ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
ELECTRONIC FUSE

Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и силовых цепей вторичных источников питания от перегрузок и коротких замыканий по току, от переполюсовки и превышения входного напряжения.
Известно защитное реле (см. патент РФ №2524171, «Защитное реле», Саракава X., Янангихаси Ю., Маехара X., Танака Т., Суга Н., Суто И., опубликовано 27.07.2014), содержащее входную цепь, блок срабатывания и защитное реле. Входная цепь включает в себя средство переключения, резисторы деления напряжения, оптрон, подключенный через выходную цепь к блоку срабатывания, и средство регулировки порогового напряжения, соединённое с резисторами деления напряжения.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и, соответственно, ограниченная область применения, так как отсутствуют функции защиты нагрузки от переполюсовки входного напряжения и от перегрузок и коротких замыканий по току.
Известен электронный предохранитель (см. патент РФ №2398335, «Электронный предохранитель», Коновалов Д.В., опубликовано 27.08.2010), содержащий положительную и отрицательную клеммы для подведения питания к нагрузке, биполярный и полевой транзисторы, четыре резистора, при этом положительная клемма подключена к первому выводу первого резистора, первому выводу третьего резистора, отрицательная клемма подключена ко второму выводу второго резистора, к эмиттеру биполярного транзистора и к истоку полевого транзистора, второй вывод первого резистора подключен к первому выводу четвёртого резистора, к первому выводу второго резистора и к базе биполярного транзистора, второй вывод третьего резистора подключен к коллектору биполярного транзистора и к затвору полевого транзистора, сток которого подключен ко второму выводу четвёртого резистора. Электронный предохранитель дополнительно содержит стабилитрон для ограничения максимального напряжения затвор-исток полевого транзистора, подключенного анодом к истоку полевого транзистора, а катодом к затвору полевого транзистора. Электронный предохранитель дополнительно содержит конденсатор, расположенный между отрицательной клеммой и первым выводом второго резистора. Биполярный транзистор выполнен в виде NPN-типа.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и, соответственно, ограниченная область применения, так как отсутствуют функции защиты нагрузки от переполюсовки и превышения входного напряжения. Кроме того, использование конденсатора обеспечивает отсутствие сбоя при включении полевого транзистора в случае его перегрузки пусковым током нагрузки, но при этом снижает быстродействие электронного предохранителя при защите от превышения тока нагрузки, возникающего после завершения переходного процесса включения питания.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание электронного предохранителя с расширенными функциональными возможностями и областью применения, а также с повышенным быстродействием защиты от перегрузок по току.
Для достижения технического результата в электронный предохранитель, содержащий транзистор NPN-типа, база которого соединена с первыми выводами первого резистора, конденсатора и второго резистора, вторые выводы конденсатора и второго резистора объединены между собой и подключены к минусовой клемме питания и к эмиттеру этого же транзистора, коллектор которого соединён с первым выводом третьего резистора, стабилитрон, плюсовую клемму питания, выходную клемму и четвёртый резистор, дополнительно введены оптоэлектронное реле, первый и второй диоды, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы и первый и второй транзисторы PNP-типа, эмиттеры которых объединены между собой и подключены к первым выводам четвёртого и пятого резисторов, к аноду управляющего светодиода оптоэлектронного реле и к катоду первого диода, анод которого подключен к плюсовой клемме питания и через силовой ключ оптоэлектронного реле к выходной клемме и аноду второго диода, катод которого соединён с первым выводом шестого резистора, второй вывод которого соединён со вторыми выводами третьего и четвёртого резисторов и с базой первого транзистора PNP-типа, коллектор которого соединён с катодом управляющего светодиода оптоэлектронного реле, со вторым выводом первого резистора и с коллектором второго транзистора PNP-типа, база которого соединена со вторым выводом пятого резистора и с катодом стабилитрона, анод которого соединён с первыми выводами седьмого и восьмого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с катодом второго диода и минусовой клеммой питания.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет расширить функциональные возможности и область применения за счёт введения функций защиты от переполюсовки и превышения входного напряжения. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить быстродействие защиты от перегрузок по току за счёт введения пусковой части схемы защиты (транзистор NPN-типа и второй резистор) и перенесения конденсатора из дежурной части схемы защиты (первый транзистор PNP-типа, третий, четвёртый и пятый резисторы и второй диод) в пусковую часть. При этом второй диод обеспечивает компенсацию падения напряжения на первом диоде и защиту нагрузки от высокого напряжения при превышении входного напряжения, которое поступает через первый диод, базо-эмиттерный переход первого транзистора PNP-типа и четвёртый резистор на катод второго диода.
На фиг. 1 приведена схема электронного предохранителя.
Электронный предохранитель содержит транзистор NPN-типа 1, первый 2 и второй 3 транзисторы PNP-типа, оптоэлектронное реле 4, первый 5 и второй 6 диоды, стабилитрон 7, конденсатор 8, восемь резисторов 9-16, плюсовую 17 и минусовую 18 клеммы питания и выходную клемму 19. База транзистора NPN-типа 1 соединена с первыми выводами первого резистора 9, конденсатора 8 и второго резистора 10. Вторые выводы конденсатора 8 и второго резистора 10 объединены между собой и подключены к минусовой клемме питания 18 и к эмиттеру этого же транзистора 1, коллектор которого соединён с первым выводом третьего резистора 11. Эмиттеры первого 2 и второго 3 транзисторов PNP-типа объединены между собой и подключены к первым выводам четвёртого 12 и пятого 13 резисторов, к аноду управляющего светодиода оптоэлектронного реле 4 и к катоду первого диода 5, анод которого подключен к плюсовой клемме питания 17 и через силовой ключ оптоэлектронного реле 4 к выходной клемме 19 и аноду второго диода 6, катод которого соединён с первым выводом шестого резистора 14, второй вывод которого соединён со вторыми выводами третьего 11 и четвёртого 12 резисторов и с базой первого транзистора PNP-типа 2, коллектор которого соединён с катодом управляющего светодиода оптоэлектронного реле 4, со вторым выводом первого резистора 9 и с коллектором второго транзистора PNP-типа 3, база которого соединена со вторым выводом пятого резистора 13 и с катодом стабилитрона 7, анод которого соединён с первыми выводами седьмого 15 и восьмого 16 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с катодом второго диода 6 и минусовой клеммой питания 18.
Электронный предохранитель (см. Фиг. 1) работает следующим образом.
Нагрузка подключается к выходной 19 и минусовой 18 клеммам устройства. Напряжение питания прикладывается к плюсовой 17 и минусовой 18 клеммам. В первый момент после подачи напряжения питания конденсатор 8 разряжен. Протекает ток с плюсовой клеммы 17 через первый диод 5, светодиод оптоэлектронного реле 4, первый резистор 9 и конденсатор 8 на минусовую клемму 18. Этим током открывается силовой ключ оптоэлектронного реле 4 и заряжается конденсатор 8. Одновременно током, протекающим через силовой ключ оптоэлектронного реле 4, заряжается ёмкость в цепи питания нагрузки. Номиналы первого резистора 9 и конденсатора 8 выбираются такими, чтобы ёмкость нагрузки зарядилась раньше, чем напряжение на конденсаторе 8 достигнет порога открывания транзистора NPN-типа 1. Когда указанный транзистор откроется, схема защиты от превышения тока нагрузки, выполненная на первом транзисторе PNP-типа 2, переводится из выключенного состояния в дежурный режим. Таким образом парируется ложное срабатывание электронного предохранителя от пускового тока, возникающего в процессе заряда ёмкости нагрузки. Если в нагрузке имеется короткое замыкание между шинами питания или ток нагрузки превышает пороговое значение по иной причине, то после включения питания силовой ключ оптоэлектронного реле 4 выдерживает ток короткого замыкания, пока не откроется транзистора NPN-типа 1 и не сработает схема защиты от превышения тока нагрузки. Для этого силовой ключ оптоэлектронного реле 4 должен допускать достаточно большой ток в импульсном режиме.
В случае переполюсовки напряжения, прикладываемого к плюсовой 17 и минусовой 18 клеммам, например из-за ошибки оператора, первый диод 5 заперт и на нём падает практически всё приложенное напряжение. Лишь незначительная часть указанного напряжения, обусловленная током утечки первого диода 5, падает на цепочке из последовательно соединённых четвёртого 12, шестого 14, седьмого 15 и восьмого 16 резисторов. Это защищает от пробоя обратным напряжением p-n-переходы эмиттеров всех транзисторов и управляющего светодиода оптоэлектронного реле 4. Силовой ключ оптоэлектронного реле 4 закрыт и нагрузка обесточена.
Схема защиты от превышения тока нагрузки работает следующим образом. Датчиком тока, преобразующим ток нагрузки в напряжение, служит сопротивление открытого силового ключа оптоэлектронного реле 4. Указанное напряжение прикладывается через первый диод 5 к эмиттеру а через второй диод 6 и шестой резистор 14 к базе первого транзистора PNP-типа 2. Между базой и эмиттером указанного транзистора присутствует некоторое напряжение, определяемое резистивным делителем напряжения, одно плечо которого составлено шестым 14 и четвёртым 12 резисторами, а второе плечо образовано третьим резистором 11. Пока ток нагрузки меньше заданного порогового значения, это напряжение меньше порога открывания первого транзистора PNP-типа 2, но с ростом тока нагрузки оно увеличивается и при достижении током нагрузки порогового значения достигает порога открывания первого транзистора PNP-типа 2, который, открываясь, шунтирует управляющий светодиод оптоэлектронного реле 4, силовой ключ которого при этом закрывается, отключая нагрузку от источника питания. Напряжение на нагрузке падает, второй диод 6 закрывается, ток через шестой резистор 14 прекращается, что приводит к увеличению напряжения между базой и эмиттером первого транзистора PNP-типа 2. Таким образом, второй диод 6 и шестой резистор 14 образуют положительную обратную связь, превращающую выключение электронного предохранителя в лавинообразный процесс. Это важно ввиду того, что силовой ключ оптоэлектронного реле 4 должен находиться только в открытом или закрытом состоянии. «Зависание» его в полуоткрытом (полузакрытом) состоянии привело бы его к перегреву и выходу из строя. Следует отметить, что падение напряжения на первом диоде 5 компенсируется таким же падением напряжения на втором диоде 6, что уменьшает их влияние на стабильность порога срабатывания схемы защиты от превышения тока нагрузки.
Схема защиты от превышения напряжения на нагрузке работает следующим образом. Если напряжение на нагрузке не превышает заданного порога, стабилитрон 7 закрыт. С повышением напряжения нагрузки стабилитрон 7 открывается и начинает увеличиваться ток через пятый 13 и восьмой 16 резисторы. Когда напряжение на пятом резисторе 13 достигнет порога открывания второго транзистора PNP-типа 3, он откроется и зашунтирует управляющий светодиод оптоэлектронного реле 4, силовой ключ которого при этом закрывается, отключая нагрузку от источника питания. Напряжение на нагрузке падает, второй диод 6 закрывается, ток через седьмой резистор 15 прекращается, напряжение на восьмом резисторе 16 уменьшается, что приводит к увеличению напряжения между базой и эмиттером второго транзистора PNP-типа 3. Таким образом, второй диод 6 и седьмой резистор 15 образуют положительную обратную связь, превращающую выключение электронного предохранителя в лавинообразный процесс. При достижении напряжения между плюсовой 17 и минусовой 18 клеммами предельно допустимого значения, напряжение на восьмом резисторе 16 будет меньше этого значения на величину, равную сумме напряжений на первом диоде 5, р-n-переходе эмиттера второго транзистора PNP-типа 3 и стабилитроне 7. От указанного напряжения нагрузку защищает запертый второй диод 6. Восьмой резистор 16 должен быть рассчитан на мощность, которая на нём выделяется в указанном режиме.
Первый 2 и второй 3 транзисторы PNP-типа имеют общую нагрузку и включены по схеме «Монтажное ИЛИ». Такая структура схемы открыта для наращивания функциональных возможностей путём наращивания количества входов схемы «Монтажное ИЛИ» и подключения к ним других датчиков (датчик температуры, датчик ионизирующего излучения и т.п.).
Проведено макетирование электронного предохранителя с использованием оптоэлектронного реле PVG612A, транзисторов 2Т3108А и 2Т3117А, диодов 2Д510А, стабилитрона 2С210Ц и резисторов С2-33Н. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.