ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
ELECTRONIC SAFETY DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к устройствам защиты нагрузок и силовых цепей вторичных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий по току. Особенно эффективно применение в высоковольтных силовых цепях постоянного напряжения для исключения возможности возникновения электрической дуги при размыкании защищаемой цепи.
Уровень техники.
Известны схемные технические решения устройств защиты от перегрузок и короткого замыкания для цепей постоянного напряжения на основе транзисторов МДП структуры (см., например, Конев Ю.И., Машуков Е.В. Силовые МДП-транзисторы в устройствах коммутации и защиты // Электронная техника в автоматике: Сб. статей / Под ред. Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1984, - Вып.15. - с.19).
Недостатками известных устройств защиты цепей постоянного напряжения являются наличие в цепи рабочего тока измерительного резистора или терморезистора, приводящего к возникновению дополнительных потерь, а в случае применения терморезистора еще и к значительному разбросу уровня срабатывания защиты по току в интервале изменения рабочей температуры. Также эти устройства не защищают нагрузку от снижения напряжения в цепи ниже допустимого уровня и имеют большие ограничения по применению динамической нагрузки и источников питания с плавным нарастанием рабочего напряжения и скачками пусковых токов.
Также известно ограничивающее устройство цепи короткого замыкания (см., например, Пат. США US 5381296 А, кл. Н02Н 5/04), содержащее силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, резисторы, переключатель и плавкий предохранитель. Причем первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания. Их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор - затвор силового МДП-транзистора. База управляющего транзистора соединена со средним выводом переключателя, через четвертый резистор - с клеммой для подключения нагрузки и первыми выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому присоединены также эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель - клемма для подключения отрицательного вывода источника питания.
Наиболее близким к заявляемому является электронный предохранитель (см., например, RU 2185016 С2, кл. Н02Н 3/08), который содержит силовой МДП-транзистор, управляющий транзистор, стабилитрон, причем первые выводы первого и второго резисторов присоединены к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их вторые выводы подключены соответственно к первому выводу переключателя и коллектору управляющего транзистора, к которому также присоединены катод стабилитрона и через третий резистор - затвор силового МДП-транзистора, база управляющего транзистора соединена со средним выводом переключателя, через четвертый резистор - с клеммой для подключения нагрузки и первыми выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к общему проводу схемы, к которому также присоединены эмиттер управляющего транзистора, анод стабилитрона, исток силового МДП-транзистора, который через последовательно соединенные второй конденсатор и шестой резистор подключен к его стоку, второй вывод переключателя и через плавкий предохранитель - клемма для подключения отрицательного вывода источника питания. Сток силового МДП-транзистора напрямую подключен к клемме для подключения нагрузки, в устройство дополнительно введены устройство управления, первый, второй компараторы и терморезистор, причем терморезистор находится в тепловом контакте с корпусом силового МДП-транзистора, его выводы соединены с общим проводом и входом первого компаратора, вход второго компаратора подключен к клемме для подключения положительного вывода источника питания, их выходы подключены ко входам устройства управления, выход которого соединен с базой управляющего транзистора, при этом если выходные сигналы первого и второго компараторов принимают значения, соответствующие логической единице, то сигнал с выхода устройства управления запирает управляющий транзистор на время, необходимое для установления устойчивого открытого состояния силового МДП-транзистора, а при выходном сигнале одного из компараторов, соответствующем логическому нулю, сигнал с выхода устройства управления открывает управляющий транзистор. Также в электронный предохранитель дополнительно введены диод и седьмой резистор, причем катод диода подключен к катоду стабилитрона, его анод соединен с затвором силового МДП-транзистора и одним выводом седьмого резистора, другой вывод которого соединен с общим проводом схемы.
Недостатками указанных устройств являются увеличенные потери и значительный разброс уровней срабатывания защиты по току, неустойчивость включения силового МДП-транзистора, особенно при плавном нарастании напряжения питания за счет одновременного нарастания напряжения на базе управляющего транзистора; возможность сбоя при автоматическом включении силового МДП-транзистора в случае его перегрузки пусковыми токами нагрузки; возможность выхода из строя силового МДП-транзистора при принудительном включении устройства путем замыкания контактов переключателя за счет неконтролируемого времени пребывания в предельных режимах работы в случае наличия короткого замыкания силовой цепи; отсутствие возможности отключения устройства при снижении напряжения питания ниже допустимого для нагрузки уровня.
Технической задачей заявленного изобретения является снижение собственных потерь, повышение быстродействия, надежности функционирования и расширение области применения.
Сущность изобретения электронного предохранителя состоит в том, что электронный предохранитель содержит положительную и отрицательную клеммы для подведения питания к нагрузке, биполярный и полевой транзисторы, четыре резистора, при этом положительная клемма подключена к первому выводу первого резистора, первому выводу третьего резистора, отрицательная клемма подключена ко второму выводу второго резистора, к эмиттеру биполярного транзистора и к истоку полевого транзистора, второй вывод первого резистора подключен к первому выводу четвертого резистора, к первому выводу второго резистора и к базе биполярного транзистора, второй вывод третьего резистора подключен к коллектору биполярного транзистора и к затвору полевого транзистора, сток полевого транзистора подключен ко второму выводу четвертого резистора.
Электронный предохранитель дополнительно может содержать стабилитрон для ограничения максимального напряжения затвор-исток полевого транзистора, подключенного анодом к истоку полевого транзистора, а катодом - к затвору полевого транзистора.
Электронный предохранитель дополнительно может содержать конденсатор, расположенный между отрицательной клеммой и первым выводом второго резистора.
Биполярный транзистор может быть выполнен в виде NPN - типа.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема электронного предохранителя.
Электронный предохранитель содержит положительную PIN1 (1) и отрицательную PIN2 (2) клеммы для подведения питания к нагрузке. Также электронный предохранитель содержит биполярный VT1 (10) и полевой VT2 (11) транзисторы и четыре резистора R1 (5), R2 (6), R3 (7), R4 (8). При этом положительная клемма PIN1 (1) подключается к первому выводу (14) первого резистора R1 (5), первому выводу (18) третьего резистора R3 (7). Отрицательная клемма PIN2 (2) подключается ко второму выводу (17) второго резистора R2 (6), к эмиттеру (23) биполярного транзистора VT1 (10) и к истоку (27) полевого транзистора VT2 (11). Второй вывод (15) первого резистора R1 (5) подключается к первому выводу (20) четвертого резистора R4 (8), к первому выводу (16) второго резистора R2 (6) и к базе (22) биполярного транзистора VT1 (10). Второй вывод (19) третьего резистора R3 (7) подключается к коллектору (24) биполярного транзистора VT1 (10) и к затвору (25) полевого транзистора VT2 (11). Причем сток (26) полевого транзистора VT2 (11) подключается ко второму выводу (21) четвертого резистора R4 (8). Электронный предохранитель дополнительно может содержать стабилитрон D1 (12) для ограничения максимального напряжения затвор (25) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11), подключенного анодом (28) к истоку (27) полевого транзистора VT2 (11), а катодом (29) - к затвору (25) полевого транзистора VT2 (11). Кроме того, электронный предохранитель дополнительно может содержать конденсатор С1 (13), расположенный между отрицательной клеммой PIN2 (2) и первым выводом (16) второго резистора R2 (6). Биполярный транзистор VT1 (10) предпочтительно выполнен в виде NPN - типа. В ряде случаев допускается использование и транзистора PNP - типа.
Электронный предохранитель может быть осуществлен с реализацией указанного назначения следующим образом.
Изначальное состояние схемы: биполярный транзистор VT1 (10) - закрыт, а полевой транзистор VT2 (11) - открыт. Входное напряжение подается на положительную клемму PIN1 (1) и отрицательную клемму PIN2 (2). Нагрузка подключается к контактам PIN3 (3) - положительный, PIN4 (4) - отрицательный. При подаче питания на положительную PIN1 (1) и отрицательную PIN2 (2) клеммы через третий резистор R3 (3) напряжение прикладывается к затвору (25) полевого транзистора VT2 (11), вследствие чего открывается канал сток (26) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11) и замыкает цепь питания на нагрузку. Стабилитрон D1 (12) предназначен для ограничения максимального напряжения затвор (25) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11). Конденсатор С1 (13) служит для выбора необходимого быстродействия схемы. При этом указанные выше стабилитрон D1 (12) и конденсатор С1 (13) не обязательны, т.е. устройство может работать и без них. Однако наличие стабилитрона D1 (12) и конденсатора С1 (13) в устройстве позволяет повысить надежность функционирования и расширить область применения.
Биполярный транзистор VT1 (10) является пороговым элементом и управляет отключением полевого транзистора VT2 (11). Пороговое напряжение отключения зависит от соотношения номиналов резисторов R1 (5), R2 (6), R4 (8) и начального напряжения открывания биполярного транзистора VT1 (10).
При превышении входным напряжением порогового значения на втором резисторе R2 (6) выделяется необходимое напряжение, которое прикладывается к выводам база (22) - эмиттер (23) биполярного транзистора VT1 (10), приоткрывает его, замыкая затвор с истоком полевого транзистора VT2 (11). Полевой транзистор VT2 (11) начинает закрываться и на его выводах сток (26) - исток (27) начинает повышаться напряжение, которое через четвертый резистор R4 (8) прикладывается к выводам база (22) - эмиттер (23) биполярного транзистора VT1 (10) и полностью открывает биполярный транзистор VT1 (10). Это приводит к полному закрыванию полевого транзистора VT2 (11). Процесс проходит лавинообразно и приводит к стабильному состоянию схемы: биполярный транзистор VT1 (10) - закрыт, а полевой транзистор VT2 (11) - открыт.
Для защиты нагрузки по превышению тока применяется измерение падения напряжения на выводах полевого транзистора VT2 (11). Сопротивление открытого канала сток (26) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11) имеет определенное значение и определяется типом выбранного транзистора. В том случае, если ток через нагрузку начинает расти, прямо пропорционально растет напряжение, которое падает на выводах сток (26) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11). Это напряжение через четвертый резистор R4 (8) прикладывается к выводам база (22) - эмиттер (23) биполярного транзистора VT1 (10). При достижении порогового значения биполярный транзистор VT1 (10) открывается и замыкает выводы затвор (25) - исток (27) полевого транзистора VT2 (11). Это приводит к закрыванию полевого транзистора VT2 (11) и дополнительному увеличению напряжения падения на выводах сток (26) - исток (27), что в свою очередь увеличивает падение на выводах база (22) - эмиттер (23) биполярного транзистора VT1 (10). Процесс также проходит лавинообразно и приводит к стабильному состоянию схемы: биполярный транзистор VT1 (10) - закрыт, а полевой транзистор VT2 (11) - открыт. В данном состоянии схема будет находиться до момента снятия входного напряжения.
Применение заявленного электронного предохранителя позволяет повысить надежность защищаемых электрических цепей устройств вторичного электропитания и обеспечить их безопасность.