ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ И С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ И ПЕРЕГРЕВА ЭЛЕКТРОННОГО КЛЮЧА
ELECTRONIC RELAY WITH TRANSFORMER ISOLATION AND OVERCURRENT AND OVERHEATING PROTECTION OF ELECTRONIC KEY

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутационных устройствах с гальванической развязкой с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа.
Известно электронное реле с трансформаторной развязкой, содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, токоограничительный резистор, устройство разряда и электронный ключ на МОП транзисторе [1].
Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от перегрузки по току и перегрева электронного ключа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току, содержащее электронный ключ на МОП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, токоограничительный резистор, фильтрующий конденсатор, резистор разряда, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелку», состоящую из p-n-p и n-p-n транзисторов и нагрузочного резистора [2].
Недостаток известного устройства состоит в том, что во многих случаях при отказах ток в нагрузке возрастает и становится больше номинального значения, но меньше тока, при котором происходит выключение электронного ключа и отключение блока нагрузки от источника коммутируемого напряжения. При возрастании тока нагрузки увеличивается напряжение на открытом электронном ключе, тем самым увеличивается мощность, выделяемая на транзистор электронного ключа, что приводит к его разогреву до температуры, при которой происходит разрушение транзистора электронного ключа.
Это устройство не осуществляет отключение нагрузки от источника коммутируемого напряжения при перегреве электронного ключа, что снижает надежность электронного реле. Еще одним недостатком известного устройства является отсутствие информации о нормальном и аварийном режимах работы электронного реле.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности за счет осуществления защиты от перегрева и оперативного контроля режимов работы электронного реле.
Для достижения указанного выше технического результата в электронное реле, содержащее генератор импульсов, первый импульсный трансформатор, первый выпрямительный диод, первый токоограничительный резистор, электронный ключ на МОП транзисторе, входные и выходные выводы, первый фильтрующий конденсатор, первый резистор разряда, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелку», состоящую из n-p-n и p-n-p транзисторов и нагрузочного резистора, причем входные выводы реле являются входами питания генератора импульсов, выходы которого соединены с первичной обмоткой первого импульсного трансформатора, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с анодом первого выпрямительного диода, катод первого выпрямительного диода через первый токоограничительный резистор соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа, сток которого является первым выходом реле, датчик тока нагрузки первым своим выводом соединен с истоком МОП транзистора электронного ключа, а вторым выводом соединен со вторым выходом реле, вторым выводом вторичной обмотки первого импульсного трансформатора, первым выводом первого фильтрующего конденсатора, первого резистора разряда, задатчика релейного элемента и интегрирующего звена, эмиттером n-p-n транзистора «защелки», отрицательной шиной источника стабилизированного напряжения, отрицательной шиной релейного элемента, первым входом источника стабилизированного напряжения, второй вход которого соединен со вторым выводом первого фильтрующего конденсатора и первого резистора разряда, катодом первого выпрямительного диода и первым выводом первого токоограничительного резистора, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа, а выход источника стабилизированного напряжения соединен со вторым выводом задатчика релейного элемента, положительной шиной питания релейного элемента и операционного усилителя, входы которого подключены к выводам датчика тока нагрузки, а выход - к неинвертирующему входу релейного элемента, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика релейного элемента, выход релейного элемента через интегрирующее звено соединен с базой n-p-n и коллектором p-n-р транзисторов «защелки», причем коллектор n-p-n транзистора соединен с первым выводом нагрузочного резистора и базой p-n-р транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом нагрузочного резистора «защелки», затвором МОП транзистора электронного ключа и вторым выводом первого токоограничительного резистора, дополнительно введены датчик температуры, блок информации, содержащий второй импульсный трансформатор, делитель напряжения, второй токоограничительный резистор, n-p-n транзистор, второй выпрямительный диод, второй фильтрующий конденсатор, второй резистор разряда, информационные выводы реле и резистор базы n-p-n транзистора «защелки», который первым своим выводом соединен с выходом датчика температуры, а вторым - с выходом интегрирующего звена, базой n-р-n, коллектором p-n-р транзисторов «защелки», а первый вход датчика температуры соединен с выходом источника стабилизированного напряжения, второй вход датчика температуры соединен со вторым входом источника стабилизированного напряжения, причем первый вывод вторичной обмотки первого импульсного трансформатора через второй токоограничительный резистор соединен с первым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора и коллектором n-p-n транзистора блока информации, эмиттер которого соединен со вторым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора, со вторым выводом делителя напряжения и вторым выводом вторичной обмотки первого импульсного трансформатора, первый вывод делителя напряжения соединен с коллектором n-p-n, базой p-n-p транзисторов и вторым выводом нагрузочного резистора «защелки», а база n-p-n транзистора блока информации соединена с выходом делителя напряжения, первый вывод вторичной обмотки второго импульсного трансформатора соединен с анодом второго выпрямительного диода, катод которого соединен с первыми выводами второго фильтрующего конденсатора, второго резистора разряда и первым информационным выводом реле, второй вывод вторичной обмотки второго импульсного трансформатора соединен с вторыми выводами второго фильтрующего конденсатора, второго резистора разряда и вторым информационным выводом реле.
На чертеже изображена блок-схема электронного реле с трансформаторной развязкой с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа, при этом на чертеже и далее в тексте обозначены:
1 - электронный ключ;
2 - генератор импульсов;
3 - первый импульсный трансформатор;
4 - первый выпрямительный диод;
5 - первый токоограничительный резистор;
6, 7 - входные выводы реле;
8, 9 - выходные выводы реле;
10 - первый фильтрующий конденсатор;
11 - первый резистор разряда;
12 - источник стабилизированного напряжения;
13 - датчик тока нагрузки;
14 - операционный усилитель;
15 - релейный элемент;
16 - задатчик релейного элемента;
17 - интегрирующее звено;
18 - «защелка»;
19 - p-n-р транзистор;
20 - n-p-n транзистор;
21 - нагрузочный резистор;
22 - первичная обмотка первого импульсного трансформатора;
23 - вторичная обмотка первого импульсного трансформатора;
24 - датчик температуры;
25 - резистор базы;
26 - блок информации;
27 - второй импульсный трансформатор;
28 - первичная обмотка второго импульсного трансформатора;
29 - вторичная обмотка вторичного импульсного трансформатора;
30 - n-p-n транзистор блока информации;
31 - делитель напряжения;
32 - второй токоограничительный резистор;
33 - второй выпрямительный диод;
34 - второй фильтрующий конденсатор;
35 - второй резистор разряда;
36 - первый информационный вывод реле;
37 - второй информационный вывод реле;
упр
U - управляющее напряжение;
ком
±U - коммутируемое напряжение;
статус
±U - напряжение на выходе блока информации;
вх
С - входная емкость МОП транзистора электронного ключа;
н
I - ток нагрузки;
нj
I - ток перегрузки.
Электронное реле с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа выполнено следующим образом.
Входные выводы реле 6, 7 являются входами питания генератора импульсов 2, выход которого соединен с первичной обмоткой 22 импульсного трансформатора 3. Первый вывод вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3 соединен с анодом выпрямительного диода 4. Катод выпрямительного диода 4 через токоограничительный резистор 5 соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа 1, сток которого является первым выходом реле 8.
Датчик тока нагрузки 13 первым своим выводом соединен с истоком МОП транзистора электронного ключа 1, а вторым выводом соединен со вторым выходом реле 9, вторым выводом вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, первыми выводами фильтрующего конденсатора 10, резистора разряда 11, задатчика релейного элемента 16, интегрирующего звена 17, эмиттером транзистора 20 «защелки» 18, отрицательной шиной питания операционного усилителя 14 и релейного элемента 15 и первым входом источника стабилизированного напряжения 12. Второй вход источника стабилизированного напряжения 12 соединен со вторыми выводами фильтрующего конденсатора 10, резистора разряда 11, катодом первого выпрямительного диода 4 и первым выводом токоограничительного резистора 5, второй вывод которого соединен с затвором МОП транзистора электронного ключа 1. Выход источника стабилизированного напряжения 12 соединен со вторым выводом задатчика релейного элемента 16, положительной шиной питания релейного элемента 15 и операционного усилителя 14, входы которого подключены к выводам датчика тока нагрузки 13, а выход - к неинвертирующему входу релейного элемента 15, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика релейного элемента 16. Выход релейного элемента 15 через интегрирующее звено 17 соединен с базой 20 и коллектором 19 транзисторов «защелки» 18, причем коллектор транзистора 20 соединен с первым выводом нагрузочного резистора 21 и базой транзистора 19, эмиттер которого соединен со вторым выводом нагрузочного резистора 21 «защелки» 18, затвором МОП транзистора электронного ключа 1 и вторым выводом токоограничительного резистора 5, первый вход датчика температуры 24 соединен с выходом источника стабилизированного напряжения 12, второй вход датчика температуры 24 соединен с первым входом источника стабилизированного напряжения 12, а выход датчика температуры 24 через резистор базы 25 соединен с выходом интегрирующего звена 17, базой 20, коллектором 19 транзисторов «защелки» 18. Первый вывод вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3 через токоограничительный резистор 32 соединен с первым выводом первичной обмотки 28 импульсного трансформатора 27 и коллектором транзистора 30 блока информации 26, эмиттер которого соединен со вторым выводом первичной обмотки 28 импульсного трансформатора 27, вторым выводом делителя напряжения 31 и вторым выводом вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3. Первый вывод делителя напряжения 31 соединен с коллектором транзистора 20, базой транзистора 19 и вторым выводом нагрузочного резистора 21 «защелки» 18, а база транзистора 30 блока информации 26 соединена с выходом делителя напряжения 31. Первый вывод вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 27 соединен с анодом выпрямительного диода 33, катод которого соединен с первыми выводами фильтрующего конденсатора 34, резистора разряда 35 и первым информационным выводом 36 реле. Второй вывод вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 27 соединен со вторыми выводами фильтрующего конденсатора 34, резистора разряда 35 и вторым информационным выводом 37 реле.
На чертеже приведено простейшее исполнение элементов блок-схемы устройства. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь непринципиальные отличия. Так, датчик тока нагрузки 13 может быть выполнен с использованием низкоомных, порядка (1-2) мОм безиндуктивных резисторов, задатчик порога срабатывания 16 релейного элемента 15 может иметь два (R1, R2) резистора или потенциометр. Вместо интегрирующего звена 17 в виде простейшей R3C1 цепочки могут использоваться двухзвенные.
В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы серийные микросхемы, например, микросхемы серии 1467 для реализации операционного усилителя 14 и релейного элемента 15, 142ЕР2Н4ИМ для источника стабилизированного напряжения. В качестве импульсных трансформаторов 3, 27 могут быть использованы трансформаторы типа ТИИ4. Генератор импульсов 2 может быть выполнен на микросхемах типа 1526ЛН2 по схеме, приведенной в прототипе, или по другой схеме на КМОП-микросхемах. Датчик температуры 24 может быть выполнен по схеме, приведенной в патенте Российской Федерации на изобретение №2319298. В качестве датчика температуры может быть применен, например, интегральный датчик температуры типа AD22105 фирмы ANALOQ DEVIGES или любой другой датчик температуры, имеющий на выходе релейный элемент. «Защелка» выполнена по схеме тиристора на n-р-n 20 и p-п-p 19 биполярных транзисторах с нагрузочным резистором 21 [3].
Электронное реле с трансформаторной развязкой с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа работает следующим образом.
упр
После подачи на входные выводы реле 6, 7 управляющего напряжения U генератор 2 формирует прямоугольные импульсы, которые с его выхода поступают на первичную обмотку 22 импульсного трансформатора 3. На вторичной обмотке 23 импульсного трансформатора 3 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются выпрямительным диодом 4 и фильтруются конденсатором 10. Положительное напряжение с фильтрующего конденсатора 10 подается на входы источника стабилизированного напряжения 12. С выхода источника стабилизированного напряжения 12 напряжение поступает на положительные шины питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15 и на второй вывод задатчика релейного элемента 16, первый вывод которого соединен с отрицательной шиной питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15 и первым выводом фильтрующего конденсатора 10, вторым выводом вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, вторым выводом резистора разряда 11, вторым выводом датчика тока нагрузки 13, вторым выводом задатчика релейного элемента 16, первым выводом конденсатора интегрирующего звена 17 и эмиттером транзистора 20 «защелки» 18. Ток через резисторы R1, R2 задатчика релейного элемента 16 создает на инвертирующем входе релейного элемента 15 запирающее напряжение.
Одновременно с этим отфильтрованное конденсатором 10 напряжение через токоограничительный резистор 5 заряжает входную емкость МОП транзистора электронного ключа 1.
вх
н
После заряда входной емкости С выше порогового напряжения МОП транзистора электронный ключ 1 переходит во включенное состояние, создавая низкое сопротивление для протекания тока нагрузки I через открытый МОП транзистор.
н
н
При протекании тока нагрузки I через открытый МОП транзистор электронного ключа 1 и последовательно соединенный с ним датчик тока нагрузки 13 на последнем создается падение напряжения, пропорциональное току нагрузки I. Это напряжение, составляющее единицы милливольт, поступает на вход операционного усилителя 14, усиливается им и с его выхода поступает на неинвертирующий вход релейного элемента 15.
н
Напряжение, поступающее на инвертирующий вход релейного элемента 15 с выхода задатчика релейного элемента 16, задает максимальный ток нагрузки I реле, при котором происходит отключение МОП транзистора электронного ключа 1.
Если в какой-то момент времени или в момент включения реле ток не превысит предельного значения, то релейный элемент 15 остается в состоянии, когда на его выходе сигнал лог. «0», который через интегрирующее звено 17 поступает на базу транзистора 20 «защелки» 18 и сохраняет состояние «защелки» как выключенное.
статус
В выключенном состоянии «защелки» 18 на коллекторе транзистора 20 «защелки» 18 сохраняется напряжение, равное напряжению на затворе МОП транзистора электронного ключа 1. Это напряжение поступает на делитель напряжения 31 и на резисторе R5 делителя напряжения 31 создается падение напряжения, которое открывает транзистор 30 блока информации 26. Прямоугольные импульсы, поступающие с вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3 через токоограничительный резистор 32 на первичную обмотку 28 импульсного трансформатора 27, шунтируются переходом коллектор-эмиттер открытого транзистора 30 блока информации 26, следовательно, на первичной 28 и вторичной 29 обмотке импульсного трансформатора 27 импульсы отсутствуют. Напряжение ±U на информационных выводах 36, 37 электронного реле равно нулю.
н
ком
Если в какой-то момент времени или в момент включения реле ток нагрузки I превысит заданное для реле значение, при котором срабатывает защита от перегрузки, то на выходе операционного усилителя 14 сформируется напряжение, превышающее напряжение с выхода задатчика релейного элемента 16. На выходе релейного элемента 15 формируется сигнал лог.«1», который через интегрирующее звено 17 поступает на базу транзистора 20 «защелки» 18 и открывает его. Через открытый транзистор 20 по цепи коллектор-эмиттер база транзистора 19 подключается к отрицательной шине питания операционного усилителя 14, релейного элемента 15, к выходному выводу реле 9 (-U), второму выводу вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3, первому выводу фильтрующего конденсатора 10, резистора разряда 11, задатчика релейного элемента 16 и интегрирующего звена 17.
ком
Через открытые транзисторы 19, 20, «защелки» 18 затвор МОП транзистора электронного ключа 1 подключается к отрицательной шине - U (вывод 9) и электронный ключ закрывается. Открытое состояние транзисторов 19, 20 «защелки» 18 сохраняется и после выключения МОП транзистора электронного ключа 1, надежно удерживая МОП транзистор электронного ключа 1 в выключенном состоянии.
статус
Так как в режиме перегрузки транзистор 20 «защелки» 18 находится в открытом состоянии и напряжение на его коллекторе не превышает 0,6 В, на резисторе R5 делителя напряжения 31 создается падение напряжения, близкое к нулю, то транзистор 30 блока информации 26 закрыт и на первичную обмотку 28 импульсного трансформатора 27 со вторичной обмотки 23 импульсного трансформатора 3 поступают прямоугольные импульсы частотой, равной частоте, формируемой генератором импульсов 2. На вторичной обмотке 29 импульсного трансформатора 27 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются выпрямительным диодом 33, фильтруются конденсатором 34 и постоянное напряжение поступает на информационные выводы 36, 37 реле. Импульсный трансформатор 27 одновременно с формированием сигнала ±U осуществляет гальваническую развязку входа и выхода реле. Постоянное напряжение на информационных выводах 36, 37 реле информирует о состоянии режима работы реле как «аварийный режим».
Изменяя сопротивление R2 в задатчике релейного элемента 16 можно перестраивать пороги защиты как во время включения, так и в установившемся режиме нагрузки, всегда сохраняя заданный запас защиты от перегрузки.
Время срабатывания защиты от перегрузки от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости конденсатора С1 интегрирующего звена 17, следовательно, емкость С1 интегрирующего звена 17 фильтрует и не пропускает на вход «защелки» 18 короткие сигналы помехи, возникающие при включении нагрузки.
упр
вх
Выключение реле как в режиме перегрузки реле, так и в номинальном режиме производится отключением управляющего напряжения U от входных выводов реле 6, 7. Генератор импульсов 2 выключается, фильтрующий конденсатор 10 плавно разряжается через резистор разряда 11, а входная емкость С - через резистор разряда 11 и токоограничительный резистор 5, тем самым исключаются выбросы в нагрузке при выключении реле, фильтрующий конденсатор 34 разряжается через резистор разряда 35.
Время защиты от бросков тока при включении нагрузки пропорционально емкости С1 интегрирующего звена 17.
н
нj
Порог срабатывания защиты можно перестраивать, изменяя сопротивление R2 в задатчике релейного элемента 16. В рабочем состоянии электронного реле, когда ток нагрузки равен номинальному току, температура внутри корпуса реле меньше температуры срабатывания датчика температуры 24. На выходе датчика температуры 24 формируется сигнал лог.«0», который через базовый резистор 25 поступает на базу транзистора 20 «защелки» 18 и удерживает его в закрытом состоянии. Если в процессе работы электронного реле ток нагрузки превысит I, но не достигнет значения I, при котором происходит выключение электронного ключа 1, то увеличится падение напряжения на МОП транзисторе электронного ключа 1. При повышенном токе нагрузки и повышенном остаточном напряжении на открытом МОП транзисторе электронного ключа 1 увеличится мощность, выделяемая на МОП транзисторе электронного ключа 1, температура его начнет повышаться и при достижении температуры срабатывания датчика температуры 24 на выходе последнего формируется сигнал лог.«1», который через резистор базы 25 поступает на базу транзистора 20 и коллектор транзистора 19 «защелки» 18. Далее повторяется, как описано выше, процесс закрывания МОП транзистора электронного ключа 1 и формирования блоком информации 26 сигнала аварийного состояния работы реле.
Значение температуры, при которой срабатывает датчик температуры, задается внешним резистором при использовании в качестве датчика температуры в предлагаемом устройстве интегрального датчика АД22105 в соответствии с техническим описанием на него. При использовании в качестве датчика температуры устройства, описанного в патенте RU №2319298, значение температуры срабатывания задается задатчиком температуры.
Конструктивно датчик температуры устанавливается вблизи МОП транзистора электрического ключа 1, если используется бескорпусной транзистор, или непосредственно на корпус корпусного транзистора.
упр
упр
статус
Таким образом, по сравнению с известным устройством [2] предлагаемое изобретение расширяет функциональные возможности и повышает надежность электронного реле за счет осуществления защиты от перегрева МОП транзистора электронного ключа 1, оперативного контроля режима работы электронного реле. Введение блока информации 26 в предлагаемое устройство позволит контролировать режимы работы электронного реле после подачи на его входы управления 6, 7 напряжения U. Если на информационных выводах 36, 37 после подачи на входы управления 6, 7 U напряжение U=0 В, то электронное реле функционирует нормально. Если на информационных выводах 36, 37 после подачи на входы управления U формирует сигнал лог.«1», это указывает на аварийный режим работы электронного реле.
Источники информации
1. Патент US №4438356.
2. Заявка на изобретение №2008127153.
3. Тиристоры. Технический справочник. Москва: Энергия, стр.33.