УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОЙ ПОДАЧИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР

Область техники
Устройство относится к области защиты электрических приборов от переполюсовки, а также от подачи напряжения питания в случае ошибочной стыковки кабельной системы и предназначено для использования на этапе регулировки и приемо-сдаточных испытаний в составе контрольной аппаратуры приборов. При этом обеспечение напряжения питания контрольной аппаратуры осуществляется серийным источником питания, имеющего плюсовую и минусовую клеммы, подключаемые к контрольной аппаратуре электрических приборов.
Уровень техники
Из предшествующего уровня техники известно устройство защиты электрических приборов от переполюсовки напряжения питания [1], состоящее из диода, включенного в одну цепь питания электрического прибора.
Недостатком его является большое падение напряжения на защитном диоде и соответственно, повышенный расход энергии при больших токах нагрузки, отсутствие защиты электрических приборов от подачи напряжения питания при ошибочном подключении ряда соединителей электрических приборов с соединителями аппаратуры контроля, отсутствие индикации об аварийной ситуации по подаче напряжения питания.
Известно устройство защиты от переполюсовки электрических приборов [2], содержащее реле, подключенное через первый диод параллельно источнику питания, еще два диода и переключающие контакты реле, через которые подключен электрический прибор, при этом к шине питания "Вход. 1" подключены первый диод, второй диод, и второй замыкающий контакт реле в нормально разомкнутом состоянии, вывод (катод) первого диода связан с реле, а вывод (анод) второго диода посредством первого контакта реле в нормально замкнутом состоянии связан с шиной нагрузки шина питания "Вход.2" связана с реле, первым контактом реле в нормально разомкнутом состоянии и третьим диодом, который посредством второго контакта реле в нормально замкнутом состоянии связан с шиной нагрузки "+".
Устройство обеспечивает защиту от переполюсовки электрических приборов. Недостатком его является наличие электромагнитного реле. Вследствие этого имеет место дребезг контактов с возникновением мощных помех, повышенное энергопотребление, низкая надежность и ресурс, большие габариты при больших токах нагрузки. Другим недостатком является отсутствие защиты электрических приборов при неверном подключении ряда соединителей электрических приборов с соединителями контрольной аппаратуры, отсутствие индикации об аварийной ситуации по подаче напряжения питания.
Прототип
Известен электронный предохранитель [3], часть которого наиболее близка по технической сущности к заявляемому устройству, который представляет собой устройство защиты электрических приборов от переполюсовки напряжения питания и содержит оптрон, NPN транзистор, три резистора, диод, входные плюсовую и минусовую клеммы питания, выходные плюсовую и минусовую шины (выходная минусовая шина в прототипе не обозначена как отдельный признак), первый резистор подключен между базой и эмиттером NPN транзистора, выходная минусовая шина соединена с входной минусовой клеммой питания, первый вывод силовой цепи оптрона соединен с входной плюсовой клеммой питания, второй вывод силовой цепи оптрона соединен с плюсовой выходной шиной, первый вывод второго резистора соединен с коллектором NPN транзистора, второй вывод второго резистора является диагностическим выходом контроля состояния устройства, анод светодиода оптрона соединен с катодом диода, анод диода соединен с входной плюсовой клеммой питания, третий резистор включен между катодом светодиода оптрона и базой NPN транзистора, эмиттер которого соединен с входной минусовой клеммой питания.
бэ
бэ
Устройство осуществляет защиту нагрузки от переполюсовки с малыми потерями мощности на силовом ключе оптрона при выборе оптрона с малым сопротивлением открытого канала силовой цепи. Недостатком его является зависимость тока светодиода оптрона от напряжения на входных плюсовой и минусовой клеммах питания, что ведет к снижению рабочего диапазона напряжений питания нагрузки - электрических приборов. Другим недостатком является отсутствие защиты электрических приборов при неверном подключении ряда соединителей электрических приборов с соединителями аппаратуры контроля, отсутствие индикации об аварийной ситуации подачи напряжения питания на нагрузку. Дополнительным недостатком электронного предохранителя [3] является большой и конкретный по величине порог срабатывания защиты от тока короткого замыкания. Это обусловлено малым сопротивлением открытого канала оптрона (r=0,1…0,02 Ом) и большим напряжением срабатывания защитного транзистора (порядка U=0,7…1,2 В). Следствием этого являются ненормированный порог срабатывания защиты по току (допусковый диапазон r и U) и повышенные потери энергии на силовой цепи оптрона. Это ведет к необходимости применения теплоотвода, что также является недостатком устройства. Таким образом, невозможно использовать электронный предохранитель с малым порогом срабатывания защиты по току, что необходимо для электрических приборов с малым энергопотреблением.
Цель полезной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении надежности защиты и расширении функциональных возможностей. Повышение надежности обеспечивается за счет контроля достоверности стыковки кабелей электрического прибора с контрольной аппаратурой и минимизации порогового тока срабатывания защиты при проверках электрического прибора контрольной аппаратурой за счет использования характеристик стандартного источника питания. Расширение функциональных возможностей заключается в расширении диапазона входных напряжений устройства за счет стабилизации тока светодиода оптрона, введении индикации о режиме функционирования устройства, обеспечении оперативного изменения порогового тока защиты от перегрузки электрического прибора.
Сущность полезной модели
1
jmax
1
jmax
max
1
jmax
Устройство иллюстрируется фиг. 1, где изображены: устройство защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1, контрольная аппаратура 2, электрический прибор 3, группа кабелей 4…4. Устройство защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1 содержит: оптрон 5, первый NPN транзистор 6, три резистора 7, 8 и 9, диод 10, входные плюсовую и минусовую клеммы питания 11 и 12, выходные плюсовую и минусовую шины 13 и 14, светодиод 15, второй NPN транзистор 16, переключатель 17, стабилизатор напряжения 18, два резистора 19 и 20, первый и второй контрольные входы 21 и 22. Контрольная аппаратура 2 содержит: устройство защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1, блок контроля параметров 23, схему контроля стыковки 24 с разъемами 25…25, которые соединены с разъемами электрического прибора 3 группой j=1…jкабелей 4…4.
В устройстве защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1 первый резистор 7 подключен между базой и эмиттером NPN транзистора 6, первый вывод второго резистора 8 соединен с коллектором NPN транзистора 6, первый вывод силовой цепи оптрона 6 соединен с входной плюсовой клеммой питания 11, второй вывод силовой цепи оптрона 5 соединен с плюсовой выходной шиной 13, входная минусовая клемма питания 12 соединена с выходной минусовой шиной 14, эмиттер второго NPN транзистора 16 соединен с эмиттером первого NPN транзистора 6, катодом светодиода 15, минусовым выходом стабилизатора напряжения 18, первым выводом переключателя 17 и первым контрольным входом 21, второй контрольный вход 22 соединен с другим выводом переключателя 17, базой второго NPN транзистора 16 и первым выводом третьего резистора 9, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго резистора 8, с первым выводом четвертого резистора 19 и с плюсовым выходом стабилизатора напряжения 18, анод светодиода 15 соединен с коллектором первого NPN транзистора 6, коллектор второго NPN транзистора 16 соединен с вторым выводом четвертого резистора 19 и с анодом светодиода оптрона 5, катод которого соединен с базой первого NPN транзистора 6, катод диода 10 соединен с входной минусовой клеммой питания 12, анод диода 10 соединен с минусовой входной шиной стабилизатора напряжения 18, плюсовая входная шина которого соединена с входной плюсовой клеммой питания 11, пятый резистор 20 подключен между вторым выводом силовой цепи оптрона 5 и входной минусовой клеммой питания 12.
j=2
jmax
j=1
j=1
j
j+1
max
j
j+1
jmax
В схеме контроля стыковки 24 контрольной аппаратуры 2 информационные цепи блока контроля параметров 23 соединены с параметрическими контактами разъемов 25…25, контакты цепей плюсового и минусового питания разъема 25 соединены с плюсовой и минусовой выходной шиной 13 и 14 соответственно, входной контакт цепей контроля стыковки разъема 25 соединен с первым контрольным входом 21 устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1, между каждой парой разъемов 25 и 25 от j=1 до j-1 выходной контакт цепей контроля стыковки разъема 25 соединен с входным контактом цепей контроля стыковки разъема 25, выходной контакт цепей контроля стыковки разъема 25 соединен с вторым контрольным входом 22 устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1, плюсовой и минусовой входы питания блока контроля параметров 23 соединены соответственно с плюсовым и минусовым выходом стабилизатора напряжения 18 устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1.
1
jmax
j
В каждом разъеме электрического прибора 3 входной контакт цепей контроля стыковки соединен перемычкой с выходным контактом цепей контроля стыковки. В разъемах каждого кабеля 4…4…4 соединены одноименные контакты. Входной (выходной) контакт цепей контроля стыковки в различных разъемах 25 имеет различный численный номер контакта разъема по документации (например, при одном конструктивном типе разъемов). Соответственно, численные номера контактов в разъемах по документации согласно принятых выше обозначений именуются как входной (выходной) контакт цепей контроля стыковки электрического прибора 3.
Устройство работает следующим образом. При подключении внешнего источника питания к плюсовой и минусовой клеммам питания 11 и 12 противоположной полярности стабилизатор напряжения 18 остается обесточенным вследствие наличия диода 10. Соответственно, ток светодиода оптрона 5 отсутствует - силовая цепь оптрона 5 находится в разомкнутом состоянии, и напряжение на выходной плюсовой шине 13 относительно выходной минусовой шины 14 отсутствует. При подключении внешнего источника питания к плюсовой и минусовой клеммам питания 11 и 12 соответствующей полярности на выходе стабилизатора напряжения 18 появляется постоянное стабильное напряжение, обеспечивающее функционирование как блока 23 контроля параметров электрического прибора 3, так и устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор 1.
18
д
бэ
19
18
д
бэ
19
1
2
jmax-1
jmax
1
jmax
1
jmax
1
1
1
jmax
Наличие тока в цепи светодиода оптрона 5, определяемого величиной i=(U-U-U)/R, где U - величина выходного напряжения стабилизатора напряжения 18, U - величина падения напряжения на светодиоде оптрона 5, И - величина падения напряжения на переходе база-эмиттер NPN транзистора 6, R - величина сопротивления 19, определяется закрытым состоянием перехода коллектор-эмиттер NPN транзистора 16. Это состояние в положении «Стыковка» переключателя 17 обеспечивается при величине сопротивления между входом 21 и выходом 22 схемы контроля стыковки 24, близким к нулю. Соединения в схеме контроля стыковки 24 организованы перемычками пар контактов между разъемами 25-25…25-25 и между парой контактов (различных в каждом разъеме электрического прибора 3) таким образом, что при правильном подключении кабельной системы 4…4 база NPN транзистора 16 соединяется с его эмиттером сопротивлением этой цепи контроля стыковки, з близким к нулю. Таким образом, при правильном подключении кабельной системы 4…4 в цепи светодиода оптрона 5 протекает ток i, который вызывает замыкание силовой цепи оптрона 5, что приводит к подаче напряжения с плюсовой и минусовой клемм 11 и 12 через выходные плюсовую и минусовую шины 13 и 14, а также первый и второй контакты разъема цепей подачи питания 25 схемы контроля стыковки 24 и далее посредством кабеля 4 на электрический прибор 3. При этом ток светодиода оптрона 5 протекает также через переход база-эмиттер NPN транзистора 6, открытое состояние перехода коллектор-эмиттер которого шунтирует ток светодиода 15. Отсутствие свечения светодиода 15 свидетельствует о нормальном режиме подачи напряжения на электрический прибор 3. Одновременно со стабилизатора напряжения 18 поступает напряжение питания на блок 23 контроля параметров, который осуществляет анализ функционирования электрического прибора 3 по параметрическим цепям кабельной системы 4…4.
1
jmax
При первоначально неверной стыковке, например, из-за ошибки оператора, или ее нарушении в процессе проведения регулировочных работ хотя бы по одному разъему кабельной системы 4…4 со стороны электрического прибора 3 или схемы контроля стыковки 24, цепь стыковки разомкнута и через переход база-эмиттер NPN транзистора 16 протекает ток, определяемый величиной резистора 9 и напряжением стабилизатора 18. NPN транзистор 16 открывается и шунтирует ток светодиода оптрона 5 (i=0), силовая цепь оптрона 5 размыкается, и электрический прибор 3 обесточивается. При этом закрывается NPN транзистор 6, и через светодиод 15 протекает ток, свечение которого, например, красным цветом свидетельствует об аварийном режиме.
j
Резистор 20 выполняет функцию пассивного балласта, необходимого для достоверного измерения напряжения на входе электрического прибора 3. Например, при отсутствии этого резистора 20 в случае разомкнутого состояния силовой цепи оптрона 5 и измерении указанного напряжения вместо ожидаемого нулевого уровня напряжения можно получить достаточно большие значения. Эта ситуация возможна при размыкании по команде управления встроенных в электрический прибор 3 ключей в цепях его питания. Команда управления поступает по одному из кабелей 4 от блока 23 контроля параметров. В этом случае величина ложного напряжения определяется соотношением входного сопротивления вольтметра и сопротивления разомкнутой силовой цепи оптрона 5. Для устранения этой ситуации и введен пятый резистор 20 с величиной сопротивления, например, 200…300 кОм. Первый резистор 7 предназначен для обеспечения функционирования NPN транзистора 6 согласно его документации при токе i=0 светодиода оптрона 5.
j
1
jmax
При необходимости проведения исследовательских работ с электрическим прибором 3 с поданным напряжением питания и отключении какого-либо кабеля 4, где j=2, … max, переключатель 17 переводят в положение «Откл», которое имитирует штатное подключение исправной кабельной системы 4…4. Конструктивное исполнение монтажа переключателя 17 на панели контрольной аппаратуры 2 обеспечивает механическую защиту от его случайной установки в положение «Откл». Механическая защита при положении «Стыковка» переключателя 17 может быть опломбирована пломбой или заклеена защитной лентой с печатью ОТК.
j
Переход из штатного режима функционирования электрического прибора 3 в режим исследования при отключении какого-либо кабеля 4сопровождается снятием напряжения питания с электрического прибора 3 и появлением свечения светодиода 15. После чего снимают механическую защиту и переводят переключатель 17 в положение «Откл», которое сопровождается прекращением свечения светодиода 15 и возобновлением подачи напряжения, как описано выше, на электрический прибор 3.
Технический результат
Техническим результатом предложенной полезной модели является расширение функциональных возможностей, состоящих в дополнительном обеспечении защиты от несанкционированной подачи напряжения питания на электрический прибор в случае ошибочной стыковки кабельной системы, введении индикации о режиме работы, расширении диапазона напряжений питания электрического прибора, расширении диапазона и нормализации пороговых значений тока перегрузки электрического прибора в составе контрольной аппаратуры.
Проведено макетирование устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность. Представленное исполнение подачи напряжения питания на электрический прибор с использованием в качестве источника малого (порядка 0,8 В) тестового напряжения в цепях контроля стыковки, определяемого величиной падения напряжения на переходе база-эмиттер NPN транзистора 16 и малой величиной тока (ток базы маломощного транзистора), обеспечивает отсутствие отказа электрического прибора при неверной стыковке разъемов кабельной системы. Использование стабилизатора напряжения 18, питающего элементы устройства, позволяет расширить пределы изменения входного напряжения за счет стабильного тока светодиода оптрона 5.
Защита от токов короткого замыкания, возможных в электрическом приборе, например, при первом его включении или в процессе регулировки, обеспечивается характеристиками современного серийного источника питания, подключаемого к плюсовой и минусовой клеммам питания 11 и 12 устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор. Использование серийных источников питания позволяет осуществить защиту электрических приборов практически с любым порогом срабатывания защиты по току, задаваемому по усмотрению оператора.
Блок контроля параметров 23 приведен на фиг. 1 для пояснения факта наличия стабилизатора напряжения 18 в контрольной аппаратуре 2 как ее неотъемлемой части, что не требует дополнительных материальных затрат исключительно для обеспечения функционирования устройства защиты от несанкционированной подачи напряжения на электрический прибор согласно области применения.
Использованные источники
1. Защита аппаратуры от переполюсовки, http://begin.esxema.ru/?p=1756
2. Устройство защиты от переполюсовки электрических приборов. Патент РФ №149397, МПК Н02Н 9/00 (2006/01)
3. Электронный предохранитель. Патент РФ №2622893. МПК Н02Н 3/10, 2017 г.