Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току



Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

 


Владельцы патента RU 2523021:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках питания с защитой от перегрузки по току без использования датчика тока, преимущественно в системах управления космических аппаратов. Технический результат заключается в снижении массы и габаритов коммутатора напряжения и повышении точности при изменении электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры. Для этого заявленное устройство содержит электронный коммутатор с МОП структурой, который подает питание в блок нагрузки. Подключенный к общей точке коммутатора и блока нагрузки электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор снижают погрешность формирования уровня срабатывания релейного элемента с гистерезисом, который управляют с помощью первого и второго элементов И включением и выключением питания блока нагрузки. При наличии перегрузки по току осуществляется отключение питания от блока нагрузки. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания с защитой от перегрузки по току, преимущественно в системах управления космических аппаратов.

Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1], содержащий электронный ключ, первый и второй релейные элементы, датчик тока, триггер, блок нагрузки, операционный усилитель, задатчик напряжения, транзистор.

Недостаток известного устройства состоит в его сложности и в использовании датчика тока (шунта). При коммутации больших токов на шунте выделяется значительная мощность, что приводит к увеличению массы и габаритов коммутатора напряжения за счет установки металлического отводящего тепло от шунта элемента, рассчитанного на отвод тепла большой мощности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, описанный в [2]. Известный коммутатор напряжения содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный коммутатор и блок нагрузки, а также релейный элемент, триггер.

Недостаток известного устройства состоит в том, что он использует датчик тока для реализации своей основной функции. При коммутации больших токов в цепях их протекания возникают значительные помехи. Для получения достоверного уровня срабатывания релейного элемента необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превышал уровень сигнала помехи. Для этого требуется увеличивать омическое сопротивление датчика тока, а это приводит к значительному увеличению на нем рассеиваемой мощности и, как следствие, к увеличению массы и габаритов. Для достоверного срабатывания релейного элемента, выключающего коммутатор при возникновении тока перегрузки, величина полезного входного сигнала релейного элемента должна быть на уровне 100-300 мВ. Так, при коммутации тока IH=50A и при сопротивлении датчика тока (шунта) rш=4 мОм тепловыделение шунта составит 10 Вт. Для отвода такого тепла от шунта требуется значительный по массе и габаритам металлический элемент, что увеличивает массу и габариты коммутатора напряжения.

Задача изобретения - снижение массы и габаритов коммутатора напряжения и повышение точности при изменении сопротивления электронного коммутатора в открытом состоянии в зависимости от температуры.

Эта задача достигается тем, что коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит входную шину, первый элемент И, релейный элемент с гистерезисом, инверсный выход которого соединен с первым входом первого элемента И, и последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки, при этом электронный коммутатор выполнен в виде электронного ключа с МОП структурой, а в коммутатор напряжения дополнительно введены второй элемент И, электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор, общая точка которых соединена с входом релейного элемента с гистерезисом, инверсный выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с входной шиной и вторым входом первого элемента И, выход второго элемента И соединен с входом управления электронного ключа, выход которого соединен с резистором, выход первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора, общая точка которого с блоком нагрузки подключена к сигнальному входу электронного ключа.

На фиг.1 приведена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току. На этой схеме: 1 - входная шина, 2 - первый элемент И, 3 - электронный коммутатор, 4 - блок нагрузки, 5 - второй элемент И, 6 - электронный ключ, 7 - релейный элемент с гистерезисом, 8 - резистор, 9 - терморезистор.

Входная шина 1 соединена с вторыми входами первого 2 и второго 5 элементов И, первые входы которых подключены к инверсному выходу релейного элемента с гистерезисом 7. Электронный коммутатор 3 и блок нагрузки 4 соединены последовательно, при этом их общая точка подключена к сигнальному входу электронного ключа 6, выход которого соединен с последовательно соединенными резистором 8 и терморезисторм 9, общая точка которых подключена к входу управления релейного элемента с гистерезисом 7. Выход первого элемента И 2 соединен с входом управления электронного коммутатора 3, выход второго элемента И 5 соединен с входом управления электронного ключа 6.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом. В качестве электронного коммутатора 3 предполагается использование электронного ключа (транзистора) с МОП структурой. Особенностью такого элемента является возможность коммутировать большие токи, при этом при коммутации различных токов омическое сопротивление открытого электронного ключа (транзистора) практически не зависит от величины тока и составляет незначительную величину (единицы мОм). Кроме того, транзисторы с МОП структурой изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры перехода, причем, это изменение носит, как правило, линейный характер.

В общем случае падение напряжения UK на открытом электронном коммутаторе 3 можно представить в виде

U К = r К I H ( 1 )

где IH - коммутируемый ток нагрузки, rК - сопротивление электронного коммутатора 3 в открытом (включенном) состоянии. Сопротивление электронного коммутатора rК можно представить в виде

r К = r 0 ( 1 + K 1 Δ t ) ( 2 )

где r0 - сопротивление электронного коммутатора 3 при температуре t0, K1 - температурный коэффициент изменения сопротивления rК, Δt - разность температур относительно t0.

Будем предполагать, что электронный коммутатор 3 находится в открытом (включенном) состоянии, если на его вход управления подается положительный сигнал U2 с выхода первого элемента И 2 (U2=1), и в закрытом (выключенном) состоянии, если U2=0. Считаем также, что в исходном состоянии сигнал на инверсном выходе релейного элемента с гистерезисом 7 U7=1. В этом случае при сигнале на входной шине 1 UВХ=1 электронный коммутатор 3 находится в открытом (включенном) состоянии, при UВХ=0 электронный коммутатор 3 находится в закрытом (выключенном) состоянии. Как следует из структурной схемы фиг.1, электронный ключ 6 функционирует синхронно с электронным коммутатором 3 (электронный ключ 6 открыт, если сигнал с выхода второго элемента 5 И U5=1, электронный ключ 6 закрыт, если сигнал U5=0, и его выходной сигнал U6=0).

Пусть уровень срабатывания релейного элемента с гистерезисом 7 выбран равным UП. Напряжение на входе релейного элемента 7 обозначим UХ. Напряжения UХ и UК связаны соотношением

U Х = U К R t / ( R 1 + R t ) ( 3 )

где Rt - сопротивление терморезистора, R1 - сопротивление резистора.

При падении напряжения на коммутаторе 3 UК, при котором UХ=UП, произойдет срабатывание релейного элемента с гистерезисом 7 (гистерезис релейного элемента 7 выбран равным UП). Выходной сигнал релейного элемента 7 U7=0 и выходные сигналы первого 2 и второго 5 элементов И будут равны соответственно U2=0 и U5=0. Эти сигналы выключают электронный коммутатор 3 и электронный ключ 6. Электронный коммутатор 3 снимает напряжение с блока нагрузки 4.

Напряжение UП выбирается из условия заданного тока IH, при котором необходимо отключать напряжение с блока нагрузки 4, и известного сопротивления электронного коммутатора с МОП структурой 3 rК в соответствии с (1). Если, например, R1=Rt0, rК=4 мОм и ток отключения IH=50 A, то UП выбирается равным 0,1 В. Если ток нагрузки IH превысит значение 50 А, то электронный коммутатор 3 отключит напряжение от блока нагрузки 4. При отключении питания от блока нагрузки выключается также и электронный ключ 6, который снимает входное напряжение с релейного элемента с гистерезисом 7 (U6=0), что позволяет релейному элементу 7 находиться в выключенном состоянии.

Для компенсации изменения сопротивления rК в зависимости от температуры выберем термосопротивление с отрицательным коэффициентом температурного изменения K2, т.е. будем полагать, что

R t = R t 0 ( 1 K 2 Δ t ) ( 4 )

где Rt0 - величина термосопротивления при температуре t0. Напряжение UК можно представить в виде

U К = U 0 ( 1 + K 1 Δ t ) ( 5 )

где U0 - напряжение на открытом коммутаторе 3 при температуре t0 и токе отключения IH.

Для полной компенсации температурного изменения сопротивления rК необходимо выполнить условие

U Х = U К R t / ( R 1 + R t ) = U 0 R t 0 ( R 1 + R t 0 ) = U Х 0 = 0,5 U 0 = U П ( 6 )

Из (6) с учетом (4) и (5) имеем

K 2 = 2 K 1 / ( 1 + 2 K 1 Δ t ) ( 7 )

Как следует из (7), для полной компенсации температурного изменения сопротивления rК необходимо изменять температурный коэффициент терморезистора 9 K2 в зависимости от температуры Δt. Найти такой терморезистор не представляется возможным. Оценим погрешность предлагаемой схемы при условии выборы K2 при Δt=0,5(ΔtMAX+ΔtМИН) где ΔtMAX и ΔtМИН - соответственно максимально и минимально возможный перегрев электронного коммутатора 3.

Пусть 20°C≤Δt≤40°C. Определим значение K2 для Δt=30°C. Пусть при изменении Δt от 0°C до 100°C сопротивление rК линейно изменяется в два раза, т.е. rК=2r0. Из (2) K1=0,01. Из (7) при Δt=30°C K2=0,0125. Выберем терморезистор с таким температурным коэффициентом. Определим погрешность δ1 формирования уровня отключения по току предлагаемым коммутатором напряжения при минимальном значении температуры ΔtМИН=20°C. При Δt=20°C из (5) UK1=1,2U0. Из (4) Rt1=0,75R0. Из (6) UХ1=0,514U0. Погрешность δ1 определим в виде

δ 1 = ( U X 1 U X 0 ) / U X 0 ( 8 )

Погрешность δ1 из (8) равна 0,028 или 2,8%.

Определим погрешность δ2 формирования уровня отключения по току предлагаемым коммутатором напряжения при максимальном значении температуры ΔtMAX=40°C. Из (5) UК2=1,4U0. Из (4) Rt2=0,5R0. Из (6) UХ2=0,47U0. Погрешность δ2 определим в виде

δ 1 = ( U X 0 U X 2 ) / U X 0 ( 9 )

Погрешность δ2 из (9) равна 0,06 или 6%.

Погрешность формирования сигнала UК при Δt=20°C из (1) и (2) составляет 20%, при Δt=40°C составляет 40%. Предлагаемая схема позволяет снизить погрешность формирования уровня отключения напряжения от блока нагрузки 4 при перегрузке по току соответственно до 2,8% и 6%.

По сравнению с известным коммутатором напряжения [2] предлагаемое изобретение позволяет снизить массу и габариты коммутатора за счет снятия требований по отводу тепла с датчика тока, который в предлагаемой схеме отсутствует. В известной схеме при использовании датчика тока с rш=4 мОм при токе 50A рассеивается мощность 10 Вт. Для отвода тепла в 10 Вт требуется металлическая отводящая поверхность площадью 2 дм2. При допустимом перегреве на датчике тока в 30°C по сравнению с температурой окружающей среды потребуется теплоотвод с теплоотводящей поверхностью 100×200 мм. При использовании в качестве теплоотвода алюминиевой пластины толщиной 5 мм масса теплоотвода составит 250 г, что для одного коммутатора является значительной величиной. При использовании электронных коммутаторов в системах управления, например, космических аппаратов дополнительная масса является существенным недостатком.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами 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". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы логические элементы И, например, серии 564, стандартные релейные элементы, электронные коммутаторы с МОП структурой, например, типа 2П7161 Б, электронные ключи, серии 564, резисторы и терморезисторы.

Литература

1. Патент РФ №2258302, Кл. H03K 17/08, 2005 г.

2. Патент РФ №2208291, Кл. H03K 17/08, 2003 г.

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий входную шину, первый элемент И, релейный элемент с гистерезисом, инверсный выход которого соединен с первым входом первого элемента И, и последовательно соединенные электронный коммутатор и блок нагрузки, отличающийся тем, что электронный коммутатор выполнен в виде электронного ключа с МОП структурой, а кроме того, в коммутатор напряжения дополнительно введены второй элемент И, электронный ключ и последовательно соединенные резистор и терморезистор, общая точка которых соединена с входом релейного элемента с гистерезисом, инверсный выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с входной шиной и вторым входом первого элемента И, выход второго элемента И соединен с входом управления электронного ключа, выход которого соединен с резистором, выход первого элемента И соединен с входом управления электронного коммутатора, общая точка которого с блоком нагрузки подключена к сигнальному входу электронного ключа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к силовой электронике. Его использование в импульсных регуляторах и инверторах напряжения позволяет обеспечить технический результат - значительное снижение динамические потерь в силовых ключах схемы.

Изобретение относится к силовой электронике. Его использование в импульсных регуляторах и инверторах напряжения позволяет обеспечить значительное снижение динамических потерь в силовых ключах схемы.

Изобретение относится к электронике интегральных микросхем (ИС) и может быть использовано в составе радиоэлектронной аппаратуры наземного, морского и аэрокосмического базирования.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в разработке формирователя энергии с целью обеспечения мощного импульса тока (напряжения), способного уменьшить коммутационные всплески и резонансные колебания тока (напряжения) в нагрузке, повышении надежности работы ключей и других устройств, физически связанных с данным формирователем энергии, заданного ограничения импульса тока нагрузки.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления тиристорами в преобразователях различной мощности. .

Изобретение относится к области микроэлектроники и, в частности, к сенсорным и микромощным микросхемам. .

Изобретение относится к электронике интегральных микросхем и может быть использовано в составе бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) для защиты от последствий попадания тяжелых заряженных частиц.

Изобретение относится к микроэлектронике, а также к нано- и микросистемной технике и может быть использовано в интегральных микросхемах с защитой от электрических и/или тепловых перегрузок.

Изобретение относится к управлению работой электронных вентилей, имеющих изолированный затвор, в частности к управлению работой биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ).

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в составе радиоэлектронной аппаратуры наземного, морского и аэрокосмического базирования. .

Изобретение относится к области радиотехники. .

Изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе программируемых логических интегральных схем. .

Изобретение относится к устройствам коммутации и может быть использовано в микропроцессорных системах, где требуется быстрая параллельная передача информации между цифровыми устройствами.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электронных ключах на основе полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к средствам защиты от несанкционированного доступа к информации, и может быть использовано для обработки и преобразования информации в узлах коммутации данных.

Изобретение относится к области импульсной техники, а конкретнее к ключевым элементам, и может быть использовано в вычислительной технике. .

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к коммутационным устройствам, и касается двухпозиционных двустабильных реле. .

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым высоковольтным преобразователям, и может мыть использовано для плавного пуска асинхронных и синхронных электродвигателей.

Изобретение относится к электротехнике, к ограничителям тока повреждения. Технический результат состоит в экономичной и эффективном повышении качества электрического тока путем уменьшения гармонических искажений.
Наверх