Оптоэлектронный ключ с защитой по току

 

Использование изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники. Сущность изобретения: устройство содержит 1 фототранзисторный оптрон (1), транзистор (2), 4 резистора (5. 6, 7, 8), 2 элемента односторонней проводимости (3, 4), 1 конденсатор (9) 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s()s Н 03 К 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю

I»

I» (21) 4891382/21 (22) 13.12.90 (46) 15.09.92. Бюл, М 34 (71) Львовский научно-исследовательский радиотехнический институт (72) Д.Л.Орлов и А.И.Черников (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 1354409, кл. Н 03 К 17/08, 1986, Авторское свидетельство СССР

М 1398074, кл. Н 03 К 17/08, 1986.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники.

Известен оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, два транзистора разного типа проводимости, четыре резистора и элемент односторонней проводимости, светодиод оптрона подключен к входным шинам, первый резистор включен между базой первого транзистора и первой шиной питания. второй резистор включен параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора, коллектор фототранзистора оптрона соединен с первым выводом третьего резистора, эмиттеры фототранзистора оптрона и второго транзистора соединены с второй шиной питания, второй -вывод третьего резистора соединен с первым выводом элемента односторонней проводимости и с базой первого транзистора, эмиттер которого через четвертый резистор соединен с первой шиной питания, а коллектор — с базой второго транзистора, коллектор которого. Ж 1 762406 А1 (54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ С ЗАЩИТОЙ ПО ТОКУ (57) Использование: изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники, Сущность изобретения: устройство содержит 1 фототранзисторный оптрон (1), транзистор (2), 4 резистора (5, 6, 7.

8), 2 элемента односторонней проводимости (3, 4), 1 конденсатор (9). 2 ил, соединен с вторым выводом элемента односторонней проводимости и выходной шиной ключа.

Недостатком такого устройства является низкая надежность, обусловленная большим количеством функциональных элементов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, элемент односторонней проводимости, три резистора и транзистор, проводимость которого противоположна проводимости фототранэистора оптрона, светодиод оптрона подключен к входным шинам, причем коллектор фототранзистора оптрона соединен с базой транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером тоанзистооа и первой шиной питания. база и змиттер фототранзистора оптрона соединены с второй шиной питания соответственно через второй и третий резисторы, база фототранзистора оптрона соединена непосредственно с первым вы1762406 водом элемента односторонней проводимости, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора M выходной шиной устройства.

В большинстве случаев исполнительными элементами, которые коммутируют электронные ключи, являются устройства и механизмы, каторые кэк нагрузка электронного ключа характеризуется большой кратностью (различием} пускового и номинального токов. К таким нагрузкам относятся нагрузки емкостиого характера, электромагниты, двигатели, нагрузки нелинейного характера — нагревательные элементы, лампы накаливания и пр, При работе ключа иа указанные типы нагрузок ток ограничения токовой защиты ключа должен npeBblLLIBTb значение пускового тока нагрузки, т.к. в противном случае срабатывание защиты в течение переходного (пускового) режима нагрузки ключа будет квалифицировано как функциональный отказ ключа.Загрублеиие порога токоограиичеиия защиты ключа из расчета большой кратности пускового и номинального токов нагрузки делает невозможным срабатывание защиты как при токовой перегрузке, при которой ТоК превышает номинальное значение, ис меньше пускового. Оба указанных фактора: вынужденное заглублеиие характеристики тскссграничаиия и работа клю <э без срабатывания зэщи;ы в указанном «ыше ре;к,;. е перегруз <и, обуслэвливз|ст в ссискуписст, принципиальные недостатки про oTипа: низкие КПД и функциональная -1эде:,: —:.ость ключа.

Целью !Bohr,еTеи;:1я является повышение нdäеежиссти оэ )сTBI и КПД ключа в режиме и е pe r póç l<è, Поставленная цель дссти эется тем, что в устройство. ссдсрх<эщее транзисторный сг1трси. трэиз. е ñð прс1ивсг1слсжнсй к фоToTpBllзисTnpy «птроиэ провод: мосчи, элемент одиос гороиией проводимости первый, второй и третий резисторы, причем светодиод сптрсиэ соединен с входными выводами устройс-.ва, база фотстрэнзистора оптроиэ через первый резистор соединена со второй шиной питания, а через элемент односторонней проводимости — с выходной шиной устройства коллектор фототрэизистсра сптрсиэ чер==-, гтсрсй резистор соединен с первой шиной -п ° ания, с которой соединен эмит.ер транзистора, база которого соедииеl- э с ксллеKTîpсм фототранзистора orITpor a, э коллектор — с выходной шиной уcTpoAOTBB, дополиительНо введены реevcrop, конденсатор и элемент односторонней проводимости, при этом введенный элемент од, сстороиней проводимости, соединен встречно-пeðàëлельно с база-эмиттерным переходом фототранзистора оптроиэ, а параллельно соединенные введенные резистор и конденсатор через третий резистор включены между

5 эмиттером фототранзистора оптрона и второй шиной питания, Физическая сущность изобретения заключается в формировании введенными резистором и конденсатором токовой

1О иагрузочиой характеристики, сопряженной с время-токовой характеристикой нагрузки ключа, и в формировании посредством введенного элемента односторонней проводимости автоматического возврата элементов

15 защиты в исходное состояние.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием резистора, конденсатора и элемента односторонней проводимо20 сти, а также их связями с остальными элементами устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического peLLIåíèÿ критерию "новизна".

Введенные элементы известны, однако

25 в указанных взаимосвязях они позволяют формировать двухуровневую характеристику токового ограничения устройства, обеспечивая таким образом повышение его надежности и КПД, что позволяет сделать

30 вывод о соответствии заявляемого технического решения критери с изобретения "суL .IeñTBålIIIBIB отличия", На фиг, 1 представлена схема предлагаемого устройсTBB: иа фиг, 2 — функция

35 токового огран,,,ения устройства от време,и (а) и время — нагрузсчная характеристика испслиительногс элемента иа выходе элек-рсиис с клю«э (б).

Устройства (фиг. 1) состоит из транзи40 сториого сптроиэ 1, транзистора 2. первого

3 и второго 4 элементов односторонней проводимости, первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 резисторов и конденсатора 9.

Светодиод транзисторного оптроиа 1

45 соединен с входными выводами устройства, база фототранзистора оптрона 1 через резис-ср 5 соединена со второй шиной питания и через элемент односторонней проводимости 3 с выходной шиной устрой50 стьг, эмиттер фототранэистора оптрона 1 через элемент односторонней проводимости 4 соединен с базой фототраизистора оптрона, эмиттер фототраизистора оптрона

1 соединен с параллельно соединенными

55 резистором 8 и коидеисатсром 9, которые через резистор 7 соединены со второй шиной г|итания. Коллектор фототраизистора сптроиа соединен с базой транзистора 2 и через резистор 6 с первой шиной питания. г. которой соединен эмиттер транзистора 2, 1762108

20

30

40

55 коллектор которого соединен с выходной шиной устройства.

Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала, оптрон 1 закрыт, ток базы транзистора 2 не протекает — транзистор 2 закрыт — ток в нагрузку ключом не передается.

При подаче входного сигнала и коротком замыкании в нагрузке ключа фототранзистор оптрона 1 закрыт за счет шунтирования нагрузкой базы фототранзистора оптрона 1 на вторую шину питания через элемент односторонней проводимости 3. Ток коллектора фототранэистора, а следовательно ток базы транзистора 2 не протекает — ток в нагрузку ключом не передается.

В безаварийной состоянии нагрузки, характеризующийся различием пускового и номинального токов, фототранзистор оптрона 1 открывается световым потоком светодиода оптрона 1, на вход которого подается сигнал управления. Конденсатор 9 разряжен, напряжение на нем равно нулю— в случае предыдущего включения устройства конденсатор 9 разряжен через резистор

8. Ток коллектора фототранэистора оптрона

1 протекает через б-.çó транзистора 2, открывая его, при этом н цепи эмитгера ток протекает через незаряженный конденсатор 9 и резистор 7, минуя шунтиронанный конденсатором с нулевым напряжением резистор 8. В этом момент времени ток коллектора фототранзистора оптрона 1, а следовательно, ток базы транзистора 2, Определяется только резистором 7 таким образом, что максимально возможный выходной ток ключа (l . фиг. 2) несколько превышает значение пускового тока нагрузки (начальная точка кривой "б", фиг. 2). По мере уменьшения тока нагрузки ключа, в устройстве конденсатор 9 заряжается током резистора 7 с постоянной времени, определяемой произведением сопротивления резистора 7 на емкость конденсатора 9.

Напряжение на конденсаторе 9 начинает возрастать, часть тока резистора 7 ответеляется в резистор 8. Постоянная времени заряда конденсатора 9 выбирается большей или равной постоянной времени переходного процесса в нагрузке. По окончании переходного процесса конденсатор 9 заряжен полностью, напряжение на нем определяется соотношением величин сопротивлений резисторов 7 и 8, ток коллектора фототранэистора оптрона 1 (ток базы транзистора 2) определяется теперь суммарным значением сопротивлений 7 и 8 на уровне (lz, фиг. 2), превышающем максимально возможный номинальный ток нагрузки. Таким образом устройство формирует два порога токовой защиты — максимальный н начальный момент времени (11) и минимальный 1 ) по окончании переходного процесса в нагрузке.

В случае перегрузки устройства в любой момент времени, т.е, при превышении током нагрузки ключа значении характеристики "а" (фиг. 2). фототранэистор оптрона 1 и транзистор 2 выходят из режима насыщения, напряжение коллектор — эмиттер транзистора 2 растет, что вызывает шунтирование базы фототранзистора оптрона 1 нагрузкой через открывающийся элемент односторонней проводимости 3.

Выходной ток устройства начинает ограничиваться.

В случае аварийного состояния нагрузки — значительнои перегрузки или короткого замыкания выходных шин ключа, после включения устройства, разряженный (или частично заряженный но время переходного процесса) конденсатор 9 разряжается, помимо резистора 8, через сформированную цепь разряда: элементы односторонней проводимости 4, 3 — нагрузка ключа — вторая шина питания — резистор 7. Указанная цепь выполняет несколько важных функций для устройства. Во-первых, открытый разрядным током конденсатора 9 элемент односторонней проводимости 4 надежно закрывает фототранзистор оптрона 1 обратным напряжением на база-эмиттерном переходе. защищая в то же время указанный переход от обратного напряжения пробоя. Во-вторых, форсированный разряд ко денсатора 9 создает условия для более оперативного повторения цикла включения с последующим переходным процессом, при устранении неисправности в нагрузке. Таким образом введенные элементы обеспечивают быстрый переход устройства в режим то оного ограничения при перегрузке.

Следует отметить дсполнительно, что введенные элемснты позволяют игключить переход устройства н режим токового ограничения. в режимах зксплуатац и, провоцирующих ложные срабатывания защиты, Так, например, при скачке напряжения на шинах питания нагрузки, особенно на нагрузке нелинейного или емкостного характера, будет вызван скачок тока на уровне (или превышающем уровень) пускового тока нагрузки. Переход ключа н режим токоо раничения будет воспринят как функционально ложное срабатывание защиты, т.к. увели ение тока не вызвано аварийным режимом нагрузки.

В то же время н заявляемом устройстве скачок напряжения вызывает ска

1762406

8 напряжения питания конденсатор 9 полностью шунтирует током заряда резистор 8— порог TQKQBolo ограничения ключа определяется исключительно резистором 1 на уровне, превышающем значение ti(иэ-эа повышения напряжения на шинах питания нагрузки), Описанные процессы подтверждают повышение функциональной надежности устройства.

При устранении перегрузки или короткого замыкания в нагрузке, в устройстве автоматически обеспечивается возврат режимов всех элементов в исходное состояние, Положительный эффект изобретения заключается во введении s известное устройство элемента односторонней проводимости 4, резистора 8 и конденсатора 9 сп связями, при этом заявляемым устройством проявляются новые качества: — заявляемое устройство переходит в режим токоограничения при токах в нагрузке, меньших пусковых токов. Уменьшение значения тока перегрузки обуславливает повышение КПД ключа, — устройство исключает ложное срабатывание защиты при выбросах напряжения нв нагрузке, что обуславливает повышение функциональной надежности ключа.

Устройство обеспечивает работу на нагрузку с. большой кратностью пускового и номинального токов с одновременным улучшением энергетических характеристик.

В режиме перегрузки и короткого замыкания устройство обеспечивает оперативный переход в режим токового ограничения.

5 Формула изобретения

Оптоэлектронный ключ с защитой по току. содержащий транзисторный оптрон, транзистор противоположной к фототранзистору оптрона проводимости, элемент од10 носторонней проводимости и первый, второй и третий резисторы, при <ем светодиод оптрона соединен с входными выводами устройства, база фототранзистора оптрона через первый резистор соединена со второй

15 шиной питания, а через элемент односторонней проводимости — с выходной шиной устройства, коллектор фототранзистора оптрона через второй резистор соединен с первой шиной питания, с которой соединен

20 эмиттер транзистора, база которого соединена с коллектором фототранзистора оптрона, а коллектор — с выходной шиной устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы и КПД, вве25 дены четвертый резистор, конденсатор и второй элемент односторонней проводимости, который соединен встречно-параллельно база-эмиттерному переходу фототранзистора оптрона, а параллельно

30 соединенные четвертый резистор и конденсатор через третий резистор включены между эмиттером фототранзистора оптрона и второй шиной питания.

1762406

Составитель Л.Штойко

Техред M.Mîðãåíòàë

Корректор А.Ворович

Редактор Н.КаМенская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3265 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5