ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КОММУТАТОР
SOLID STATE SWITCH

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для коммутации силовых электрических цепей постоянного тока, защиты от перегрузок и коротких замыканий.
Из предшествующего уровня техники известен твердотельный контроллер нагрузки, защищенный патентом РФ №2256282, предназначенный для коммутации силовых энергетических сетей постоянного тока, состоящий из буфера, узла гальванической развязки, узла управления и защиты, узла преобразования напряжения, коммутатора, узла отключения и узла идентификации нагрузки. Недостатками данного устройства является отсутствие возможности регулировки длительности временных диапазонов размыкания твердотельного коммутатора в зависимости от протекающего тока.
Наиболее близким к заявленному изобретению является многоканальный твердотельный контроллер нагрузки, защищенный патентом РФ №2537041, содержащий буфер, узел интерфейса, узлы гальванической развязки и управления, двунаправленный коммутационный элемент и бесконтактный датчик тока, обеспечивающие возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока, исключающие необходимость во вторичном питании, а также выдающие напряжение, пропорциональное току нагрузки. Недостатками данного устройства является низкая скорость размыкания силового узла и, как следствие, ухудшение параметров защиты от короткого замыкания, поскольку производительность АЦП, подключенного к бесконтактному датчику тока защищаемой коммутируемой цепи, ограничена и достаточно низка. Объединенное управление несколькими каналами коммутации уменьшает надежность твердотельного контроллера в случае необходимости отработки защиты по току одновременно на нескольких каналах коммутации, а также снижает скорость срабатывания.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в минимизации времени срабатывания токовой защиты твердотельного коммутатора, расширении функционала параметров для задания алгоритма работы, обеспечении работы по заданной циклограмме или под управлением от других устройств через внешние интерфейсы связи, расширении возможностей самодиагностики, повышении надежности и помехоустойчивости за счет применения гальванической развязки силовой и управляющей части и возможности преобразования интерфейсов.
Технический результат достигается тем, что в заявленное устройство, содержащее узел ключа, датчик тока, трансформатор и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены преобразователь напряжения, узел драйвера ключа, компаратор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микропроцессорная система, два усилителя, генератор ШИМ сигнала, контроллер последовательного интерфейса, термодатчик, драйвер интерфейса, узел ограничения напряжения, а структура устройства сокращена до одного канала коммутации.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
Твердотельный коммутатор состоит из узла ключа 1, датчика тока 2, преобразователя напряжения 3, узла драйвера ключа 4, аналого-цифрового преобразователя 5, компаратора 6, цифроаналогового преобразователя 7, постоянного запоминающего устройства 8, трансформатора 9, микропроцессорной системы 10, усилителей 11 и 14, генератора ШИМ сигнала 12, контроллера последовательного интерфейса 13, термодатчика 15, драйвера интерфейса 16, узла ограничения напряжения 17. Силовая цепь подключается положительным контактом к узлу ключа 1, а отрицательным к датчику тока 2. Входы преобразователя напряжения 3 соединены с цепью питания, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю 5, компаратору 6, цифроаналоговому преобразователю 7, постоянному запоминающему устройству 8, микропроцессорной системе 10, усилителям 11 и 14, генератору ШИМ сигнала 12, контроллеру последовательного интерфейса 13, термодатчику 15, драйверу интерфейса 16, узлу ограничения напряжения 17. Выходы микропроцессорной системы 10 соединены с генератором ШИМ сигнала 12, цифроаналоговым преобразователем 7, усилителем 14. Выход генератора ШИМ сигнала 12 соединен с усилителем 11, выход которого подключен к трансформатору 9. Выход трансформатора 9 подключен к узлу драйвера ключа 4, выход которого подключен к узлу ключа 1. Узел ключа 1 соединен с датчиком тока 2, вход и выход которого соединены с аналого-цифровым преобразователем 5. Выход датчика тока 2 и выход цифроаналогового преобразователя 7 соединены с компаратором 6. Выходы аналого-цифрового преобразователя 5, компаратора 6, термодатчика 15, узла ограничения напряжения 17 соединены с микропроцессорной системой 10. Усилитель 14 подключен к параллельному интерфейсу без использования гальванической развязки. Микропроцессорная система 10 соединена с постоянным запоминающимся устройством 8 и контроллером последовательного интерфейса 13 посредством двунаправленной связи. Драйвер интерфейса 16 соединен двунаправленной связью с контроллером последовательного интерфейса 13 и двумя двунаправленными связями с самим последовательным интерфейсом.
Предлагаемый твердотельный коммутатор работает следующим образом.
Для начала работы на вход преобразователя напряжения 3 подается питание. По линиям последовательного интерфейса через драйвер интерфейса 16 и контроллер последовательного интерфейса 13 и по линиям параллельного интерфейса через узел ограничения напряжения 17 и усилитель 14, микропроцессорная система 10 осуществляет обмен информацией с внешними устройствами. Входными данными твердотельного коммутатора являются команды управления и параметры процесса управления защитой и коммутацией - значения токов перегрузки и связанные с ними величины задержек отключения коммутируемого канала, количество попыток восстановления канала, задержки между попытками восстановления. Выходными данными твердотельного коммутатора являются значения о протекающем токе, состоянии и режиме работы канала коммутации (выключено, включено, защита, восстановление, авария), состоянии линий параллельного интерфейса, а также другие параметры, которые были загружены ранее. Тип интерфейса и протокол обмена определяется алгоритмами и параметрами, заложенными в микропроцессорную систему 10 и постоянное запоминающее устройство 8.
После запитывания твердотельного коммутатора, микропроцессорная система 10 производит считывание данных о настройках из постоянного запоминающего устройства 8 и производит калибровку и диагностику компонентов твердотельного коммутатора.
При наличии на входе последовательного или параллельного интерфейса команды на включение, данные сигналы проходят через драйвер интерфейса 16 и контроллер последовательного интерфейса 13 или через узел ограничения напряжения 17 и поступают в микропроцессорную систему 10. Микропроцессорная система 10 декодирует команды и включает генератор ШИМ сигнала 12. Генератор ШИМ сигнала 12 выдает переменное напряжение, которое усиливается усилителем 11 и подается на первичную обмотку трансформатора 9. Полученное на вторичной обмотке трансформатора 9 напряжение поступает на выход узла драйвера ключа 4, где в свою очередь выпрямляется, ограничивается по уровню и поступает на затворы транзисторов узла ключа 1. Узел ключа 1 замыкается и соединяет силовые цепи. Ток, протекающий через узел ключа 1 по силовой цепи, преобразуется пропорционально в напряжение бесконтактным датчиком тока 2. Напряжение с выхода датчика тока 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5 и компаратора 6. Аналого-цифровой преобразователь 5 преобразует полученное напряжение в цифровой код и подает его на вход микропроцессорной системы 10. Также микропроцессорная система 10 при открытии узла ключа 1 конфигурирует цифроаналоговый преобразователь 7 на выдачу напряжения, соответствующего максимальному допустимому току через силовую цепь, определенному в конфигурации постоянного запоминающего устройства 8 на минимальное время задержки срабатывания защиты. Компаратор 6 сравнивает поданные на вход напряжения от датчика тока 2 и цифроаналогового преобразователя 7 и формирует сигнал на вход микропроцессорной системы 10.
В случае превышения тока в силовой цепи узла ключа 1, соответствующее повышенное напряжение формируется на выходе датчика тока 2, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 5, а также сравнивается компаратором 6. Если напряжение с датчика тока 2 превышает выдаваемое цифроаналоговым преобразователем 7, то компаратор 6 формирует соответствующий сигнал на вход микропроцессорной системы 10, которая в свою очередь в соответствии с установками отключает генератор ШИМ сигнала 12 и через усилитель 11 обесточивает первичную обмотку трансформатора 9. Питание прекращается от вторичной обмотки трансформатора 9. Узел драйвера ключа 4 запускает ускорение разряда затворов силовых транзисторов узла ключа 1, тем самым размыкая силовую коммутируемую цепь. В случае если напряжение с датчика тока 2 не превышает выдаваемое цифроаналоговым преобразователем 7, то микропроцессорная система 10 производит считывание оцифрованного значения с аналого-цифрового преобразователя 5 и принимает решение в соответствии с алгоритмами и настройками о длительности задержки отключения. Если длительность превышения тока в силовой коммутируемой цепи меньше длительности задержки, установленной в настройках твердотельного коммутатора, то размыкание узла ключа не производится.
Таким образом, применение компаратора 6 с цифроаналоговым преобразователем 7 обеспечивает более высокую скорость детектирования тока перегрузки в коммутируемой силовой цепи, и повышение быстродействия защиты по току.
Применение постоянного запоминающего устройства 8 позволяет хранить параметры алгоритмов управления защитой и обеспечивает более высокую скорость запуска устройства, а также исключает необходимость загрузки параметров во время каждого включения твердотельного коммутатора.
Предлагаемый твердотельный коммутатор может быть использован в качестве самостоятельного устройства, например, в качестве электронного предохранителя, замыкающегося при подаче питания и размыкающегося при снятии питающего напряжения или по превышению тока в силовой коммутируемой цепи; термостата, коммутирующего силовую цепь электронагревателя и производящего контроль температуры; реле времени, коммутирующего силовую цепь по изменяющимся сигналам с задержкой; прерывателя напряжения, коммутирующего силовую цепь с установленной частотой и коэффициентом заполнения; сетевого устройства с дополнительными возможностями, например, в качестве преобразователя интерфейсов или датчика температуры.