УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ОТ ВЫСОКИХ ПИКОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БОРТОВОЙ СЕТИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE FOR PROTECTION OF ELECTRONIC INSTRUMENTS AGAINST HIGH PEAK VOLTAGES IN ON-BOARD NETWORK OF TRANSPORT VEHICLE

Изобретение может быть использовано в электротехнике, в частности в устройствах для защиты электрических устройств от высоких пиковых напряжений сети. Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и, в частности, к устройствам защиты радиоэлектронных приборов от высоких и пиковых значений напряжения в бортовой сети транспортного средства (далее - ТС).
-1
В бортовой сети транспортных средств, например снегоходов, мотоциклов, скутеров и других ТС из-за несовершенства штатного стабилизатора напряжения значения амплитуды напряжения в бортовой сети достаточно регулярно могут достигать высоких значений до 200 В, т.н. регулярные высокие перенапряжения или (что одно и то же) выбросы напряжения, которые видны на эпюре напряжений реального образца бортовой сети снегохода, изображенной на Фиг.1. При цене деления по оси Y=10 В, по оси Х цена деления 25 mc, для длительности импульса 250 µс при оборотах двигателя 1500 с видны выбросы за пределами 60 В. При больших оборотах - амплитуда еще больше (сплошная горизонтальная прямая соответствует нулевому значению напряжения в сети - «0» В). Эти выбросы напряжения, поступая на вход питания радиоэлектронного прибора, могут выводить из строя полупроводниковые приборы и микросхемы или вызвать сбои в работе отдельных радиоэлектронных приборов, установленных на транспортном средстве, которые по этой причине нуждаются в защите. На такие отдельные радиоэлектронные приборы могут устанавливаться дополнительные защищающие их устройства.
Уровень техники
Известно изобретение RU 2017254 (приоритет от 15.04.1992, МПК 5 Н01Н 85/30, Н02Н 3/08) «Управляемый электрический предохранитель», которое повысить надежность и избирательность действия предохранителя при КЗ в защищаемой цепи переменного тока за счет шунтирования плавкой вставки симистором, управляющий электрод которого включен на повышенный потенциал номинального напряжения феррорезонансной цепи, включенной параллельно защищаемой нагрузке. Недостатком данного устройства является то, что в нем присутствует плавкая вставка, которую после срабатывания защиты необходимо заменить. А электроника только компенсирует разброс параметров плавких вставок и «уверенно вызывает перегорания плавкой вставки» при «выявлении КЗ в защищаемой цепи».
Другое изобретение RU 2145759 (приоритет 12.02.1998, МПК 7 Н02Н 9/04, G01R 19/165) «Устройство защиты от перенапряжений в сети питания с постоянным напряжением» содержит два ограничителя напряжения, включенных последовательно и встречно друг другу и подключенных между проводниками, по которым поступает напряжение питания к радиоэлектронному прибору. Устройство содержит светодиодную цепочку и плавкую перемычку, образующую с первым ограничителем напряжения предохранительную цепочку, что позволяет обеспечить индикацию выхода из строя ограничителя напряжения, что повышает надежность работы радиоэлектронных приборов, показывает наличие или отсутствие напряжения сети и сигнализирует о неисправности устройства защиты. Недостатком данного устройства является то, что защита построена по принципу поглощения энергии импульса и индикации выхода из строя устройства защиты. В случае прохождения мощного импульса, энергия которого больше чем могут поглотить ограничители, устройство защиты выйдет из строя, сработает сигнализация. Если своевременно не восстановить работоспособность устройства защиты (на это требуется время), то следующий импульс может вывести из строя прибор. Если импульсы перенапряжения следуют регулярно, как на Фиг.1 (время чередование 25 мс), то за такое время невозможно отреагировать на данную ситуацию и предотвратить выход прибора из строя. Так же недостатком является то, что поглощение мощных импульсов ведет к увеличению линейных размеров ограничителей напряжения и необходимости отвода тепла выделяемого при поглощении.
Известно устройство по патенту США US 7075765 (выдан 11.07.2006, заявка 2004/0174648 от 23.04.2003, МПК 6 Н02Н 3/00 (20060101)), в котором предлагается схема ограничения величины тока в цепи питания за счет разветвления с использованием тиристоров в ветвях цепи, при этом питание осуществляется путем переключения между ветвями сети в зависимости от значения тока, которое измеряется измерительным устройством и подается на шунтирующее устройство (тиристор), которое имеет высокое сопротивление при нормальном значении тока, и сопротивление которого становится низким, когда значение тока превышает предельное для данной сети. Т.к. тиристоры включены параллельно питанию, на них происходит выделение тепла при срабатывании защиты, и требуется дополнительный теплоотвод, что приводит к увеличению размеров данного устройства, помимо того, что для многоразовых предохранителей время восстановления занимает от десятых до нескольких секунд, и в течение этого времени прибор находится в выключенном состоянии. Если импульсы высоких пиковых напряжений следуют регулярно, как на Фиг.1, то происходит разогрев предохранителя, он размыкает цепь питания, и в результате прибор не работает.
Раскрытие изобретения.
Для преодоления указных выше недостатков известных устройств предлагается заявляемое техническое решение, однако выбрать ни одно из указанных выше известных технических решений в качестве ближайшего аналога не представляется возможным.
Целью заявленного технического решения является создание миниатюрного устройства, защищающего отдельные радиоэлектронные приборы от высоких пиковых значений напряжения бортовой сети транспортного средства, приводящих к выходу из строя этих электронных приборов. Дополнительно предлагаемое устройство позволяет при отсутствии аккумулятора в сети транспортного средства избежать необходимости использовать плавкие вставки и многоразовые предохранители, избежать перерывов в работе приборов, связанных с необходимостью замены плавких вставок или временем восстановления многоразовых предохранителей.
Для преодоления указанных недостатков в заявленном устройстве защиты для снижения тепловыделения используется схема с использованием электронного ключа на основе транзистора, при этом электронный ключ включается последовательно в разрыв плюсовой шины питания и работает в режиме «замкнуто»/«разомкнуто» в зависимости от значения напряжения в сети ТС. Электронный ключ выполнен на основе транзистора, который имеет малое по сравнению с длительностью импульса время включения/выключения, поэтому успевает отсекать короткие высоковольтные импульсы длительностью (например, менее 1 мкс).
BX
BX
H
H
Принцип работы заявленного устройства основан (см. Фиг.2 с изображением блок-схемы заявленного устройства) на измерении входного напряжения U и переключении электронного ключа в режимы «замкнуто»/«разомкнуто» в зависимости от измеренного значения. В качестве электронного ключа могут быть использованы биполярные или полевые транзисторы. Напряжение бортовой сети поступает на выпрямитель, потом на делитель R1, R2, который включен параллельно питанию и служит для согласования входного напряжения U с управляемым стабилизатором. Если входное напряжение ниже напряжения отсечки - ключ находится в режиме «замкнуто», происходит зарядка конденсатора С2 и питание нагрузки R (защищаемого прибора) осуществляется от бортовой сети. Если входное напряжение превышает максимально безопасное значение напряжения работы электронного прибора (назовем его напряжением отсечки), то ключ находится в режиме «разомкнуто» и нагрузка R питается от конденсатора С2. Благодаря этому электронный прибор (приборы), подключенные на выход заявленного устройства, сохраняют работоспособность при наличии высоких пиковых напряжений. Если напряжение бортовой сети превысит напряжение отсечки на длительное время, то устройство перейдет в режим защиты (ключ в режиме «разомкнуто») и будет находиться в таком состоянии сколь угодно долго до тех пор, пока напряжение бортовой сети не станет нормальным (номинальным) для данного транспортного средства, после чего ключ возвращается в режим «замкнуто» и защищаемый электронный прибор начинает вновь работать от источника питания транспортного средства.
Описание чертежей
Решаемая проблема и сущность заявленного технического решения могут быть пояснены с помощью следующих чертежей.
Фиг.1. Эпюра напряжения в реальном образце бортовой сети транспортного средства.
Фиг.2. Блок-схема устройства защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства.
Фиг 3. Принципиальная электрическая схема устройства защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства.
Осуществление изобретения.
BX
BX
H
H
Возможность осуществления заявленного устройства может быть пояснена с помощью принципиальной электрической схемы устройства защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства, изображенной на Фиг.3, работающей от источников тока различного типа (постоянного и переменного). В зависимости от значения входного напряжения U от источника питания ИП электронный ключ переключается в режимы «замкнуто»/«разомкнуто» для обеспечения нормальной работы электронного прибора. В качестве электронного ключа VT3 могут быть использованы биполярные или полевые транзисторы (например, типа ВС 857). Напряжение бортовой сети поступает на делитель R1, R2, который включен параллельно питанию и служит для согласования входного напряжения U с управляемым стабилизатором. Если входное напряжение ниже напряжения отсечки - ключ находится в режиме «замкнуто», происходит зарядка конденсатора С2 и питание нагрузки R (защищаемого электронного прибора) осуществляется от бортовой сети. Если входное напряжение превышает напряжение отсечки, то ключ находится в режиме «разомкнуто» и нагрузка R питается от конденсатора С2. Таким образом, электронный прибор (приборы), подключенные на выход заявленного устройства, сохраняют работоспособность при наличии высоких пиковых напряжений. Если напряжение бортовой сети превысит напряжение отсечки на длительное время (больше 0,5 с) - устройство перейдет в режим защиты (ключ в режиме «разомкнуто») и будет находиться в таком состоянии сколь угодно долго до тех пор, пока напряжение бортовой сети не станет нормальным (номинальным) для данного транспортного средства. Конденсатор С1 служит для подавления высокочастотных помех по питанию, а величина его емкости находится в диапазоне значений 2,2-10 нФ при напряжении 250 В.
Номинал емкости С2 выбирают так, чтобы его значение напряжения на емкости удовлетворяло условию неравенства:
Где:
otc.
u(b) - напряжение отсечки;
min.
U(B) - минимальное напряжение, при котором прибор сохраняет работоспособность;
пот.
I(А)- ток потребления прибора;
τ(С) - максимальное время длительности пиковых импульсов питания.
Транзисторы выбирают с минимальным значением напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения Uкэнас. - напряжение насыщения коллектор-эмиттер для биполярного транзистора и с минимальным значением сопротивления сток-исток Rds(on) - сопротивление канала для полевого транзистора в режиме «включено», что требуется для снижения тепловыделения на электронном ключе.
otc.
При этом U - это значение напряжения отсечки равное входному напряжению, при превышении которого электронный ключ переходит в режим «разомкнуто»; Umin - минимальное значение напряжения, при котором подключенный прибор сохраняет работоспособность
Принципиальная электрическая схема устройства защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства, работающей от источников тока различного типа (постоянного и переменного) приведена на Фиг.3.
В качестве блока выпрямителя (1) может использоваться диодный мост.
Делитель (R1, R2) включен параллельно питанию и используется для согласования входного напряжения и схемы управления ключом. Значение номиналов резисторов R1, R2 выбирают из соотношения:
В качестве блока управляемого стабилитрона (2) был использован TL431 с напряжением управления Vref=2.5 В.
Выбор номиналов резисторов R4, R5, R6 определяется характеристиками транзистора VT1, напряжением отсечки и максимальным током через управляющий стабилитрон. Номинальные значения этих резисторов для использования с VT1 могут быть, например, следующими, 1 кОм, 30 кОм и 1 кОм соответственно. Значение R10 определяется рекомендациями производителя VT3 и на работы устройства существенно не влияет (значение может быть, например, порядка 1 кОм).
В качестве ключа используется полярный или биполярный транзистор.
Устройство работает следующим образом. В соответствии со схемой на Фиг.3 сигнал после выпрямителя с делителя R1, R2 поступает на управляемый стабилитрон VD2 (TL 431), который выдает сигнал управления на транзистор VT1, R5 - это ограничитель тока стабилитрона, у которого максимальный ток равен 100 мА, а R4 и R6 - это резисторы, обеспечивающие рабочий режим транзистора VT1. В качестве транзистора VT1 может быть использовании биполярный транзистор ВС857 (р-n-р), который обеспечивает шунтирование напряжения на R7 и закрывает силовой ключ. ИТ - это стабилизированный источник тока, в нашем случае ИТ с током 5 мА (может быть использован любой из известных). При протекании тока через резистор R7 создается падение напряжения, необходимое для полного открытия электронного ключа. Значение R8 может быть, например, 1 кОм (согласно рекомендации производителя, или может отсутствовать вообще или быть другого номинала - это на работоспособность не влияет).
oтc.
oтc.
отс
п
При значении напряжения бортовой сети U меньше значения напряжения отсечки U электронный ключ замкнут. В это время прибор питается от бортовой сети ТС и происходит зарядка емкости С2. При значении напряжения сети U больше значения напряжения отсечки Uключ размыкается. В это время прибор питается от емкости С2. Как только значение напряжения становится меньше U ключ замыкается и все начинается сначала. Т.о. при напряжении отсечки происходит переключение ключа из режима «замкнуто»/«разомкнуто» и обратно, что позволяет защитить прибор от высоких пиковых напряжений в бортовой сети. Значение напряжения отсечки выбирается из соотношения (3). Uмакс - максимально допустимое рабочее напряжение питания электронного прибора:
oтc
U≤0,8*Uп макс.
В нашем случае полагая, что Uп макс составляет 35-40 В, значение напряжения отсечки, соответственно, составит 28-32 В.
Другим условием достижения заявленного технического результата является требование к значениям, Uкэ (коллектор-эмиттер) для биполярных и Uси (сток-исток) для полевых транзисторов, которые должны быть больше максимально допустимого напряжения импульсов бортовой сети ТС. Схема может быть реализована на базе транзисторов типовых серий, например, известной серии IRF 9640 (полевой) или BDX54C (биполярный), для которой значение Uси и Uкэ больше максимального предполагаемого значения напряжения пикового импульса. Питание нагрузки (защищаемого прибора) благодаря этому осуществляется через заявленное устройство, которое будучи подключенным перед ним, позволяет достичь заявленный результат - защитить электронный прибор от перенапряжений (высоких пиковых значений) бортовой сети транспортного средства.
Помимо самостоятельного выполнения прибора по изобретению и подключения его перед защищаемым электронным прибором, прибор по изобретению может быть выполнен в одном корпусе с защищаемом прибором (в составе защищаемого прибора), что избавит пользователя от дополнительного монтажа.
Возможность реализации заявленного электронного устройства на основе существующей элементной базы свидетельствует о соответствии изобретения требованию патентоспособности «промышленная применимость».