "шина 2"),
3 - коммутирующий р-МОП транзистор (далее, по тексту - транзистор 3),
4 - управляющий р-МОП транзистор, (далее, по тексту - транзистор 4),
5 - резистор обратной связи,
6…9 - первый - четвертый резисторы, соответственно,
10 - резистивный датчик тока,
11 - конденсатор времязадающей цепи (далее, по тексту конденсатор 11),
12 - шина положительного потенциала выходного напряжения (далее, в описании - "шина 12"),
13 - шина отрицательного потенциала выходного напряжения (далее, в описании - "шина 13"),
14 - нагрузка с емкостной (конденсатор 15) и активной (16) составляющими
17 - источник входного напряжения с коммутатором напряжения (18), 19 - конденсатор фильтра.
На фиг. 2 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов, поясняющие общий принцип работы устройства.
На фиг. 3 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов, поясняющие принцип работы устройства при настройках защиты от импульсных понижениях ("провалах") входного напряжения.
На фиг. 4 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов, поясняющие принцип работы устройства при настройках защиты от импульсных превышениях входного напряжения.
На фиг. 2…4 показано: +IN - пример формы напряжения, поступающего на вход устройства, IДОП - пример изменения нагрузки (дополнительный ток, протекающий через устройство), IH - ток нагрузки, протекающий через шину 12, +OUT - напряжение на выходе устройства, Е - энергия (мДж) рассеиваемая транзистором 3. Епрототип - энергия (мДж) рассеиваемая коммутирующим транзистором в устройстве-прототипе.
Графики, приведенные на фиг. 2…4 являются результатом математического моделирования заявляемого устройства, в которые внесены поясняющие надписи.
Устройство, показанное на фиг. 1 выполнено следующим образом.
Шина 1 соединена с истоком транзистора 3 и первыми выводами конденсатора 11 времязадающей цепи и резистора 9. Сток транзистора 3 соединен с шиной 12, высокопотенциальным выводом конденсатора фильтра 19 и, через резистор обратной связи 5, с затвором транзистора 4. Исток транзистора 4 соединен со вторым выводом резистора 9. Сток транзистора 4 соединен с затвором транзистора 3, через резистор 7, со своим затвором и, через резистор 10 с шинами 2 и 13. Низкопотенциальный вывод конденсатора фильтра 19 соединен через резистивный датчик тока 10 с шинами 2 и 13 и, через резистор 6, с затвором транзистора 4. Нагрузка 14 подключена к шинам 12 и 13. Времязадающая цепь состоит из конденсатора 11, резисторов 5-8 и резистивного датчика тока 10. Постоянная времени времязадающей цепи определена емкостью конденсатора 11 и эквивалентным сопротивлением резисторов 5-8 и резистивного датчика тока 10.
В основе функционирования устройства защиты от перегрузки по току лежит:
"плавное" включение транзистора 3 для ограничения тока через него при включении,
ускоренное выключение транзистора 3 при резком увеличении тока через него, например, при коротком замыкании в нагрузке,
отсутствие прерывания тока через устройство защиты от перегрузки по току при допустимых (устанавливаемых при начальной регулировке устройства) "бросках" входного напряжения,
прерывание тока через устройство защиты от перегрузки по току при недопустимых (устанавливаемых при начальной регулировке устройства) "бросках" входного напряжения.
Устройство защиты от перегрузки по току функционирует следующим образом.
В некоторый момент t1 (фиг. 2,а) на входе устройства (шина 1), на истоке транзистора 3, первом выводе конденсатора 11 и резисторе 9. появляется входное напряжение +IN (заканчивается в момент t2). В этот момент напряжение на конденсаторе 11 равно нулю, вследствие чего транзистор 4 закрыт. Транзистор 3 либо открыт на уровне прохождения "малых" токов, либо закрыт - при напряжении на его затворе, близком к открытию транзистора 3. Это достигается выбором соотношения номиналов R8 и R7 резисторов 8 и 7. Соотношение (R8/R7) должно быть в пределах от 5 до 10, чтобы обеспечить в первый момент (t1) напряжение между затвором и истоком транзистора 3 близким к уровню его открытия (в зависимости от типа транзистора это напряжение может быть от 2 до 4 В).
По мере заряда конденсатора 11 увеличивается напряжение на затворе (относительно его истока) транзистора 3, что влечет за собой его открытие (если в начальный момент он был закрыт), увеличение тока через него и заряду конденсаторов 19 и 15. Действующее на затворе транзистора 4 напряжение формируется из нескольких составляющих: а) увеличение напряжения на конденсаторе 11 способствует открытию транзистора 4, б) напряжение, возникающее на резистивном датчике тока (от прохождения тока через конденсатор фильтра 19) и поступающее через резистор 6 на затвор транзистора 4, способствует его закрытию; выходное напряжение +OUT, поступающее на затвор транзистора через резистор обратной связи 5 также способствует его закрытию.
Открытие транзистора 4 способствует ограничению напряжения между затвором и истоком транзистора 3 и, следовательно, ограничению тока через него. Закрытие транзистора 4 обеспечивает полное открытие транзистора 3.
Если в момент t3 (фиг. 2,б) появляется дополнительная нагрузка IДОП, вызывающая значительное превышение выходного тока (например, появляется короткое замыкание в нагрузке), то за счет уменьшения выходного напряжения +OUT (вследствие увеличения падения напряжения на транзисторе 3), за счет тока разряда конденсатора фильтра 19 на резистивном датчике тока 10 появляется отрицательный (относительно шины 13) импульс напряжения, который (через резистор 6) попадает на затвор транзистора 4. Транзистор 4 открывается, закрывая транзистор 3, вследствие чего выходное напряжение +OUT продолжает уменьшаться. Далее, напряжение на затворе транзистора 4, связанном через резистор обратной связи 5 с шиной 12, стремится к потенциалу шины 13 через нагрузку 14, что приводит к закрытию транзистора 3 и прекращению тока через него. Процесс прекращения тока IH показан на фиг. 2,в и 2,ж; на фиг. 2,г показано изменение напряжения на нагрузке при выключении транзистора 3.
Достигаемый эффект при использовании изобретения поясняется следующим.
Выбором номиналов резистивного датчика ток 10 (в пределах от 1 до 8 Ом), резистора 6 (в пределах от 39 до 82 кОм), резистора 7 (в пределах от 3 до 7.5 кОм) можно произвести настройку заявленного устройства на: а) отключение нагрузки при напряжении ниже заданного (фиг. 3) и б) на отключение нагрузки при напряжении выше заданного (фиг. 4).
Настройка на вариант а) основана на эффекте понижения сопротивления нагрузки, что было описано выше, в части описания функционирования. В основе настройки на вариант б) лежит увеличение падения напряжения на транзисторе 3 при увеличении входного напряжения и, следовательно - к уменьшению выходного напряжения. Далее процесс выключения транзистора происходит так же, как описано выше в части описания функционирования.
Упрощение устройства достигается тем, при одинаковых коммутируемых токах в качестве транзистора 4 можно использовать транзистор в малогабаритном исполнении за счет того, что энергия, рассеиваемая на нем при выключении (отсечке тока) в 20-50 раз меньше, чем энергия, рассеиваемая на транзисторе в прототипе. На фиг. 2,д показано значение Е близкое к 0.02 Дж - в заявляемом устройстве.. На фиг. 2,е показано значение Е близкое к 0.8 Дж - в устройстве - прототипе.
На практике это приводит к тому, что для заявленного устройства можно использовать транзисторы в корпусе SMD-0.2 или SMD-0.5 с допустимой энергией рассеивания Е<(0.05-0.08) Дж. Для устройства-прототипа необходимо использовать транзисторы в корпусе SMD-2 или в корпусе с большими габаритами с допустимой энергией рассеивания Е>1.0 Дж.
Увеличение КПД связано с тем, что резистивный датчик тока 10 установлен в цепи емкостной нагрузки - ток через него протекает в течение времени Т переходных процессов, Т<2 мс.
В устройстве - прототипе датчик тока (шунт) установлен в цепи прохождения тока нагрузки. Выделяемая мощность на нем, например, при его сопротивлении 0.5 Ом и токе порядка 1.5 А, составляет более 1 Вт.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях 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".
Устройство защиты от перегрузки по току, содержащее резистивный датчик тока, конденсатор времязадающей цепи, шины отрицательного и положительного потенциала входного и выходного напряжений, управляющий и коммутирующий р-МОП транзисторы, выход последнего из которых соединен с первым выводом резистора обратной связи и шиной положительного потенциала выходного напряжения, при этом шина отрицательного потенциала входного напряжения соединена с шиной отрицательного потенциала выходного напряжения, отличающееся тем, что в него дополнительно введен фильтр в виде последовательно соединенного конденсатора фильтра и резистивного датчика тока, включенного между шиной отрицательного потенциала выходного напряжения и низкопотенциальным выводом конденсатора фильтра, соединенного через первый резистор с затвором управляющего р-МОП транзистора, соединенного со вторым выводом резистора обратной связи и, через второй резистор, - со своим стоком и затвором коммутирующего р-МОП транзистора, соединенного через третий резистор с шиной отрицательного потенциала выходного напряжения, при этом исток управляющего р-МОП транзистора соединен через четвертый резистор с шиной положительного потенциала входного напряжения, истоком коммутирующего р-МОП транзистора и, через конденсатор времязадающей цепи, – со своим затвором, высокопотенциальный вывод конденсатора фильтра соединен со стоком коммутирующего р-МОП транзистора.
