РЕЛЕ ИНТЕГРАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ И ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки относится к электронной технике и может быть использовано в качестве коммутатора.
Известны устройства гальванической развязки, использующие трансформаторную связь и включающие входной драйвер, импульсный трансформатор и выходной драйвер (US 7421028 В2 Н04В 3/00 опубликован 02.09.2008; US 7075329 В2 H03K 17/16, H01L 25/00 опубликован 11.07.2006; US 6873065 В2 H02F 27/42 опубликован 29.03.2005; RU 74021 U1 МПК H03K 17/78, опубликован 10.06.2008), в том с защитой от перегрузки по току (RU 79359 U1 H03K 17/00, опубликован 27.12.2008).
В качестве прототипа выбрано реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой и контролем статуса выхода и перегрузки (RU 125793 U1 МПК H03K 17/00, опубликован 10.03.2013), включающее интегральный входной драйвер, состоящий из маломощного генератора, делителя частоты, построенного на счетном триггере и выходные N-канальные транзисторы; импульсный трансформатор гальванической развязки с двумя первичными и двумя вторичными обмотками; два выпрямляющих диода Шоттки, подключенных к затвору выходного N-канального ДМОП транзистора с токосъемным резистором в цепи стока; интегральную КМОП схему контроля тока в выходных цепях, подключенную к питанию выходного драйвера с использованием резистора и стабилитрона для питания аналогового компаратора; резисторный делитель, определяющий значение контролируемого тока через токосъемный резистор на компараторе; транзисторную оптопару, подключенную к выходу компаратора.
Основным недостатком прототипа является срабатывание защиты по амплитудному значению коммутируемого тока, которое может быть помехой или кратковременным пусковым током, в то время как устройство защиты должно ограничивать длительность и амплитуду аварийного коммутируемого тока на таком уровне, чтобы тепловой эквивалент, обеспечиваемый защитным устройством, был меньше теплового эквивалента, допустимого для защищаемого прибора.
2
ГОСТ Р 50030.2-99 (Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ) для автоматического выключателя вводит характеристику It - информация (как правило, в виде кривой), представленная
2
максимальными, по времени отключения, значениями It как функция ожидаемого тока (действующее значение симметричной составляющей для переменного тока) от пикового значения ожидаемого тока, удовлетворяющего номинальной отключающей способности при коротком замыкании и соответствующем напряжении.
2
Полезная модель направлена на получение технического результата - введение защиты по функции аппроксимирующей кривую It.
2
Поставленная цель достигается тем, что в реле интегральном электронном с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки, содержащем интегральный входной драйвер, состоящий из маломощного генератора, делителя частоты, построенного на счетном триггере и выходные N-канальные транзисторы; импульсный трансформатор гальванической развязки с двумя первичными и двумя вторичными обмотками; два выпрямляющих диода Шоттки, подключенных к затвору выходного N-канального ДМОП транзистора с токосъемным резистором в цепи стока; интегральную КМОП схему контроля тока в выходных цепях, подключенную к питанию выходного драйвера с использованием резистора и стабилитрона для питания аналогового компаратора; резисторный делитель, определяющий значение контролируемого тока через токосъемный резистор на компараторе; транзисторную оптопару, подключенную к выходу компаратора, между токосъемным резистором и контролирующим входом компаратора введена RC-цепочка, формирующая сигнал защиты, аппроксимированный к функции It, где I - аварийный ток, t - длительность времени протекания коммутируемого аварийного тока.
На фиг. 1 представлена структурная схема реле интегрального электронного с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки. Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки включает интегральный входной драйвер 1; состоящий из маломощного генератора 2; делителя частоты 3, построенного на счетном триггере; выходные N-канальные транзисторы 4, 5. Гальваническая развязка обеспечивается импульсным трансформатором 9 с двумя первичными 10, 11 и двумя вторичными обмотками 12, 13. Схема выходного драйвера включает два диода Шоттки 14, 15. Выходной драйвер подключен к затвору выходного N-канального ДМОП транзистора 17. Токосъемный резистор 20 включен в цепь истока выходного N-канального ДМОП транзистора 17.
Интегральная КМОП схема контроля тока в выходных цепях 21 подключена к питанию выходного драйвера. Встроенные в схему резистор 22 и стабилитрон 23 обеспечивают стабильное напряжение питания аналогового компаратора 24. Встроенные в схему резисторы 25 и 26 образуют делитель, определяющий контролируемый ток через
2
токосъемный резистор 20. Времязадающая RC-цепочка 35 и 36 определяют функцию It для защиты.
Выход аналогового компаратора 24 подключен к выводам 27 и 28 ИК диода 29 транзисторной оптопары 30. Выходы 31 и 32 фототранзистора 33 транзисторной оптопары 30 выведены на сторону управления реле интегрального электронного. База фототранзистора через заземляющий резистор 34 для повышения помехоустойчивости подключена к общему выводу оптопары.
Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки работает следующим образом. Интегральный входной драйвер 1, изготовленный по КМОП технологии, имеет выводы питания (6 - питание, 8 - входной общий вывод) и разрешения 7. При наличии высокого логического уровня по входу разрешения 7 происходит запуск маломощного генератора опорной частоты со скважностью не менее 100.
Формирование двухтактного сигнала осуществляется счетным триггером 3 на прямом и инверсном выходах Q и , подключенных к затворам выходных N-канальных транзисторов 4 и 5 интегрального входного драйвера.
Выходные N-канальные транзисторы подключены к двум первичным обмоткам 10 и 11 импульсного трансформатора 9. Первичные обмотки свободным концом подключаются к выводу напряжения питания 6.
Вторичные обмотки 12 и 13 импульсного трансформатора 9 подключены одним концом к выходному общему выводу 19, другими - к диодам Шоттки, подключенных катодами к затвору выходного N-канального ДМОП транзистора 17. Фильтрация и выпрямление переменного сигнала по затвору обеспечивается емкостями затвора ДМОП транзистора и катодов диодов Шоттки. При наличии сигнала на трансформаторе постоянный сигнал с диодов 14 и 15 открывает (включает) ДМОП транзистор 17, подключенный к выводам 18 и 19, и питает схему контроля тока 21.
2
При протекании коммутируемого тока через ДМОП транзистор 17 токосъемный резистор 20 и времязадающая цепочка 35, 36 формируют сигнал защиты, аппроксимированный к функции It, представленный на фиг. 2.
2
В соответствии с ГОСТ Р 50030.2-99 функция It реализуется в соответствии с формулой (1):
где I - аварийный ток;
t - длительность времени протекания коммутируемого аварийного тока.
Отсюда из (1):
КОМ
где I - коммутируемый аварийный ток;
ЗАЩ
t - время срабатывания защиты.
Таким образом, в соответствии с фиг. 2 и (2) чем выше коммутируемый аварийный ток, тем быстрее срабатывает защита.
В реле интегральном электронном с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки в соответствии с фиг. 1 и 2 защита аппроксимируется RC-цепочкой.
Напряжение на конденсаторе RC-цепочкой в общем случае описывается формулой (3):
где U(t) - напряжение на конденсаторе;
0
U - заряжающее напряжение;
t - время заряда;
R - сопротивление резистора;
С - емкость конденсатора.
В случае схемы по фиг. 1 напряжение на конденсаторе 36 описывается формулой (4):
ПОР
где U - напряжение на конденсаторе 35, пороговое напряжение срабатывания компаратора 24;
КОМ
I - коммутируемый ток транзистором 17;
Ш
R - сопротивление резистора 20;
t - время заряда;
R1 - сопротивление резистора 35;
С1 - емкость конденсатора 36.
Для аварийного коммутируемого тока зависимость от времени описывается формулой (5):
Далее при превышении напряжения на конденсаторе 36 порогового уровня, задаваемого делителем от резисторов 25 и 26, аналоговый компаратор переходит по выходу в состояние логической «1». Данный сигнал включает ИК диод 29, который открывает фототранзистор 33. Подключение выхода 31 к управляющему входу 7 приводит к остановке реле и защите от перегрузки.
2
Технический результат достигается за счет введения в схему реле интегрального электронного с трансформаторной развязкой и защитой от перегрузки между токосъемным резистором и контролирующим входом компаратора RC-цепочки, формирующей сигнал защиты, аппроксимированный к функции It, где I - аварийный ток, t - длительность времени протекания коммутируемого аварийного тока.