СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ ВЫПОЛНЕННОГО НА ТВЕРДОТЕЛЬНОМ РЕЛЕ КОММУТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к элементам устройств для защиты от аварий, в частности к защитным переключателям с повторным замыканием и размыканием и может быть использована для защиты коммутационной аппаратуры, в частности, твердотельных реле, служащих для включения и выключения высокомощных цепей с помощью низких напряжений, подаваемых на клеммы управления.
Известно устройство защиты от высоких напряжений и токов коммутационного элемента, выполненного на твердотельном реле, представленное в Приложении и выбранное в качестве прототипа.
Известная система защиты выполненного на твердотельном реле коммутационного устройства содержит источник постоянного тока, соединенный через нагрузочный резистор и емкостной фильтр с электронным предохранителем (TBU™), выход которого соединен с ограничителем тока и с коммутационным устройством, выход которого через элемент гальванической развязки связан с элементом управления его состоянием, выполненным в виде коммутируемого источника постоянного напряжения.
На чертеже в Приложении представлено известное твердотельное реле с активной защитой электронным предохранителем (TBU™) и гальванической развязкой силовой и управляющей частей (Т1).
Существенным недостатком данной схемной реализации является отсутствие схемы сброса активной защиты электронного предохранителя (TBU™) - при срабатывании защиты, электронный предохранитель (TBU™) будет оставаться в защитном состоянии даже при условии исчезновения источника возмущающего воздействия до тех пор, пока напряжение источника питания VI не опустится ниже значения 12 В.
Более конкретно можно отметить следующее. При резком повышении входного тока или превышении порога по напряжению электронный предохранитель (TBU™) переходит в состояние высокого импеданса и защищает схему устройства от возможных повреждений (ограничение тока на уровне 1 мкА).
Однако, при превышении параметров ограничения TBU™ (превышение по допустимому току или напряжению) в случае нахождения ключа в состоянии ON (реле замкнуто) при питающем напряжении устройства больше напряжения сброса электронного предохранителя (12 В), TBU™ будет оставаться в состоянии высокого импеданса даже при отсутствии входного воздействия (помехи).
Существенными минусами текущей схемной реализации также являются:
- отсутствие обратной связи по событию срабатывания TBU™;
- «зависание» ключа в состоянии защиты на всем протяжении работы устройства.
В случае внешнего контроллера систему необходимо сбрасывать вручную. Таким образом, известное устройство ненадежно и неудобно в работе.
Задачей является повышение надежности и удобства эксплуатации защиты коммутационного устройства.
Поставленная задача решается тем, что в системе защиты от высоких напряжений и токов выполненного на твердотельном реле коммутационного устройства, содержащей источник постоянного тока, соединенный через нагрузочный резистор и емкостной фильтр с электронным предохранителем, выход которого соединен с ограничителем тока и с коммутационным устройством, выход которого через элемент гальванической развязки связан с элементом контроля его состояния, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, элемент контроля состояния коммутационного элемента выполнен на микроконтроллере и служит для управления им, являясь при этом частью схемы сброса твердотельного реле, выполненной двухчастевой, одна из которых включена перед коммутационным устройством параллельно электронному предохранителю перед ограничителем тока и состоит из последовательно соединенных между собой второго ограничителя тока на зенеровском диоде, резистора и оптопары для развязки силовой и управляющей частей, а вторая часть схемы сброса включена после коммутационного устройства, связана с ним через второй элемент гальванической развязки и содержит цепочку из параллельно соединенных фильтрующего конденсатора и управляющего полевого транзистора, связанную через резистор с управляющим входом микроконтроллера, второй вход которого через логический элемент «И» связан с оптопарой первой части схемы сброса.
Выполнение элемента контроля состояния коммутационного элемента на микроконтроллере, являющемся одновременно частью схемы сброса твердотельного реле, выполненной двухчастевой, одна часть которой включена перед коммутационным устройством параллельно электронному предохранителю перед ограничителем тока и состоит из последовательно соединенных между собой ограничителя тока на зенеровском диоде, резистора и оптопары для развязки силовой и управляющей частей, в совокупности с включением второй части схемы сброса после коммутационного устройства и связью ее через второй элемент гальванической развязки при выполнении ее в виде цепочки из параллельно соединенных фильтрующего конденсатора и управляющего полевого транзистора, связанную через резистор с управляющим входом микроконтроллера, второй вход которого через логический элемент «И» связан с оптопарой первой части схемы сброса, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, создавая обратную связь по событию срабатывания электронного предохранителя и исключая «зависание» ключа в состоянии защиты на всем протяжении работы устройства.
Технический результат - надежное срабатывание схемы сброса при срабатывании защиты, обеспечивающее надежную работу устройства защиты коммутационного устройства.
Полезная модель обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение элемента контроля состояния коммутационного элемента на микроконтроллере и использование его для управления им, как части схемы сброса твердотельного реле, выполнение схемы сброса двухчастевой, одна из которых включена перед коммутационным устройством параллельно электронному предохранителю перед ограничителем тока при выполнении ее из последовательно соединенных между собой второго ограничителя тока на зенеровском диоде, резистора и оптопары для развязки силовой и управляющей частей, включение второй части схемы сброса после коммутационного устройства, ее связь с ним через второй элемент гальванической развязки при выполнении схемы сброса в виде цепочки из параллельно соединенных фильтрующего конденсатора и управляющего полевого транзистора, связи через резистор с управляющим входом микроконтроллера, связь второго входа микроконтроллера через логический элемент «И» с оптопарой первой части схемы сброса, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Полезная модель может быть использована в электротехнике для защиты коммутационной аппаратуры, выполненной на твердотельных реле для включения и выключения высокомощных цепей с помощью низких напряжений и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - функциональная схема системы защиты;
- фиг. 2 - принципиальная электрическая схема системы защиты.
Заявляемая система защиты от высоких напряжений и токов выполненного на твердотельном реле коммутационного устройства (фиг. 1) содержит источник 1 питания, соединенный через нагрузочный резистор 2 и емкостной фильтр 3 с электронным предохранителем 4. Выход электронного предохранителя 4 соединен с ограничителем 5 тока и с выполненным на твердотельном реле коммутационным устройством 6, элемент 7 контроля состояния которого развязан через элементы 8 и 9 гальванической развязки от силовой части системы. При этом элемент 7 контроля состояния твердотельного реле коммутационного устройства 6 выполнен на микроконтроллере, который является частью схемы 10 сброса твердотельного реле 6. Схема 10 сброса (фиг. 2) выполнена двухчастевой, причем одна ее часть включена параллельно электронному предохранителю 4 перед ограничителем 5 тока. Эта часть схемы 10 сброса включает в себя последовательно соединенные между собой ограничитель 11 тока на зенеровском диоде, резистор 12 и оптопару 8 для развязки силовой и управляющей частей. Вторая часть схемы 10 сброса включает в себя в микроконтроллер 13, связанный через логический элемент 14 «И», резисторы 15 и 16, управляющий полевой транзистор 17, емкостной фильтр 18 и элемент 9 гальванической развязки с коммутационным устройством 6.
При нормальном режиме работы устройства ток от источника 1 питания постоянного тока протекает через последовательно включенные нагрузочный резистор 2, электронный предохранитель 4 и твердотельное реле 6.
Емкостной фильтр 3 является стандартным элементом большинства защитных схем, в которых требуется защита электроники от электростатического разряда.
Основную роль в защите твердотельного реле 6, либо любой другой коммутационной аппаратуры, играет электронный предохранитель 4, выполненный на микросхеме TBU™ от компании Bourns.
Электронный предохранитель 4 на TBU™ - вид активной защиты от компании Bourns. В нормальном режиме работы схемы TBU™ контролирует величину тока, протекающего через защищаемую линию. Если величина тока превышает заданный уровень, TBU™ отключает линию, обеспечивая ее защиту от высоких напряжений и токов.
Использование электронного предохранителя на TBU™ обеспечивает высокоскоростную защиту (время отклика TBU™ составляет всего 1 мкс) от множества различных воздействий, таких как:
- электростатический разряд;
- наносекундные импульсные помехи;
- микросекундные импульсные помехи по схеме линия-стойка;
- микросекундные импульсные помехи по схеме линия-линия;
- короткое замыкание;
- низкое сопротивление нагрузки;
- перенапряжение по постоянному току;
- защита схемы от сетевого переменного напряжения 220 В;
- перегрев устройства во время перенапряжения / превышения максимально допустимого тока.
При резком повышении входного тока или превышении порога по напряжению электронный предохранитель TBU™ 4 переходит в состояние высокого импеданса и, тем самым, защищает схему устройства от возможных повреждений (ограничение тока на уровне 1 мкА).
Время перехода электронного предохранителя 4 в состояние защиты составляет около 1 мкс. Для защиты твердотельного реле 6, либо любого другого коммутационного устройства, в период срабатывания электронного предохранителя 4 применяется ограничитель тока 5, который отличается большим быстродействием (время срабатывания составляет до 1 пикосекунды), обеспечивая тем самым защиту твердотельного реле от перенапряжения в период времени срабатывания электронного предохранителя 4.
При превышении параметров ограничения электронного предохранителя 4 на TBU™ (по напряжению, либо по току) в случае нахождения ключа в состоянии «ON» (твердотельное реле 6 замкнуто) при питающем напряжении устройства больше напряжения сброса (12 В для ТВU™), электронный предохранитель 4 будет оставаться в состоянии высокого импеданса даже при отсутствии входного воздействия (помехи).
Для сброса электронного предохранителя TBU™ 4 использована схема 10 сброса. В случае перехода электронного предохранителя в состояние защиты весь ток начинает протекать через схему 10 сброса. Схема 10 сброса обеспечивает сброс электронного предохранителя 4 в случае его срабатывания посредством размыкания твердотельного реле 6 и, тем самым, снижения питающего напряжения в системе ниже уровня напряжения, необходимого для сброса электронного предохранителя. Следует отметить, что схема 10 сброса имеет гальваническую развязку от силовой части схемы.
После сброса электронного предохранителя 4 система защиты полностью восстанавливает свою работоспособность.
Более конкретно система защиты выполнена следующим образом, (см. фиг. 2).
Схема электрическая принципиальная предлагаемой системы (фиг. 2) состоит из источника 1 постоянного тока, нагрузочного резистора 2, емкостного фильтра 3 электростатических помех, ограничителя 11 тока на диоде, который ограничивает ток, протекающий через оптопару 8, резистора 12, оптопары 8, выполняющей функцию развязки силовой и управляющей частей, ограничителя 5, который ограничивает ток через твердотельное реле 6 до момента срабатывания электронного предохранителя 4, ключей твердотельного реле 6 на двух полевых транзисторах, элемента 9 гальванической развязки силовой и управляющей частей, емкостного фильтра 18, управляющего полевого транзистора 17, резисторов 15 и 16, логического элемента 14 «И», микроконтроллера 13 и электронного предохранителя 4 на TBU.
Схема работает следующим образом.
При нормальном режиме работы (отсутствии возмущающего воздействия) сопротивление электронного предохранителя 4 (TBU™) мало (от 4 до 20 Ом в зависимости от выбранных параметров Impulse voltage rating и Trigger current, представленных в документации на устройство), ток протекает через него и ключи твердотельного реле 4, выполненные на двух полевых транзисторах. В случае возникновения входного воздействия (помехи), сопротивление электронного предохранителя 4 на TBU™ скачкообразно увеличивается в течение 1 мкс, тем самым разрывая линию, ведущую к твердотельному реле 6. Для защиты твердотельного реле 6 в течении времени срабатывания электронного предохранителя 4 (время срабатывания составляет около 1 мкс) используется ограничитель 5, ограничивающий ток, протекающий через твердотельное реле 6, либо любое другое коммутационное устройство, до момента срабатывания электронного предохранителя 4. Стоит отметить, что данная схемная реализация не требует выбора мощного супрессора 5 - достаточно, чтобы он выдерживал входное воздействие в течение 1 мкс.
После срабатывания электронного предохранителя 4 ток нагрузки начинает течь через ограничитель 11 тока на диоде Зенера и резистор 12, приводя к срабатыванию оптопары 8. Оптопара 8 переводит полевой управляющий транзистор 17 в открытое состояние, что приводит к шунтированию управляющего воздействия и, как следствие, к закрытию ключей твердотельного реле 6 (перевод реле в состояние OFF, реле разомкнуто).
При открытии полевого транзистора 17 микроконтроллер 13 регистрирует с логического элемента 14 «И» факт срабатывания защиты и, в зависимости от заложенного программного кода, оповещает конечного пользователя о факте срабатывания, либо выключает схему «навсегда», либо сбрасывает ключ 17 для отщелкивания твердотельного реле 6 и сброса питающего напряжения до уровня ниже напряжения сброса электронного предохранителя 4.
В качестве гальванической развязки 9 силовой и управляющей частей может использоваться любая из существующих развязок (трансформаторная, оптоэлектронная и пр.).
После сброса ключей твердотельного реле 6 и уменьшения питающего напряжения на электронном предохранителе 4 (TBU™) ниже уровня напряжения сброса, электронный предохранитель 4 переходит в открытое состояние и работоспособность схемы полностью восстанавливается.
Плюсами предлагаемой схемной реализации являются:
- возврат электронного предохранителя на TBU™ в рабочее состояние в случае его срабатывания;
- автоматизированный контроль за состоянием всей схемы;
- гальваническая развязка силовой и управляющей частей;
- простота реализации комплексной защиты устройства от целого ряда воздействий.
Проводившиеся неоднократные экспериментальные проверки работы заявленной электрической схемы подтвердили ее работоспособность и высокую эффективность.
В сравнении с прототипом заявляемая система защиты является более надежной в работе.