ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ И/ИЛИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ НАГРУЗОК
ELECTRIC CIRCUIT FOR LOAD ELECTRIC POWER SWITCHING AND/OR ADJUSTMENT

Изобретение относится к электрической схеме для переключения и/или регулирования электрической мощности нагрузок согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Инсталляционная техника зданий включает в себя различные электрические инсталляционные системы для управления энергоснабжением электрических нагрузок. У одной из широко распространенных инсталляционных систем в линии электроснабжения нагрузок размещены инсталляционные приборы, посредством которых нагрузки непосредственно и в соответствии с самыми различными критериями могут управляться вручную или автоматически. В инсталляционных приборах могут быть размещены электрические схемы, которые служат для переключения и/или регулирования электрической мощности нагрузок (например, ламп накаливания и других средств освещения) в сетях переменного напряжения. Активация сенсорных средств управления в инсталляционном приборе посредством коммутационного элемента и посредством электронных конструктивных элементов, функционально связанных с коммутационным элементом, преобразуется в соответственно сгенерированный уровень напряжения для нагрузки.
Такого рода схемы должны быть функционально рассчитаны так, чтобы периферийные взаимодействия могли блокироваться. Это требование известно как электромагнитная совместимость. С одной стороны, при этом необходима достаточная защита от помех, чтобы не воздействовать на работу электрических приборов, находящихся в окружающем пространстве. С другой стороны, следует стремиться к тому, чтобы защищать чувствительные конструктивные элементы таких схем от электрических нерегулярностей (пиков) и возмущающих воздействий. Выполнение двух этих требований является трудоемким и приводит к сложной схемной архитектуре, часто занимающей большую площадь.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать электрическую схему для переключения и/или регулирования электрической мощности нагрузок, которая надежно блокирует периферийные взаимодействия, и схемная архитектура которой упрощена.
Решается эта задача с помощью признаков, указанных в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления содержатся в описании, чертежах и зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение в соответствии с п.1 формулы изобретения обладает тем преимуществом, что создана комфортабельная и надежная схема для переключения и/или регулирования электрической мощности нагрузок в сетях переменного напряжения, которая при одновременно усовершенствованной схемной архитектуре как сокращает до минимума воздействие на внешние приборы, так и защищена от внешних воздействий. С одной стороны, возможно обеспечение требуемых параметров напряжения радиопомех, а, с другой стороны, осуществляется защита компонентов схемы, в частности, транзисторов, от повреждения вследствие перенапряжения, сверхтока, короткого замыкания и подобного.
Во время процессов переключения возможно надежное соблюдение нормативно требуемых параметров напряжения радиопомех, при этом благодаря схемотехническим мерам возможно усовершенствование параметров схемы и схемной архитектуры. Крутизна фронта импульса включения как существенная величина воздействия для напряжения радиопомех может быть оптимизирована, при этом дополнительно сокращаются собственные потери или, соответственно, самонагревание коммутационного элемента.
Для формирования импульса происходит настройка коммутационных элементов в виде транзисторов через резистивно-емкостную цепь, включающую в себя конденсатор (схема Миллера), параллельный участку затвора-стока транзисторов, очень сильно зависящему от напряжения. Благодаря этому может предотвращаться воздействие сильно колеблющейся емкости «затвор-сток» на крутизну фронта напряжения радиопомех, так что уменьшенная крутизна фронта понижает напряжение радиопомех ниже разрешенных предельных значений. Необходимость в дополнительном конденсаторе, размещенном параллельно схеме, который является объемным и при переключении создает дополнительные потери в элементах схемы, при этом отпадает.
Электрические конструктивные элементы схемы могут предпочтительно защищаться от перенапряжения и сверхтока. Для защиты транзистора при перенапряжении в выключенном состоянии нагрузки подходят обычные защитные элементы, такие как варистор, который включен параллельно схеме и отводит энергию на внешний элемент. Кроме того, с помощью такого конструктивного элемента, как стабилитрон (диод Зенера), можно защитить участок «затвор-исток» транзистора как от положительных, так и от отрицательных пиков напряжения. Кроме того, при быстрых положительных фронтах возмущений в сети диод может предотвращать отпирание транзистора посредством зажима на дополнительный конденсатор.
В случае сверхтока во включенном состоянии нагрузки резистор датчика тока в сочетании с компаратором служит обычно для отключения транзистора при превышении порогового значения. Ввиду пониженной, максимально допустимой импульсной мощности потерь (10 кВт) транзисторов более не могут использоваться обычные отключения посредством компараторов или процессоров из-за слишком больших значений времени реакции.
Важной является возможность отключения транзистора в течение нескольких микросекунд. В соответствии с изобретением при этом моделируется временная характеристика импульсного теплового сопротивления (тепловая постоянная времени) транзистора. Так, возможно измерение возникающей мощности потерь и отключение транзистора в зависимости от потребляемого количества энергии с временной задержкой. Благодаря этому транзистор может отключаться с наибольшей возможной быстротой при высоких токах и высоком напряжении, вызывающих высокую мощность потерь. Напротив, при высоких токах в уже подключенном транзисторе с низкой мощностью потерь приемлемо замедленное отключение.
Для этого может использоваться множительное устройство, резистивно-емкостная цепь и компаратор (опорное значение). При этом создается показатель напряжения и умножается на показатель тока на первом резисторе. Этот показатель моментальной мощности потерь может подаваться на компараторный и триггерный каскад, который при превышении некоторого порогового напряжения запирает транзистор. Множительное устройство может быть еще дополнено схемой, которая ограничивает ток при низких напряжениях до разрешенных для транзистора значений.
Предпочтительно может создаваться приближение к условиям отключения с помощью линейной резистивной схемы и дополнительной защиты посредством зависимого от температуры порога отключения. Для сокращения затрат на аппаратное обеспечение моделирование импульсного теплового сопротивления ограничивается моделированием очень коротких значений времени в диапазоне от нескольких до нескольких сотен мкс. Этот способ проще, потому что происходит экономия в отношении использования затратного множительного устройства, и предпочтителен, потому что он одновременно при малых напряжениях не допускает произвольного повышения тока.
Показатель напряжения может при этом создаваться с помощью резистивного делителя и суммироваться с показателем тока на первом резисторе. Этот показатель после фильтрации может при помощи конденсатора подаваться на компараторный и триггерный каскад, который при превышении порогового напряжения запирает транзистор. Предпочтительной является зависимость от температуры порогового напряжения между базой и эмиттером, которая смещает отключение при более высоких температурах окружающей среды в направлении более низких токов.
Хотя транзистор при продолжительной помехе защищен от разрушения также при повторном включении, средняя мощность потерь повышается выше мощности потерь в нормальном режиме, и транзистор может быть отключен посредством вышестоящего управления (микропроцессор диммера) и/или включаться с более высоким коэффициентом заполнения (например, каждые 100 мс).
К предпочтительным областям применения предлагаемой изобретением инсталляционной системы относится сфера управления освещением или жалюзи.
Другие детали, признаки и преимущества изобретения содержатся в нижеследующем описании одного из предпочтительных примеров осуществления с помощью чертежей, на которых схематично показаны:
Фиг.1: известная схема,
Фиг.2: фрагмент схемы согласно изобретению и
Фиг.3: фрагмент другой схемы согласно изобретению.
Одинаковые и одинаково функционирующие конструктивные элементы в нижеследующем описании снабжены одинаковыми ссылочными позициями.
Ниже конструкция и принцип действия предлагаемой изобретением электрической схемы описаны более подробно схематично с помощью примеров осуществления.
Схема служит для переключения и/или регулирования электрической мощности нагрузок 1, например, ламп накаливания и других средств освещения, в сетях 2 переменного напряжения. Принципиальная монтажная схема в виде 2-проводного переключателя (последовательно подключенные диммер и нагрузка) изображена на Фиг.1.
Последовательно нагрузке 1 подключена последовательная схема двух коммутационных элементов, в виде транзисторов M1 и M2 и низкоомного резистора R1 датчика, параллельно которой включен элемент U1 защиты от перенапряжения в виде варистора.
Так как эта обычно применяемая схема построена симметрично относительно обоих транзисторов M1 и M2, на Фиг.2 изображается только половина схемы (вокруг транзистора M1), которая логичным образом справедлива для транзистора M2.
Упоминаемая ниже монтажная схема служит для того, чтобы в нормальном режиме достигать требуемых параметров напряжения радиопомех и в режиме помех защищать транзистор M1 от повреждения вследствие перенапряжения, сверхтока, короткого замыкания и подобного.
В нормальном режиме затвор транзистора M1 с V1 через первую резистивно-емкостную цепь 3, состоящую из конденсаторов C1, C2 и резисторов R2, R3, настраивается так «медленно», что уменьшенная крутизна фронта импульса включения понижает напряжение радиопомех ниже разрешенных предельных значений. При этом особенно важен конденсатор C1, который согласно схеме Миллера в качестве параллельной емкости относительно участка «затвор-сток» транзистора M1, очень сильно зависящего от напряжения, может уменьшать колебание крутизны фронта. При этом отпадает необходимость в дополнительном конденсаторе, параллельном варистору U1, который является объемным и при переключении создает дополнительные потери в транзисторах M1, M2.
Для защиты транзистора M1 в выключенном состоянии на Фиг.2 показаны обычные элементы защиты, такие как варистор U1, например, тип на 275 В для применения в транзисторе на 800 В в сети на 230 В, и защитный диод D1, который защищает участок «затвор-исток» как от положительных, так и от отрицательных пиков напряжений. Диод D3 предотвращает при быстрых положительных фронтах возмущений в сети 2 переменного напряжения отпирание транзистора M1 благодаря зажиму на конденсатор C2.
Во включенном состоянии в уровне техники резистор R1 датчика тока в сочетании с компаратором служит для отключения транзистора M1 при превышении порогового значения.
На Фиг.2, однако, дополненное среднее значение возникающей мощности потерь (P=U*I), которое получается посредством множительного устройства 4 и второй резистивно-емкостной цепи 5, сравнивается с помощью компаратора U2 с некоторым опорным значением и используется для отключения транзистора M1. Благодаря этой части 8 схемы транзистор M1 может отключаться с наибольшей возможной быстротой при высоких токах и высоком напряжении с результирующей высокой мощностью потерь. Напротив, при высоких токах в уже подключенном транзисторе M1 с низкой мощностью потерь допустимо замедленное отключение. Вторая резистивно-емкостная цепь 4 моделирует при этом временную характеристику импульсного теплового сопротивления транзистора M1.
В случае сверхтока происходит отключение при превышении максимального тока. При постоянной мощности потерь при низких напряжениях, конечно, не должно допускаться превышения максимального тока.
В схеме на Фиг.3 надежная эксплуатация ниже максимального тока приближенно представлена линейной зависимостью. Предпочтительно приближение условий отключения может создаваться посредством линейной резистивной схемы 6 и дополнительной защиты с помощью зависимого от температуры порога отключения. Чтобы сократить затраты на аппаратное обеспечение, моделирование импульсного теплового сопротивления ограничивается моделированием очень коротких значений времени в диапазоне от нескольких мкс до нескольких сотен мкс.
В соответственно выполненной части 8 схемы «показатель напряжения» создается с помощью делителя напряжения с резисторов R4 и R5 и суммируется с «показателем тока» на резисторе R1, и после фильтрации посредством конденсатора C3 подается на компараторный и триггерный каскад 7, состоящий из транзисторов Q1 и Q2, который при превышении порогового напряжения между базой и эмиттером, равного примерно Ube=0,55В, запирает транзистор M1.
При этом для тока стока на пороге отключения справедливо:
Id=1/R1*(Ube-R4/R5*Uds)
Важной является возможность отключения транзистора M1 в течение примерно 1 мкс, так как максимальная мощность потерь, равная 350В*30А, то есть примерно 10 кВт, у обычных типов транзисторов в течение более длительного времени не допускается. Обычные отключения через компараторы или процессоры работают в данном случае слишком медленно. Предпочтительной является зависимость температуры порогового напряжения между базой и эмиттером, которая смещает отключение при более высоких температурах окружающей среды в направлении более низких токов.
Отключение сохраняется до тех пор, пока комбинация из транзисторов Q1 и Q2 проводит ток, то есть пока имеется управление посредством V1. В случае, если ток через резисторы R2, R3 для этого не достаточен, он может повышаться посредством дополнительного резистора R6 от V1 к эмиттеру транзистора Q1.
Чтобы сократить затраты на аппаратное обеспечение, на Фиг.3 моделирование импульсного теплового сопротивления посредством конденсатора C3 и резисторов R4, R5 ограничивается моделированием очень коротких значений времени в диапазоне от нескольких мкс до нескольких сотен мкс. Хотя транзистор M1 при продолжительной помехе защищен от разрушения и при повторном включении, средняя мощность потерь повышается выше мощности потерь в нормальном режиме, и транзистор M1 может отключаться посредством вышестоящего управления (микропроцессора диммера) и/или включаться с более высоким коэффициентом заполнения (например, каждые 100 мс).
Перечень ссылочных позиций
1 Нагрузка
2 Сеть переменного напряжения
3 Первая резистивно-емкостная цепь
4 Множительное устройство
5 Вторая резистивно-емкостная цепь
6 Резистивная схема
7 Компараторный и триггерный каскад
8 Часть схемы
C1 Конденсатор
C2 Конденсатор
C3 Конденсатор
D1 Защитный диод
D2 Диод
D3 Диод
M1 коммутационный элемент, транзистор
M2 коммутационный элемент, транзистор
Q1 Транзистор
Q2 Транзистор
R1 резистор датчика тока
R2 резистор
R3 резистор
R4 резистор
R5 резистор
R6 резистор
U1 Элемент защиты от перенапряжения, варистор
U2 Компаратор.