УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ
OVERCURRENT PROTECTION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам электронной техники и может быть использовано для передачи напряжения от источника питания в блок нагрузки с защитой его от превышения тока, а также для защиты от перегрузки как источника питания, так и самого коммутатора напряжения. Кроме того, устройство обеспечивает защиту нагрузки от недопустимо низкого напряжения путем его полного снятия с нагрузки.
Известен компенсационный стабилизатор напряжения [1] с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, ограничительный резистор и второй транзистор, управляющий электронным коммутатором.
Недостатком указанного устройства является невозможность полного отключения нагрузки от источника напряжения при несанкционированном понижении входного напряжения, что может привести к недопустимым режимам работы блока нагрузки. Например, если блоком нагрузки является электронное устройство, то элементы этого устройства будут находиться под пониженным недопустимым напряжением.
Известен ряд устройств - коммутаторов напряжения [2-5], построенных на основе последовательно соединенных электронного ключа и шунта; по увеличению падения напряжения на котором в несколько раз с помощью компараторов и элементов логики осуществляется управление (выключение) электронного ключа.
Недостатком таких устройств является нечувствительность к случайным значительным кратковременным понижениям входного напряжения, при которых напряжение на нагрузке не снимается, но достигает недопустимо низких значений.
В качестве прототипа заявляемого устройства по построению и функциональному назначению можно указать на «Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току» [6].
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные шину положительного потенциала входного напряжения, датчик тока нагрузки, электронный ключ со схемой управления его включения/выключения, связанный с выходом электронного ключа через апериодическое звено, шину положительного потенциала выходного напряжения, а также шины отрицательного входного и выходного напряжения. Шины положительного и отрицательного потенциалов входного напряжения являются входом устройства, шины положительного и отрицательного потенциалов выходного напряжения являются выходом устройства.
Недостатками известного устройства является длительное время срабатывания защиты от перегрузки по току, приводящее к значительным импульсным выделениям мощности на электронном ключе, а также попадание пониженного (ниже минимально допустимого) напряжения на нагрузку при понижении входного напряжения ("провалах" входного напряжения).
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет одновременного осуществления защиты от перегрузки по току, уменьшения времени срабатывания защиты при перегрузке по току и защиты нагрузки от выходного напряжения при его значениях ниже допустимых.
Эта задача достигается тем, что в устройство защиты от перегрузки по току, содержащее последовательно соединенные шину положительного потенциала входного напряжения, датчик тока, электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом элемента управления электронным ключом и через защитный резистор - с входом датчика тока, и шину положительного потенциала выходного напряжения, соединенную с входом апериодического звена, дополнительно введен пороговый элемент, вход которого соединен через резистор с выходом датчика тока и выходом апериодического звена, общая точка которого соединена с входом датчики тока, выход порогового элемента соединен с входом элемента управления электронным ключом, а вход элемента управления электронным ключом соединен с входной и выходной шинами отрицательного потенциала напряжения.
Функционирование заявляемого устройства поясняется фиг.1…10.
На фиг.1 приведено устройство защиты от перегрузки по току.
На фиг.2 и 3 приведены варианты исполнения отдельных блоков устройства защиты от перегрузки по току при одинаковой общей логике его работы и при одинаковых параметрах входного напряжения и нагрузки.
На фиг.4…10 приведены результаты моделирования (осциллограммы) процессов в устройствах, приведенных на фиг.1…3.
На схемах показано:
1 - шина положительного потенциала входного напряжения,
2 - шина отрицательного потенциала входного напряжения,
3 - датчик тока,
4 - электронный ключ (4a - вход электронного ключа, 4b - выход электронного ключа, 4c - управляющий вход электронного ключа),
5 - элемент управления электронным ключом, далее, по тексту - блок 5 (5a - вход элемента управления электронного ключа - вход блока 5, 5b - выход элемента управления электронного ключа - выход блока 5, 5c - управляющий вход элемента управления электронного ключа - управляющий вход блока 5),
6 - апериодическое звено - в составе:
15 - входной резистор,
16 - выходной резисторы
17 - конденсатор,
6а - вход апериодического звена, 6b - выход апериодического звена
7 - защитный резистор,
8 - резистор,
9 - пороговый элемент (стабилитрон на фиг.2 и 3),
10 - шина положительного потенциала выходного напряжения,
11 - шина отрицательного потенциала выходного напряжения,
12 - источник напряжения,
13 - коммутатор,
14 - блок нагрузки с активной составляющей (32) и емкостной составляющей (33).
Электронный ключ 4 (по фиг.1) содержит полевой транзистор 18 и защитный стабилитрон 19.
Электронный ключ 4 (по фиг.2) содержит двухтактный повторитель, выполненный на транзисторах 24 и 25 и резисторе 26.
Электронный ключ 4 (по фиг.3) выполнен на транзисторе 31.
Блок 5 (по фиг.1) содержит режимные резисторы 21, 22 и защитный стабилитрон 23.
Блок 5 (по фиг.1 и 2) содержит режимные резисторы 28, 29 и защитный
диод 30.
H
ДОП
На фиг.4…10 показано: +IN (точка 1 на фиг.1…3) - пример формы напряжения, поступающего на вход устройства, +OUT (точка 10 на фиг.1…3) - напряжение на выходе устройства, I - ток нагрузки, протекающий через шину 10 положительного потенциала выходного напряжения, I - пример изменения нагрузки (дополнительный ток, протекающий через устройство), Р - мощность, рассеиваемая на электронном ключе 4.
Графики, приведенные на фиг.4…10, являются результатом математического моделирования заявляемого устройства.
Устройство, показанное на фиг.1…3, выполнено следующим образом.
Шина 1 положительного потенциала входного напряжения соединена через датчик тока 3 с входом (4а) электронного ключа 4 и общей точкой (6с) апериодического звена 6. Выход (4b) электронного ключа 4 соединен с шиной 10 положительного потенциала выходного напряжения (выход устройства) и с входом (6a) апериодического звена 6. Выход (6b) апериодического звена 6 соединен с входом (9a) порогового элемента 9 и через резистор 8 - с выходом датчика тока 3. Выход (9b) порогового элемента 9 соединен с управляющим (5c) входом блока 5. Вход (5a) блока 5 соединен с шиной 2 отрицательного потенциала входного напряжения и шиной 11 отрицательного потенциала выходного напряжения. Выход (5b) блока 5 соединен с управляющим входом (4c) электронного ключа 4 и через защитный резистор 7 - с входом датчика тока.
На фиг.1…3 показано три варианта построения электронного ключа 4 и два варианта построения блока 5.
В соответствии с фиг.1 электронный ключ 4 содержит p-канальный полевой транзистор 18 и защитный стабилитрон 19, включенный между истоком и затвором транзистора 18. Исток, сток и затвор транзистора 18 являются, соответственно, входом (4a), выходом(4b) и управляющим входом (4c) электронного ключа 4.
В соответствии с фиг.2 электронный ключ 4 выполнен в виде двухтактного повторителя и состоит из силового n-p-n транзистора 24, коллектор которого является входом (4a) электронного ключа, а эмиттер является выходом (4b) электронного ключа 4. n-p-n транзистор 25 соединен эмиттером с коллектором n-p-n транзистора 24, база которого соединена с коллектором n-p-n транзистора 24. База n-p-n транзистора 25 является входом управления (4с) электронного ключа 4. Резистор 10 включен между базой и эмиттером n-p-n транзистора 26.
В соответствии с фиг.3 электронный ключ 4 содержит n-p-n транзистор 31. Эмиттер, коллектор и база транзистора 31 являются, соответственно, входом (4a), выходом(4b) и управляющим входом (4c) электронного ключа 4.
Апериодическое звено 6 выполнено в виде трехполюсника с входным (15) и выходным (16) резисторами и конденсатором 17, соединенным с резисторами 12 и 13 одним выводом и общей точкой (6c) трехполюсника - другим выводом.
Блок 5 (в соответствии с фиг.1) выполнен на n-канальном полевом транзисторе 20 с резистором 21 и стабилитроном 23 между истоком и затвором. К стоку транзистора 20 подключен резистор 22, второй вывод которого является выходом (5b) блока 5. Исток транзистора 20 является входом (5a) блока 5, а затвор - его управляющим входом (5с).
Блок 5 (в соответствии с фиг.1 и 2) выполнен на биполярном n-p-n транзисторе 27 с резистором 29 и диодом 30 между эмиттером и базой. К коллектору транзистора подключен резистор 28, второй вывод которого является выходом (5b) блока 5. Эмиттер транзистора 27 является входом (5a) блока 5, а база - его управляющим входом (5с).
Устройство защиты от перегрузки по току работает следующим образом.
1
1
2
Пусть, например, в момент t (фиг.4) при замыкании коммутатора 13 между шиной 1 положительного потенциала входного напряжения и шиной 2 отрицательного потенциала входного напряжения устройства подается напряжение +IN на время от t до t. На входе 9а порогового элемента 9 возникает напряжение вследствие протекания первого тока в цепи: шина 1 положительного потенциала входного напряжения → конденсатор 17 → резистор 16 → входное сопротивление порогового элемента 9 и второго тока в цепи: шина 1 положительного потенциала входного напряжения → датчик тока 3 → резистор 8 → входное сопротивление порогового элемента 9. Если напряжение на входе 9a порогового элемента 9 превышает его порог срабатывания, то на его выходе 9b появляется напряжение, открывающее транзистор 20 блока 5. Вследствие протекания тока через открытый транзистор 20 между истоком и затвором транзистора 18 появляется напряжение, открывающее последний.
H
Через открытый транзистор 18 протекает ток I (фиг.4) по цепи: шина 1 положительного потенциала входного напряжения → датчик тока 3 → транзистор 18 → шина 10 положительного потенциала выходного напряжения → блок нагрузки 14 → шины 11 и 2 отрицательного потенциалов выходного и входного напряжений.
Назначение апериодического звена 6 - а) защита сигнала на входе 9а порогового элемента 9 от "нулевого" (низкого) потенциала от момента замыкания коммутатора 13 до открытия транзистора 18 и появления напряжения на нагрузке 14 (т.е. - в течение времени переходного процесса нарастания тока до номинального значения, б) форсированная подача напряжения на вход 9а порогового элемента 9 через конденсатор 17.
Назначение защитных стабилитронов 19 и 23 - ограничение напряжений на затворах транзисторов 18 и 20 от недопустимых значений (в соответствии со спецификациями на эти транзисторы). Резистор 21 обеспечивает "привязку" затвора транзистора 20 к его истоку.
H
Соотношение номиналов резисторов 7 и 22 выбирается из компромисса между минимальным падением напряжения на электронном ключе 4 и максимально возможным рабочим током I (фиг.4) в нагрузку (блок нагрузки 14).
3
H
ДОП
H
3
4
3
4
H
Если в некоторый момент времени (t) ток I может достичь недопустимых значений, т.е. возникает дополнительный ток I, например, как это показано на фиг.4 (возможное значение тока - 10А), ток I увеличивается до пределов, определяемых характеристиками транзистора 18 при заданных номиналах резисторов 7 и 22 (участок от t до t) и током через транзистор 20. Сопротивление электронного ключа 4 начинает повышаться, что приводит к увеличению падения напряжения на нем. При этом напряжение +OUT на блоке нагрузки начинает 14 уменьшаться и через время, определяемое постоянной времени τ=R(15)·C(17), напряжение на входе 9a порогового элемента 9 уменьшается, что приводит к его отключению и, в следствие этого, к снятию напряжения с входа 5c блока 5. Кроме того, уменьшению напряжения на входе 9a порогового элемента 9 способствует увеличение падения напряжения на шунте 3, передающееся через резистор 8. Действие указанных факторов приводит к закрытию транзисторов 20 и 18 и прекращению подачи тока (напряжения) в блок нагрузки 14. Весь процесс выключения электронного ключа 4 проходит в интервале от t до t :ток I сначала увеличивается из-за задержки, связанной с постоянной времени τ, а затем прекращается. Время переходного процесса в зависимости от параметров устройства составляет от 2 до 8 мс.
В качестве порогового элемента 9 может быть использована стандартная пороговая микросхема (например, триггер Шмидта) либо, в простейшем случае - стабилитрон, как это показано на фиг.2 и 3. Для указанных случаев выбирают стабилитроны с напряжением стабилизации от 6 до 12 В.
ДОП
5
Пропадание перегрузки (I) в момент t не приводит к включению электронного ключа 4 - его включение возможно только при перезапуске устройства.
На графике "P" (фиг.4) показана импульсная мощность, рассеиваемая на транзисторе 18. Расчеты показывают, что энергия, рассеиваемая транзистором 18, не превышает 0.2 Дж, при характерных допустимых значений для полевых транзисторов (в данном классе - на ток более 5 А) от 0.4 до 0.7 Дж.
При наличии "бросков" входного напряжения "Устройство защиты от перегрузки по току" реагирует следующим образом:
1) Не реагирует на превышение напряжения (в части срабатывания защиты),
не реагирует на понижение напряжения (в части срабатывания защиты), если оно в пределах допустимых значений (фиг.5).
2) Выключается, если оно ниже допустимых значений (фиг.6).
3) Выключается, а затем автоматически включается, если входное напряжение ниже допустимых значений (фиг.7).
Настройка на режимы 2) или 3) осуществляется при изготовлении устройства путем подбора резистора 16. Например, при входном напряжении 30 В режим 2) осуществляется при сопротивлении резистора 16 в диапазоне от 100 до 900 Ом, а режим 3) гарантированно осуществляется при сопротивлении резистора 16 более 1 кОм.
На фиг.2 и 3 показаны варианты построения заявляемого устройства. Все процессы в них протекают аналогично описанным выше.
Фиг.8 и 9 иллюстрируют процессы в устройстве по фиг.2.
На фиг.8 показан пример, аналогичный показанному на фиг.6.
На фиг.9 показан пример, аналогичный показанному на фиг.7.
Фиг.10 иллюстрирует процессы в устройстве по фиг.3
По сравнению с известным устройством [6] предлагаемое изобретение расширяет функциональные возможности за счет одновременного осуществления защиты от перегрузки по току, уменьшения времени срабатывания защиты при перегрузке по току и защиты нагрузки от выходного напряжения при его значениях ниже допустимых.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Литература
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Найвельта. Москва: Радио и связь, 1986 г., стр. 1896, рис. 5.19.
2. Описание изобретения к патенту РФ №2210183, H03K 17/08.
3. Описание изобретения к патенту РФ №2258302, H03K 17/08.
4. Описание изобретения к патенту РФ №2240647, H03K 17/08.
5. Описание изобретения к патенту РФ №2208292, H03K 17/08
6. Описание изобретения к патенту РФ №2335843, H03K 17/08