Устройство защитного отключения

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутируемых источниках питания для защиты от перегрузок по току устройств электропитания, а также для защиты от перегрузок по напряжению подключаемой нагрузки.
Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току (Патент РФ №2335843, МПК: Н03К 17/08, Н02Н 9/02, опубликован 10.10.2008), содержащий датчик тока, электронный ключ, выполненный по схеме двухтактного повторителя, который подает питание в блок нагрузки. Кроме этого, он содержит апериодическое звено, транзистор и диод, включенный последовательно с база-эмиттерным переходом указанного транзистора, которые включены в цепь управления электронного ключа в виде электронного шунта. Выходным сигналом электронного ключа при превышении нагрузки выше заданной обеспечивается управление электронным шунтом, который в свою очередь обеспечивает прерывание тока через нагрузку.
В качестве прототипа для заявляемого технического решения выбрано устройство автоматического повторного включения (Патент РФ №2272347, МПК: Н02Н 3/06, H01H 47/10, опубликован 20.03.2006) для защиты устройств электропитания от превышения токов нагрузки предельно допустимых значений. Устройство содержит резистор, выполняющий функцию токоограничителя, первый и второй измерительные преобразователи, коммутатор с функцией шунтирования резистора, входной и выходной выводы, общий вывод, первый и второй компараторы, первый и второй задатчики опорных уровней, RS-триггер.
Техническая проблема, решаемая созданием данной полезной модели, заключается в невозможности обеспечения известными устройствами защиты от перегрузки по току в момент включения (при наличии высокого пускового тока), а также защиты подключаемой нагрузки от перенапряжения, например, в случае выхода из строя устройства электропитания.
Технический результат направлен на обеспечение защиты устройств электропитания от перегрузки по току как в момент включения питания нагрузки, так и в установившемся состоянии, а также на обеспечение защиты подключаемой нагрузки от перенапряжения.
Технический результат достигается тем, что устройство защитного отключения содержит измерительный преобразователь, соединенные с ним токоограничитель, шунтирующий коммутатор и первый двухпороговый компаратор, а также второй двухпороговый компаратор. Кроме этого, оно содержит входной коммутатор, первый блокиратор, устройство включения, второй блокиратор и реле времени. При этом входом устройства является первый вход входного коммутатора, второй вход которого соединен с выходом устройства включения, а выход подключен к входу измерительного преобразователя. Первый выход измерительного преобразователя соединен с входом токоограничителя и с первым входом шунтирующего коммутатора, а второй его выход соединен с первым входом первого двухпорогового компаратора. Выход токоограничителя является выходом устройства и соединен с выходом шунтирующего коммутатора и с первым входом второго двухпорогового компаратора. Второй вход второго двухпорогового компаратора соединен с общим выводом устройства. Первый выход второго двухпорогового компаратора соединен со вторым входом шунтирующего коммутатора, второй выход подключен ко второму входу первого двухпорогового компаратора, третий выход соединен с входом первого блокиратора, выход которого подключен к третьему входу первого двухпорогового компаратора, четвертый выход второго двухпорогового компаратора является выходом сигнала исправности. Первый выход первого двухпорогового компаратора соединен с первым входом устройства включения, второй выход соединен с входом второго блокиратора, выход которого подключен ко второму входу устройства включения, а третий его выход соединен с входом реле времени. При этом первый выход реле времени соединен с четвертым входом первого двухпорогового компаратора, а второй его выход подключен к третьему входу устройства включения. Четвертый вход устройства включения является входом сигнала внешнего запуска.
Предлагаемое устройство защитного отключения представляет собой комбинацию коммутатора напряжения с функцией ограничения пускового тока и самовосстанавливающегося электронного предохранителя с функцией защиты от перегрузки по току и перенапряжению. При этом устройство выполнено в виде четырехполюсника с возможностью подключения к его входу устройства электропитания, например стабилизатора напряжения постоянного тока, а к его выходу блока нагрузки.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком, на котором представлена функциональная схема устройства защитного отключения.
Устройство защитного отключения содержит входной коммутатор (ВК) 1, измерительный преобразователь (ИП) 2, токоограничитель (ТО) 3, шунтирующий коммутатор (ШК) 4, первый двухпороговый компаратор (ДПК1) 5, второй двухпороговый компаратор (ДПК2) 6, первый блокиратор (Б1) 7, устройство включения (УВ) 8, второй блокиратор (Б2) 9 и реле времени (РВ) 10.
Входом устройства является первый вход ВК 1, второй вход которого соединен с выходом УВ 8, а выход подключен к входу ИП 2. Первый выход ИП 2 соединен с входом ТО 3 и с первым входом ШК 4, а второй его выход соединен с первым входом ДПК1 5. Выход ТО 3 является выходом устройства и соединен с выходом ШК 4 и с первым входом ДПК2 6. Второй вход ДПК2 6 соединен с общим выводом устройства. Первый выход ДПК2 6 соединен со вторым входом ШК 4, второй выход подключен ко второму входу ДПК1 5, третий выход соединен с входом Б1 7, выход которого подключен к третьему входу ДПК1 5, а четвертый его выход является выходом сигнала исправности (ИСПР). Первый выход ДПК1 5 соединен с первым входом УВ 8, второй выход соединен с входом Б2 9, выход которого подключен ко второму входу УВ 8, а третий его выход соединен с входом РВ 10. При этом первый выход РВ 10 соединен с четвертым входом ДПК1 5, а второй его выход подключен к третьему входу УВ 8. Четвертый вход УВ 8 является входом сигнала внешнего запуска (ВЗ).
Кроме этого, устройство защитного отключения выполнено с возможностью подключения к его входу стабилизатора напряжения постоянного тока (СНПТ) 11, а к его выходу блока нагрузки (БН) 12. При этом питание самого СНПТ 11 может осуществляться как от источника постоянного напряжения, так и от источника переменного напряжения.
Рассмотрим работу устройства защитного отключения в нормальном режиме, а также при осуществлении защиты СНПТ 11 от перегрузки по току (ограничение пускового тока, защита от короткого замыкания) и при осуществлении защиты БН 12 по перенапряжению.
Работа устройства в нормальном режиме.
1
2
1
2
Запуск устройства осуществляется с помощью УВ 8 по сигналу «ВЗ» внешнего запуска, поступающему на его четвертый вход. При этом по сигналу с выхода УВ 8 включается ВК 1. Ток от плюсового выхода СНПТ 11 поступает на вход устройства и далее протекает через ВК 1, ИП 2, ТО 3, затем с выхода устройства проходит через БН 12, после чего поступает через общий вывод обратно к минусовому выводу СНПТ 11. В момент включения устройства (на время действия переходных процессов) работа ДПК1 5 заблокирована при помощи Б1 7, а ШК 4 выключен. Значение плавно нарастающего напряжения Uвых на выходе устройства поступает на первый и второй входы ДПК2 6 (положительный потенциал выходного напряжения с выхода ТО 3 и отрицательный - с общего вывода). Как только значение Uвых устанавливается больше значения первого порогового напряжения Uпор, но меньше значения второго порогового напряжения Uпор (Uпор<Uвых<Uпор), ДПК2 6 с первого выхода выдает сигнал на включение ШК 4, который в свою очередь шунтирует ТО 3. При этом ток протекает от СНПТ 11 к БН 12 практически без ограничения, а ДПК2 6 формирует и выдает со своего четвертого выхода сигнал исправности «ИСПР», сигнализирующий о нормальной работе устройства защитного отключения, а также подключенных к нему СНПТ 11 и БН 12. Также с третьего выхода ДПК2 6 подается сигнал на вход Б1 7, который снимает блокировку с ДПК1 5. При протекании тока от СНПТ 11 к БН 12 со второго выхода ИП 2 на первый вход ДПК1 5 подается сигнал, посредством которого происходит мониторинг тока нагрузки.
Работа устройства при возникновении перегрузки по току (в момент включения или в случае короткого замыкания).
1
1
При увеличении тока, протекающего через ИП 2, до критического значения напряжение на его втором выходе превышает уровень первого порогового напряжения Uпор установленный в ДПК1 5. При этом ДПК1 5 срабатывает, и с его соответствующих выходов сигналы о превышении током предельно допустимого значения подаются сразу на три узла: на первый вход УВ 8, на вход Б2 9 и на вход РВ 10. УВ 8 выключает ВК 1 (устанавливается режим «защелки»), при этом Б2 9 удерживает УВ 8 в состоянии, обеспечивающем разомкнутое состояние контактов ВК 1. При пропадании напряжения на выходе устройства защитного отключения при разомкнутых контактах ВК 1 срабатывает также ДПК2 6, так как значение напряжения Uвых на выходе устройства становится ниже значения его первого порогового напряжения Uпор. Сигнал со второго выхода ДПК2 6 подается на второй вход ДПК1 5, с третьего выхода которого на РВ 10 поступает сигнал, по которому РВ 10 формирует временной интервал, по истечении которого происходит автоматический перезапуск устройства защитного отключения путем разблокировки УВ 8 и снятия режима «защелки» с ВК 1. Разблокировка УВ 8 происходит по сигналу, поступающему на его третий вход со второго выхода РВ 10, при этом с первого выхода РВ 10 на четвертый вход ДПК1 5 поступает сигнал, по которому ДПК1 5 возвращается в исходное состояние, предшествующее состоянию при перегрузке по току. При наличии на четвертом входе УВ 8 сигнала «ВЗ» устройство перезапускается - замыкаются контакты ВК 1 и устройство автоматически приводится в рабочее состояние (СНПТ 11 через устройство защитного отключения соединяется с БН 12). Если причина срабатывания защиты по току не устранена, то происходит периодическое отключение и включение устройства (с частотой, безопасной для работы СНПТ 11).
Работа устройства в режиме перенапряжения.
2
В случае увеличения напряжения на выходе устройства до уровня второго порогового напряжения Uпор, установленного в ДПК2 6 (режим перенапряжения, например выход из строя СНПТ 11), последний срабатывает. При этом сигнал «ИСПР» на четвертом выходе ДПК2 6, сигнализирующий об исправном состоянии устройства защитного отключения, а также подключенных к нему СНПТ 11 и БН 12, изменяется на инверсный, а ШК 4, шунтирующий до этого ТО 3, размыкает свои контакты (выключается). Сигнал со второго выхода ДПК2 6 с уровнем напряжения, превышающим уровень второго порогового напряжения Unop2, установленный в ДПК1 5, подается на второй вход последнего, что приводит к его срабатыванию. С соответствующих выходов ДПК1 5 соответствующие сигналы подаются на три узла: на первый вход УВ 8, на вход Б2 9 и на вход РВ 10. УВ 8 выключает ВК 1, а Б2 9 удерживает УВ 8 в состоянии, обеспечивающем разомкнутое состояние контактов ВК 1. При пропадании напряжения на выходе устройства защитного отключения при разомкнутых контактах ВК 1 с третьего выхода ДПК1 5 на вход РВ 10 поступает сигнал, по которому РВ 10 формирует временной интервал, по истечении которого происходит автоматический перезапуск устройства путем разблокировки УВ 8 и снятия режима «защелки» с ВК 1. Разблокировка УВ 8 происходит по сигналу, поступающему на его третий вход со второго выхода РВ 10, при этом с первого выхода РВ 10 на четвертый вход ДПК1 5 поступает сигнал, по которому ДПК1 5 возвращается в исходное состояние, предшествующее состоянию при перенапряжении. При наличии на четвертом входе УВ 8 сигнала «ВЗ» устройство перезапускается и автоматически приводится в рабочее состояние - замыкаются контакты ВК 1. Если причина срабатывания защиты по перенапряжению не устранена, то происходит периодическое отключение и включение устройства (с частотой, безопасной для работы БН 12).
Индивидуальное электропитание устройства защитного отключения может быть осуществлено от служебного источника питания.
Для подтверждения возможности реализации технического решения был изготовлен опытный образец устройства защитного отключения. В данном устройстве защитного отключения в качестве ВК 1 и ШК 4 использованы оптоэлектронные коммутаторы PVG612A (IR), агрегатированные по пять штук для расширения диапазона защиты по току нагрузки (соединенные последовательно по входам и параллельно по выходам). ТО 3 выполнен на мощном изолированном резисторе С5-47, ИП 2 выполнен на низкоомном резисторе WSR50100FEA 0,01Ом±1% и специализированном операционном усилителе MAX4080TAUA. ДПК1 5 реализован на мониторе напряжения MAX8212MJA с программируемым порогом срабатывания и внутренним термокомпенсированным источником опорного напряжения 15 В. ДПК2 6 выполнен на двух прецизионных стабилитронах LM431 в режиме термокомпенсированного компаратора (пороги срабатывания задаются внешними резистивными делителями). Б1 7 представляет собой ключ на полевом транзисторе IRFL110, управляемом оптореле PVG612A, который в отрытом состоянии блокирует третий вход ДПК1 5. УВ 8 представляет собой ключ с функциями блокировки и разблокировки по двум входам на оптореле PVG612A. Б2 9 представляет собой ключ на оптореле PVG612A. В качестве РВ 10 применена схема на базе прецизионного стабилитрона параллельного типа LM431 в режиме компаратора.
Таким образом, предлагаемое устройство защитного отключения обеспечивает защиту устройств электропитания от перегрузок по току как в момент включения за счет ограничения пускового тока, так и в установившемся состоянии, а также обеспечивает защиту подключаемой нагрузки от перенапряжения за счет плавного нарастания напряжения на выходе устройства при включении питания.