Управляемый ключевой электронный коммутатор
CONTROLLED KEY ELECTRONIC SWITCH

Изобретение относится к электронной коммутационной технике применительно к автоматике СУО ЛА и НК для обеспечения коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока с защитой от перегрузки.
Для защиты силовых цепей от перегрузки по току широко применяются плавкие предохранители (ВП, ВПБ), предохранительные устройства защиты релейного типа (автоматы защиты типа АЗК, АЗРГК) и электронные предохранители с узким значением величины рабочего напряжения и пропускаемого тока.
Известно техническое решение, патент №2185016 RU «Устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока».
Недостатком данного изобретения является то, что длительность включения-отключения занимает большое время на срабатывание (отключение) разрывных механических контактов (более 0,1 мс), которые приводят к отказу электронных полупроводниковых приборов в устройствах, т.к. имеют более высокие временные требования к перегрузке по току (не более 10 мкс).
В качестве прототипа выбрано техническое решение, а.с. № SU 1429099. Ключевой регулятор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий силовой транзистор, силовой трансформатор, узел пропорционального токового управления с согласующим трансформатором, который имеет обмотку положительной обратной связи по току и последовательно соединенные выходную и вольтодобавочную обмотки, и узел защиты от перегрузок по току, состоящий из резисторного датчика тока, токоограничительного резистора, ключа, выполненного на комплементарной паре транзисторов, трех диодов, накопительного конденсатора и вспомогательной обмотки в составе силового трансформатора, первичная обмотка которого, переход коллектор - эмиттер силового транзистора и обмотка положительной обратной связи по току согласующего трансформатора включены последовательно между входными клеммами, база силового транзистора подключена к общему выводу выходной и вольтодобавочной обмоток согласующего трансформатора, выход ключа подключен через первый диод к другому выводу вольтодобавочной обмотки согласующего трансформатора и через резистор и второй диод - к одному из выводов накопительного конденсатора и третьего диода. Другие выводы, которые по отдельности подключены к вспомогательной обмотке силового трансформатора, причем указанный другой вывод накопительного конденсатора соединен с общим выводом ключа и выводов датчика тока, который другим выводом через токоограничительный резистор соединен с входом ключа.
Недостатком прототипа являются низкие токи коммутации, относительно невысокое быстродействие, обусловленное низкой частотой преобразования генератора на силовом транзисторе как источника радиопомех, отсутствие дистанционного контроля за работой устройства при включении/отключении и перегрузках по току с возможностью изменения порога при работе в цикле.
Технической задачей изобретения является обеспечение работы коммутационного устройства внешнего управления с высоким быстродействием защиты при недопустимых перегрузках по току.
Техническим результатом является создание коммутатора с дистанционным управлением на полевом транзисторе с минимальным сопротивлением в открытом состоянии, используемого в качестве силового ключа с обеспечением качества защиты за счет применения токового датчика и быстродействующей схемы защиты, работающей в режиме триггера по состоянию перегрузки, позволяющего удерживать транзисторный ключ после возникновения перегрузки по току в отключенном состоянии до снятия управляющего сигнала и обеспечения повторного включения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый управляемый ключевой электронный коммутатор содержит:
пороговый усилитель на транзисторе VT1 с программно изменяемым измерительным резистором-шунтом R-ш, подключенным в цепи между базой и эмиттером порогового усилителя, где эмиттер транзистора и первый верхний вывод резистора-шунта R-ш являются входом устройства,
силовой ключ, организованный на транзисторе VT3, подключен истоком к выводу базы VT1 и второму выводу резистора - шунта R-ш порогового усилителя, затвор транзистора VT3 подключен к средней точке резистивного делителя R4, R5 и катоду диода VD1, верхний вывод резистора R1 подключен к верхнему уровню питания, выходом устройства является сток транзистора VT3,
узел начальной установки на транзисторе VT2, управляющий вход которого подключен к нижнему выводу выхода управляющей входной микросхемы D1, делителю C1, R1, R2 и базе транзистора VT1, где эмиттер транзистора VT1 подключен к нижнему уровню питающего напряжения, а коллектор - к нижнему выводу резистора R3 и верхнему выводу входа верхнего канала микросхемы D2. Крайние выводы делителя С1 и R2 подключены к цепям питающего напряжения,
высокочастотный триггер, организованный на микросхеме D2, в которой вывод входа верхнего канала подключен к нижнему выводу резистора R3 и коллектору транзистора VT2, нижний вывод входа верхнего канала подключен к верхнему выводу входа второго канала, а нижний вывод второго канала подключен к нижнему уровню питающего напряжения, выход верхнего вывода первого канала подключен к верхнему уровню питающего напряжения, нижний вывод выхода первого канала подключен к коллектору транзистора VT1, верхнему выводу резистора R3 и аноду диода VD1, оба вывода выходов второго канала подключены к входу внешней управляющей ЦВМ,
устройство управления, состоящее из управляющей входной микросхемы D1, нижний вывод выхода которой подключен к нижнему выводу резистора R5, а верхний вывод к нижнему уровню входного питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства, а на фиг. 2 - структурная схема.
Устройство содержит:
пороговый усилитель 1 на транзисторе VT1 с программно изменяемым измерительным резистором-шунтом R-ш, подключенным в цепи между базой и эмиттером порогового усилителя 1, где эмиттер транзистора и первый верхний вывод резистора-шунта R-ш являются входом устройства;
силовой ключ 2, организованный на полевом транзисторе VT3, подключен истоком к выводу базы VT1 и второму выводу резистора-шунта R-ш порогового усилителя 1, выходом устройства является сток транзистора VT3, затвор транзистора VT3 подключен к резистивному делителю R4, R5 и катоду диода VD1;
узел начальной установки 4, организованный на транзисторе VT2, эмиттер которого подключен к нижнему уровню питающего напряжения, а коллектор - к нижнему выводу резистора R3 и верхнему выводу входа микросхемы D2, управление которой осуществляется нижним выходным выводом управляющей входной микросхемы D1 посредством делителя С1, R1, R2, где нижний вывод делителя микросхемы D1 подключены к цепям питания низкого уровня, а верхний вывод конденсатора С1 к цепям питания верхнего уровня, нижний вывод конденсатора соединен с верхним выводом резистора R1;
триггер 5, организованный на микросхеме D2, в которой верхний вход верхнего канала подключен к нижнему выводу резистора R3 и коллектору транзистора VT2, нижний вывод верхнего канала подключен к верхнему выводу нижнего канала, а нижний вывод нижнего канала подключен к нижнему уровню питающего напряжения, при этом верхний вывод выхода верхнего канала подключен к верхнему уровню питающего напряжения, а нижний вывод выхода первого канала подключен к верхнему выводу резистора R3,
устройство управления 3, состоящее из управляющей входной микросхемы D1, нижний вывод которой подключен к нижнему выводу резистора R5, а верхний вывод D1 - к нижнему уровню питающей сети. Входы «Вкл из ЦВМ» и выходы «Вых в ЦВМ» подключены к внешнему управляющему устройству.
Устройство работает следующим образом.
На вход «Вход +27В» порогового усилителя 1 подается постоянное напряжение +27В, которое на выход «Выход +27В» силового ключа 2 может быть подано только при наличии сигнала разрешения по управляющему сигналу «Вкл из ЦВМ» и установкой выбранной величины R-ш порогового ограничителя (по необходимому току нагрузки величиной резистора-шунта).
До подачи разрешающего сигнала включения внешнего управления узел начальной установки (организованный на VT2) удерживает силовой транзистор в закрытом состоянии и в момент включения устанавливает триггер 5, организованный на микросхеме D2, в исходное, отключенное состояние выходных цепей за счет энергии цепи R1C1. После подачи разрешающего сигнала «Вкл из ЦВМ» через замкнутые выходные контакты управляющей входной микросхемы D1 транзистор VT2 узла начальной установки 4 запирается и включается питание резистивного делителя R4, R5 устройства управления 3, средняя точка которого и открывает силовой транзистор VT3. При этом и на выходе силового узла 2 и устройства в целом появляется напряжение «Выход+27 В» с допустимыми токами нагрузки и удерживается во включенном состоянии до снятия внешнего входного управляющего сигнала или момента превышения тока в нагрузке порогового усилителя 1. При возникновении превышающих токов в нагрузке порогового усилителя 1 и достижении на датчике тока порогового напряжения на резисторе R-ш приблизительно 0,7В и более открывается транзистор VT1 порогового усилителя 1. При этом достигается следующее условие:
U пор = I макс × R-ш ≈ 0,7 В,
где U пор - пороговое напряжение включения защиты;
R-ш - величина сопротивления резистора-шунта;
I макс - максимальный рабочий ток.
Величина максимального выходного рабочего тока определяется выражением:
I макс = 0,7 В / R-ш.
Открытый транзистор VT1 порогового устройства 1 своим током коллектора, проходящим через верхний и нижний входные контакты (входные диоды) микросхемы D2, замыкает выходные группы контактов триггера 5 и, посредством цепи обратной связи (резистора R3), записывает входные контакты микросхемы D2 триггера 5 и удерживает его в этом состоянии. В результате триггер 5 переводится в аварийное состояние перегрузки, при этом замкнутая нижняя группа выходных контактов триггера 5 формирует внешний сигнал «Вых в ЦВМ» для обработки и контроля. Одновременно триггер 5 в аварийном состоянии посредством закороченных выходов верхнего канала микросхемы D2 транслирует уровень верхнего питающего напряжения через диод VD1 на затвор транзистора VT3, шунтируя резистор R4 резистивного делителя R4, R5 устройства управления 3, и запирает этим транзистор VT3 силового ключа 2 до момента снятия сигнала управления «Вход из ЦВМ» на D1. Повторное включение устройства осуществляется снятием, а затем повторным формированием сигнала «Вкл из ЦВМ» на D1, с возможным изменением величины R-ш допустимого тока в нагрузке.