Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току для систем электропитания с аккумуляторной и солнечной батареями

Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутируемых источниках питания с защитой от коротких замыканий и перегрузок по току, вызванных другими причинами, преимущественно в системах испытаний космических аппаратов.
Известен ряд устройств - коммутаторов напряжения (патенты РФ №№2210183, 2258302, 2240647, 2208292), построенных на основе последовательно соединенных электронного ключа и шунта; по увеличению падения напряжения на последнем с помощью компараторов и элементов логики осуществляется управление (выключение) электронного ключа.
Недостатком таких устройства является отсутствие ограничения пусковых токов, что может привести к ложному срабатыванию схемы защиты. Кроме того, устройства имеют пониженную помехоустойчивость из-за возможности ложного срабатывания логических элементов.
Известен также коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току согласно патенту РФ 2242831. Известный коммутатор напряжения с защитой от перегрузок по току содержит датчик тока, управляемый ключ, логический элемент, триггер, релейный элемент, задатчик порога срабатывания, интегрирующее звено и определенные связи между ними, обеспечивающие повышенную защиту по току срабатывания в момент включения блока нагрузки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, описанный в 2208291. Известный коммутатор напряжения содержит последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, который через датчик тока подает питание в блок нагрузки, а также релейные элементы и триггер, которым осуществляют включение и выключение питания в блок нагрузки посредством электронного ключа.
Недостаток указанного устройства состоит в том, что он предназначен только для тока, текущего в одном направлении. Однако при испытаниях космических аппаратов используется схема электроснабжения, в которой потребитель (испытываемый КА) может снабжаться электроэнергией либо от аккумуляторной батареи, либо от солнечной батареи. Кроме того, аккумуляторная батарея должна заряжаться от солнечной батареи. Поэтому обязательным элементом такой системы является зарядно-разрядное устройство, а коммутатор должен защищать от КЗ при протекании тока в обоих направлениях: от аккумуляторной батареи к нагрузке в космическом аппарате, и в аккумуляторную батарею при ее заряде от солнечной батареи.
Задача полезной модели - обеспечение защиты от токовых перегрузок при протекании тока в обоих направлениях: при заряде аккумуляторной батареи от солнечной батареи и питании от нее нагрузки, а также при питании нагрузки от аккумуляторной батареи и ее разряде.
Поставленная задача решается тем, что в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току в системах электропитания с аккумуляторной батареей, зарядно-разрядным устройством, соединенным с блоком нагрузки и солнечной батареей, содержащий последовательно соединенные датчик тока и электронный ключ, включенные между аккумуляторной батареей и зарядно-разрядным устройством, а также элемент И, триггер, и устройство управления, введены два последовательно соединенных усилителя разной полярности напряжения токового сигнала, снимаемого с датчика тока, каждый из которых соединен с соответствующим ему компаратором, и элемент ИЛИ, при этом указанные усилители напряжения своими входами соединены с выходом датчика тока, а выходами - с одними из входов соответствующих компараторов, другие входы которых соединены с устройством управления, выходы компараторов соединены со схемой ИЛИ, выход которой соединен с S-входом триггера, R-вход которого соединен с устройством управления, а выход триггера соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с устройством управления, выход указанного элемента И соединен через драйвер электронного ключа с управляющим входом электронного ключа, выполненного в виде двух MOSFET-транзисторов, включенных встречно-последовательно.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков. На фиг. 1 схематически показан коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, на фиг. 2 - внутренняя схема электронного ключа 6. Коммутатор напряжения предназначен для использования в системе электропитания, состоящей из высокоэнергетической аккумуляторной батареи 1, зарядно-разрядного устройства 2, солнечной батареи 3 и блока нагрузки 4. Коммутатор напряжения состоит из последовательно соединенных датчика тока 5 и электронного ключа 6, выполненного из двух MOSFET-транзисторов 7 и 8 (фиг. 2). Выход датчика тока 5 соединен со входами усилителей разной полярности напряжения 9 и 10 токового сигнала, снимаемого с датчика тока 5, выходы усилителей напряжения 9 и 10 соединены с одними из входов соответствующих компараторов 11 и 12, другие входы которых соединены с устройством управления 13, а выходы компараторов соединены со входами схемы ИЛИ 14, выход которой соединен с S-входом триггера защиты 15, R-вход которого соединен с устройством управления 13, выход триггера защиты 15 соединен с одним из входов элемента И 16, другой вход которого соединен с устройством управления 13, выход элемента И 16 через драйвер 17 соединен с электронным ключом 6.
DS(on)
Устройство работает следующим образом: В исходном состоянии управление на силовые транзисторы электронного ключа 6 не подается, и они находятся в разомкнутом состоянии. Для приведения коммутатора в рабочее состояние на компараторы 11, 12 с устройства управления 13 подается напряжение отсечки, соответствующее заданному току срабатывания защиты при превышении тока нагрузки величины этого заданного тока. Устройство управления после включения и проверки готовности схемы к работе подает разрешающий сигнал на элемент И 16 и одновременно сбрасывает триггер защиты 15, подавая и удерживая управляющий сигнал на входе R в течение времени, необходимом для исключения срабатывания защиты от пускового тока в силовой цепи. С выхода элемента И 16 через драйвер 17 производится управление замыканием транзисторов 7 и 8 электронного ключа 6. Во время работы зарядно-разрядное устройство 2 поддерживает заданное напряжение на нагрузке и управляет направлением тока через электронный ключ 6 в режимах заряда аккумуляторной батареи 1 от солнечной батареи 3 и разряда аккумуляторной батареи 1 на нагрузку 4. Сигнал с датчика тока 5 через усилители разной полярности 9, 10 поступает на компараторы 11, 12. При превышении тока нагрузки заданной величины, например, в случае возникновения короткого замыкания, компараторы 11 или 12 в зависимости от направления тока через датчик тока 5, через схему ИЛИ 14 выдают сигнал на вход S триггера защиты 15, что приводит к установке триггера защиты, срабатыванию элемента И 16, и выключению силовых транзисторов 7 и 8 электронного ключа 6. При необходимости штатного выключения электронного ключа 6 устройство управления 13 снимает разрешающий сигнал со схемы И 16 и через драйвер 17 снимается управление с электронного ключа 6, что приводит к его размыканию. За счет выполнения электронного ключа 6 из двух MOSFET-транзисторов с малым значением сопротивления в открытом состоянии R, (внутренняя схема электронного ключа 6 приведена на Фиг. 2), защита от превышения тока срабатывает при протекании тока в обоих направлениях. Ток срабатывания может устанавливаться от десятков до сотен ампер, время срабатывания защиты - 5 мкс.