Ограничитель напряжения с возможностью изменения настроек режимов работы

Полезная модель (ПМ) относится к области электроники и предназначена для защиты электронных блоков от повышенного напряжения, а также защиты бортовой сети от токов короткого замыкания, в том числе автотранспортных средств, с возможностью программирования порогов ограничения тока и напряжения и временных интервалов импульсов, с защитой ключа от перегрева и индикацией режимов работы устройства.
Известно устройство «Устройство защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства» [Патент Российской Федерации №2502169, Н02Н 9/04 (2006.01), 2012] содержащее выпрямитель, емкость С1, делитель R1, R2, включенный параллельно источнику питания, блок электронного ключа с блоком управления электронным ключом, емкость С2, при этом блок электронного ключа включаются последовательно с источником тока и емкостью С2 так, что при значении входного напряжения ниже напряжения отсечки электронный ключ находится в состоянии «замкнуто», при достижении входным напряжением значения выше напряжения отсечки ключ переключается в состояние «разомкнуто», а электронный прибор начинает питаться от емкости С2, при этом достижение входным напряжением значения напряжения отсечки вновь переводит электронный ключ в состояние «замкнуто», обеспечивая рабочее напряжение для электронного прибора.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок измерения напряжения (делитель R1, R2 у аналога), блоки электронного ключа, блок управления ключом (блок управления электронным ключом у аналога), блок фильтра питающего напряжения (емкость С1 у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие блока измерения тока и блока защиты от перегрузки по току, что не позволяет реализовать защиту от перегрузок по току, отсутствие блока микроконтроллера не позволяет программировать рабочие пороги тока и напряжения, а также отсутствие блока интерфейса для связи с устройством для настройки параметров работы и отсутствие блока индикации.
Известно устройство «Ограничитель напряжения» [Патент Российской Федерации №80 035, G05F 1/56 (2006.01), 2009] содержащее резисторный датчик тока 1, первый 2 и второй 3 источники спорного напряжения, первый 4 и второй 5 усилители, резисторный делитель напряжения 6, логический элемент ИЛИ 7, ключ 8, второй диод 9, первый диод 10, дроссель 11 и конденсатор 12; в ограничителе напряжения первый силовой электрод ключа 8 подключен через резисторный датчик тока 1 к выводу входного напряжения, а второй силовой электрод через дроссель 11 - к выводу выходного напряжения; один вход усилителя 4 подключен к первому силовому электроду регулирующего элемента, а другой вход через первый источник опорного напряжения 2 - к выводу входного напряжения; конденсатор 12 и крайние выводы резисторного делителя напряжения 6 подключены между выводом выходного напряжения и общим проводом; средний вывод резисторного делителя напряжения 6 соединен с одним из входов второго усилителя 5, второй вход которого через второй источник опорного напряжения 3 подключен к общему проводу; выходы первого 4 и второго 5 усилителей подключены на входы логического элемента ИЛИ 7, выход которого соединен с управляющим электродом ключа 8, второй силовой электрод которого через первый диод 10 подключен к общему проводу, а через второй диод 9 - к выходу логического элемента ИЛИ 7.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блок измерения тока (резисторный датчик тока у аналога), блок измерения напряжения (резистивный делитель напряжения у аналога), блок электронного ключа (ключ у аналога), блок управления ключом (логический элемент ИЛИ у аналога), блок высокоскоростной защиты по току (первый усилитель и источник опорного напряжения у аналога), блок высокоскоростной защиты по напряжению (второй усилитель и источник опорного напряжения у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие блока микроконтроллера и блока интерфейса, что не позволяет программировать настройки порогов срабатывания защиты и временных интервалов, наличие фиксированных источников опорного напряжения задающих фиксированный порог срабатывания защит по току и напряжению, не позволяющих их изменять в процессе работы, отсутствие блока индикации и блока защиты от перегрева.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Устройство защиты от перенапряжения» [Патент Российской Федерации №109 882, G05F 1/00 (2006.01), 2011], содержащее делитель напряжения 1, подключенный между входом устройства и землей, а выход делителя подключен ко входу установки порога контроллера ключа защиты от перенапряжения 2, первый и второй выходы которого соединены с затвором и истоком КМОП-транзистора 3 соответственно, а третий выход подключен к земле, сток КМОП-транзистора 3 подключен ко входу устройства и через резистор 4 к катоду диода Зенера 5 и ко входу контроллера ключа защиты от перенапряжения 2, анод диода Зенера 5 подключен к земле, исток КМОП-транзистора 3 подключен к питающему и управляющему входам интеллектуального ключа 6, коммутируемый выход которого является выходом устройства и подключен к первому индикатору 7, а диагностический выход подключен ко второму индикатору 8, вход питания которого подключен к истоку КМОП-транзистора 3.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок измерения тока и высокоскоростной блок защиты по току (интеллектуальный ключ у аналога), блок измерения напряжения (делитель напряжения у аналога), блок управления ключом и высокоскоростной блок защиты по напряжению (контроллер ключа защиты от перенапряжения у аналога), блок индикации (первый и второй индикатор у аналога), блок электронного ключа (КМОП-транзистор у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока микроконтроллера и блока интерфейса, что не позволяет программировать настройки порогов срабатывания защиты и временных интервалов; защиту от перегрева имеет только интеллектуальный ключ, при этом подача напряжения в нагрузку осуществляется не только через интеллектуальный ключ, но и через КМОП-транзистор, который работает без защиты от перегрева.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании устройства для защиты электронных блоков от повышенного напряжения, а также защиты бортовой сети от токов короткого замыкания, в том числе автотранспортных средств, с возможностью программирования порогов ограничения тока, напряжения и временных интервалов импульсов, с защитой ключа от перегрева и индикацией режимов работы устройства.
Технический результат заключается в обеспечении защиты электронных блоков от повышенного напряжения, а также защиты ботовой сети от токов короткого замыкания, с защитой ключа от перегрева и индикацией режимов работы.
Технический результат достигается тем, что ограничитель напряжения содержит фильтр питающего напряжения, блок питания, блок микроконтроллера, блок управления ключом, блок защиты от перегрева блок высокоскоростной защиты по току, блок высокоскоростной защиты по напряжению, блок измерения напряжения, интерфейсный блок, блок индикации, электронный ключ, блок измерения тока.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:
1) фильтр питающего напряжения;
2) блок питания;
3) блок микроконтроллера;
4) блок управления ключом;
5) блок защиты от перегрева;
6) блок высокоскоростной защиты по току;
7) блок высокоскоростной защиты по напряжению;
8) блок измерения напряжения;
9) интерфейсный блок;
10) блок индикации;
11) электронный ключ;
12) блок измерения тока.
Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения через фильтр питающего напряжения 1) на блок питания 2), блок электронного ключа 11) и блок изменения напряжения 8). После чего блок питания 2) формирует питающее напряжение для всех блоков. При появлении питания, блок микроконтроллера 3) считывает из встроенной энергонезависимой памяти значения трех защитных напряжений (далее по тексту U1, U2 и U3), двух защитных значений тока (далее по тексту I1 и I2), времени срабатывания на превышения напряжения выше порога TU1 и TU2 и времени превышения тока выше порога ТI1, затем считывает данные о напряжении с блока измерения напряжения 8). В случае если напряжение находится ниже защитного порога U1, порога U2 и порога U3, блок микроконтроллера 3) с помощью широтно-импульсной модуляции выставляет опорное напряжение на блок высокоскоростной защиты по току 6) такое, чтобы оно советовало значению порога I2 защиты по току. Затем блок микроконтроллера 3) с помощью широтно-импульсной модуляции выставляет опорное напряжение на блок высокоскоростной защиты по напряжению 7) такое, чтобы оно советовало значению порога U3 защиты по напряжению. После установки опорных напряжений блок микроконтроллера 3) проверяет, что блоки высокоскоростных защит 6) и 7) перешли из режима защиты в нормальный режим и сняли сигналы блокировки с блока управления ключом 4). Затем блок микроконтроллера 3) через блок управления ключом 4) замыкает электронный ключ 11). После чего питание через блок измерения тока 12) начинает подаваться к потребителям. В процессе работы блок микроконтроллера 3) постоянно оцифровывает значения тока, поступающего с блока измерения тока 12) и значение напряжения с блока измерения напряжения 8) с первым U1 и вторым U2 порогом напряжения и первым порогом I1 тока. Если напряжение превышает порог U1, то включается счетчик, который измеряет интервал времени TU1, в течение которого напряжение превышает порог U1. Аналогично для порога U2, если напряжение превышает этот порог, то запускается второй счетчик, который измеряет длительность импульса превышения напряжения порога U2. Если измеренное время превышения порога U1 или измеренное время превышения порога U2 превышает считанные из энергонезависимой памяти временные интервалы TU1 и TU2 для порога U1 и U2 соответственно, то с блока управления ключом 4) снимается сигнал включения и блок управления ключом закрывают электронный ключ 11). После чего блок микроконтроллера 3) через блок индикации 10) отображает информацию о сработавшей защите. Блоки высокоскоростных защит 6) и 7) предназначены для максимально быстрой реакции на превышения порога U3 для напряжения и порога I2 для тока. Блоки высокоскоростных защит по току 6) и напряжению 7) представляют из себя компараторы, которые сравнивают опорное напряжение, задаваемое микроконтроллером с текущими значениями, получаемыми с блока измерения тока 12) и блока измерения напряжения 8) соответственно. Как только данные по напряжению или по току превышают заданный блоком микроконтроллера 3) порог, с блока управления ключом 4) снимается сигнал разрешения работы что приводит к закрытию электронного ключа 11). Данные о срабатывании высокоскоростных защит 6) и 7) также поступают в микроконтроллер, таким образом блок микроконтроллера определяет, что сработала защита и отображает эту информацию на блоке индикации 10). Блок защиты от перегрева 5) предназначен для контроля температуры электронного ключа 11), в случае если температура электронного ключа 11) превышает допустимую рабочую температуру, информация о перегреве поступает в блок микроконтроллера 3), который через блок управления ключом 4) закрывает электронный ключ 11) и с помощью блока индикации 10) отображает информацию о перегреве.
Все данные о порогах срабатывания по току и напряжению, а также временные интервалы хранятся в перезаписываемой энергонезависимой памяти блока микроконтроллера 3). Доступ к этим данным может получить любое удаленное устройство с интерфейсом CAN, например, персональный компьютер с переходником USB-CAN или программируемый логический контроллер с шиной CAN. Удаленное устройство запрашивает текущие настройки ограничителя напряжения, после чего запрос через интерфейсный блок 9) поступает на блок микроконтроллера 3), который в свою очередь формирует ответ и отправляет его обратно через интерфейсный блок 9) удаленному устройству. При необходимости изменить какой-либо параметр, он изменяется на удаленном устройстве и отправляется через интерфейсный блок 9) в блок микроконтроллера 3), который обрабатывает полученные данные, проверяет их корректность и сохраняет во внутренней энергонезависимой памяти, после чего отправляет подтверждение о смене настроек удаленному устройству через интерфейсный блок 9).
В настоящее время на предприятии ООО «НИКТЕС» изготовлены образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.