CS216177B2 - Zapojení ke kontrole součtu intenzit proudů - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení ke kontrole součtu intenzit proudů alespoii ve dvou větvích elektrické sítě obsahující sčítací obvody a operační zesilovač a v jednotlivých větvích je uspořádán měnič proudu na napětí.

Důležitá oblast použití tohoto zapojení je při realizaci nadproudové ochrany stejnosměrných napájecích jednotek. Další možností použití je funkce proudového omezení vztažená na maximální proud střídavé sítě.

Elektronická nadproudová ochrana je u moderních stejnosměrných napájecích jednotek obecně rozšířena. Nalézáme ji u napájecích jednotek pro rozdílné požadavky a také u monolitických integrovaných stabilizátorů jsou zabudovány pomocné obvody nadproudové ochrany. Go do principu jsou různá řešení stejná; na odporu zapojeném v sérii se zátěží vzniká úbytek napětí úměrný zatěžovacímu proudu, foto napětí se dostává na vstup kontrolního obvodu a výstup obvodu provede v kontrolované síti zákrok, většinou prostřednictvím výkonového tranzistoru, v důsledku čehož zatěžovací proud nemůže překročit maximální hodnotu.

U dosavadního omezování proudu přeměňuje se výstup napájecí části v generátor proudu; v důsledku vzrůstu zatížení poklesne výstupní napětí. Největší nevýhoda tohoto řešení spočívá v tom, že při přetížení může rozptyl propouštějícího stupně činit několikanásobek nepříznivého provozního stavu. Takové předimenzování bylo by však i při středních výkonech zásadně nehospodárné.

Místo uvedeného řešení je schůdnější omezování proudu s využitím charakteristiky typu foldback, to jest voltampérové charakteristiky zpět ohnuté. Toto uspořádání má ve srovnání s prvním řešením dvě výhody: nahradí-li se členy nízkoproudového děliče částečně potenciometry, dá se hodnota maximálního proudu nastavit jednoduchým způsobem; na druhé straně lze vhodnou volbou členů dosáhnout toho, že rozptyl výkonového stupně nepřekročí maximální provozní hodnotu ani při zkratu. Nevýhodou tohoto řešení je, že napětí vytvářené na sériovém odporu se rovná nejméně troj- až čtyřnásobku napětí otevření tranzistoru, tedy rovná se 1,8 až 2,4 V. U napájecí jednotky 5 V, 10 A, uvedené jako příklad, dochází na kontrolním odporu ke ztrátovému výkonu 18 až 24 W; to znamená při užitečném výkonu 50 W, že v důsledku elektronického omezování proudu se účinnost podstatně zhoršuje.

Z tohoto důvodu se u napájecích jednotek s vyšším výkonem činí kompromis. Podle jedné možnosti se za kontrolované napětí nepokládá jen napětí objevující se na sériovém odporu, ale toto se zvyšuje napětím mezi bází a emitorem výkonového tranzistoru. Tímto zásahem do obvodu může být u účinnosti skutečně dosaženo zlepšení, ale jen na úkor přesnosti. Neboť tím, že nyní je úměrným k zatěžovacímu proudu již jen díl kontrolovaného napětí, klesá strmost změny napětí a tím také její zjistitelnost. Stav se zhoršuje i tím, že hranice uvedení v činnost je závislá na teplotní citlivosti přechodu báze — emitor, to jest hodnota maximálního proudu je značně závislá na teplotě.

U modifikovaného řešení, u něhož celý zatěžovací proud je dodáván více paralelně zapojenými výkonovými stupni, funguje kontrola proudu jen u jednoho stupně, což se opírá o to, že přetížení nebo zkrat se vyskytují na všech stupních. V daném případě vzniká nejistota odchylkami proudového zesílení výstupních výkonových tranzistorů a proudovou a teplotní závislostí proudových zesilovacích činitelů. Mimoto existuje nebezpečí, že příkladný zvolený stupen se poškodí, a že druhé stupně převezmou zatížení i tohoto stupně, ale již bez proudové kontroly.

Jako základ pro srovnání se položí spotřebič 5 V, 10 A. Při čistém omezování proudu s využitím zpět ohnuté voltampérové charakteristiky činí přitom ztrátový výkon při provozu 18 až 24 W. Tato hodnota se rovná 36 až 48 % výstupního užitečného výkonu. Zvolíme-li modifikované řešení s využitím zpět ohnuté voltampérové charakteristiky, pak činí napěťový úbytek na sériovém odporu asi 0,8 až 1,2 V. V provozu to znamená ztrátu na výkonu 8 až 12 W, to je 16 až 24 % plného výkonu. Nevýhodou přitom je, že hodnota odděleného proudu může být udána jen s tolerančním polem 15 až 20 % v obvyklém rozsahu provozních teplot, a to znamená, že uvažovaný výkon musí být zvýšen v tomto měřítku.

Podle dalšího známého řešení se stane vlivem přetížení vodivým tyristor a anodový proud přemosťuje proud báze výkonového tranzistoru. Toto řešení má vůči dřívějším uspořádáním tu výhodu, že napětí a proud výstupu se vlivem přetížení snižuje až na nulu. Za předpokladu, že je zajištěna určitá nastavitelnost, nutno na sériovém odporu volit úbytek napětí 0,8 V; příkon přitom činí 8 W při proudu 10 A. To znamená při výstupním napětí 5 V 16 % užitečného výkonu. Další nevýhoda vyplývá z toho, že proudový zesilovací činitel tranzistoru, popřípadě zapalovací proud tyristoru, je závislý na aktuálním řízení parametrů tyristoru a tranzistoru a na teplotě přechodů PN uvedených polovodičů, čímž očekávaná hodnota odděleného proudu vykazuje tak veliký rozptyl, jak při omezování proudu s využitím zpět ohnuté voltampérové charakteristiky. Uzavření tyristoru, tedy zpětné nastavení obvodu do základního stavu, může být vyvoláno také vypadnutím sítě; tímto způsobem uvede se napájecí jednotka při opětném oživení sítě opět do provozu. U části případů tedy zjištění a potvrzení užitečného a vadného stavu tento systém neumožňuje. Pro zamezení neočekávaného opětného zapojení je známo zapojení, u něhož tyristor uskuteční úmyslný zkrat na nestabilizované straně, který působí k tomu, že se tam umístěná tavná pojistka přepálí. Mimo to, že toto řešení odmítá výhody elektronického zásahu, je také podstatně dražší a nepohodlnější než jiné způsoby omezení proudu. Současné elektronické, na prvním místě výpočetně-technické jednotky, vyžadují pro udržování v provozu stále vyšší výkony a musí být schopny pracovat v širokých teplotních rozsazích. Při provozu ukazuje se stále více hospodárnějším společné napájení více spolupůsobících dílčích jednotek umístěných v téže montážní skupině. Příkon takových systémů činí nezřídka řádově několik kW a potřebný teplotní rozsah 50 až 70 °C. Za takových podmínek může mít význam i úspora 10 % u pomocných zařízení napájecí jednotky. U střídavých sítí rozšířily se v první řadě řešení nadproudové ochrany spočívající na magnetickém působení. U některých aplikací by byla ospravedlněna i zcela krátkodobá nadproudová ochrana spotřebiče napájeného proudem měnícím se periodicky v čase. Tato úloha by vůbec nemohla být vyřešena známými elektronickými přístroji nadproudové ochrany nebo jen s nepatrným úspěchem.

Cílem vynálezu je vytvořit zapojení pro kontrolu proudu, vyžadující nepatrný příkon a zajišťující přitom přesnou nastavitelnost maximální hodnoty proudu a časovou stabilitu proudu ve velké míře, nezávisle na provozních poměrech, a které by mohlo být použito v širokém rozsahu hodnot výstupního napětí a výstupního proudu.

Podle dalšího cíle vynálezu má se zapojení hodit k současné kontrole součtu proudů více nezávislých větví a jeho použití ve střídavém obvodu nemá narážet na potíže ani tehdy, když by se u nich fázový úhel napětí a proudu podstatně lišil.

Uvedených cílů je dosaženo a uvedené nevýhody jsou odstraněny u zapojení ke kontrole součtu intenzit proudů podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že první vstupy měničů proudu na napětí jsou vzájemně odděleně připojeny ke vstupům prvního sčítacího obvodu a druhé vstupy měničů proudu na napětí jsou vzájemně odděleně připojeny ke vstupům druhého sčítacího obvodu, výstupy prvního sčítacího obvodu a druhého sčítacího obvodu jsou připojeny jednotlivě vždy k jednomu vstupu rozdílového obvodu a výstup rozdílového obvodu je spojen se vstupem klopného obvodu, tvořeného zesilovačem obsahujícím hysterezní prvek, přičemž výstup klopného obvodu je připojen na vstup spínacího obvodu.

Navrženým řešením se značně sníží ztráto216177 vý výkon potřebný pro kontrolu proudu, což má za následek zlepšení účinnosti. Dále teplotní závislost maximálního proudu je nízká, přičemž hodnota maximálního proudu je plynule měnitelná. V případě přetížení sníží se na nulu jak výstupní napětí, tak také výstupní proud nezávisle na velikosti přetížení. Nadto stává možnost současné kontroly proudových hodnot více proudových zdrojů s výstupními napětími na sobě nezávislými.

Příklady provedení zapojení podle vynálezu jsou zobrazeny na výkresech, na nichž na obr. 1 je znázorněna první varianta zapojení, na obr. 2 je znázorněna druhá varianta zapojení podle vynálezu, na obr. 3 jsou znázorněny fázové vektory u zapojení podle obr. 2 a na obr. 4 je obecné blokové schéma zapojení podle vynálezu.

Provedení znázorněné na obr. 1 slouží ke kontrole proudu stejnosměrné sítě, u níž teče proud tří větví do uzlu, a přičemž byla možnost umístit sériové odpory v těchto třech větvích. Bylo by možné, aby proudy tří větví byly nestejné. Je nutno se snažit, aby součet proudů, to jest proud tekoucí ke spotřebiči, nepřekročil danou mez.

Podle obr. 1 je vstup Ai prvního sčítaeího obvodu Mi spojen s uzlem prvního, druhého a třetího měniče Fi, Fz, F3 proudu na napětí, tvořených odpory, které jsou uspořádány každý v jedné větvi stejnosměrné elektrické sítě, a dále přes pátý odpor Rs s invertujícím vstupem Si operačního zesilovače IC1. Neinvertující vstup S2 operačního zesilovače IC1 je spojen s prvním, druhým a třetím odporem Ri, Rz, R3, jejichž druhé konce tvoří vstupy Βι, Bz, B3 druhého sčítaeího obvodu M2, které jsou jednotlivě připojeny k nespojeným koncům prvního, druhého a třetího měniče Fi, F2, F3 proudu na napětí. Neinvertující vstup Sz operačního zesilovače IC1 je ukostřen přes druhý kondenzátor C2, který je přemostěn čtvrtým odporem R4. Invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 je ukostřen přes první kondenzátor Ci, který přemosťuje šestý odpor Re. Invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 je přes sériový obvod sedmého odporu Rz a první diody Di spojen se vstupem R signálu přestavujícího do základní polohy. Invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 je spojen přes osmý odpor Re s jezdcem potenciometru Pi, který je přes dvanáctý odpor R12 spojen se vstupem kladného stejnosměrného napětí U_T. Se zdrojem stejnosměrného napětí U_T je spojen operační zesilovač IC1 i přímo. Výstup operačního zesilovače IC1 je spojen s neinvertujícím vstupem Sz zesilovače IC1 zpětnovazební smyčkou tvořenou desátým odporem R10 a devátým odporem R9 zapojeným v sérii, přičemž společný bod devátého a desátého odporu R9, R10 je spojen s kostrou přes sériový obvod tvořený jedenáctým odporem Rit a druhou diodou Dz, Výstup operačního zesilovače IC1 je přes sériový obvod tvořený čtrnáctým odporem

R14 a třetí diodou D3 spojen s bází tranzistoru Ti, která je pomocí patnáctého odporu R13 spojena s kostrou. Kolektor tranzistoru Ti tvoří výstup K spínacího obvodu J. Emitor tranzistoru Ti je ukostřen.

Zapojení podle obr. 2 je totožné se zapojením podle obr. 1 s tím rozdílem, že je napojeno jen na jednu větev střídavé elektrické sítě, v níž je umístěn měnič F proudu na napětí reaktivního charakteru, mající indukčnost FL a ztrátový odpor FR. Proto se v tomto zapojení druhý a třetí odpor Rz, R3 nevyskytují.

Mezi prvním výstupem Xi měniče F proudu na napětí a vstupem Ai prvního sčítaeího obvodu Mi je zapojena sedmá dioda Dz polarizovaná v nepropustném směru a mezi prvním výstupem Xi měniče F proudu na napětí a vstupem Bi druhého sčítaeího obvodu Mz je zapojena pátá dioda Ds polarizovaná v propustném směru. Mezi druhým výstupem Yi měniče F proudu na napětí a vstupem Ai prvního sčítaeího obvodu Mi je zapojena šestá dioda De polarizovaná v propustném směru a mezi druhým výstupem Yi měniče F proudu na napětí a vstupem Bi druhého sčítaeího obvodu Mz je zapojena čtvrtá dioda D4.

Blokové schéma na obr. 4 ukazuje přepínač P polarity vložený mezi první a druhé výstupy Xi až X_n a Yi až Y_n měničů Fi až F_n proudu na napětí a vstupy Bi až B_n druhého sčítaeího obvodu Mi a vstupy Bi až B_n druhého sčítaeího obvodu Mz. Na výstup prvního sčítaeího obvodu Mi a druhého sčítacího obvodu M2 je zapojen klopný obvod H, jehož součástí je rozdílový obvod Z jako vstupní část klopného obvodu H a zesilovač E s hysterezi, napojený na potenciometr Pi, jehož výstup je výstupem klopného obvodu H a jenž je připojen na vstup spínacího obvodu I, majícího výstup K,

Zapojení podle vynálezu pracuje následovně.

Potenciál od vstupu Ai prvního sčítaeího obvodu Mi se dostává, rozdělen pátým a šestým odporem Rs a Rs, na invertující vstup Si operačního zesilovače IC1, První, druhý, třetí a čtvrtý odpor Ri, Rz, R3 a R4 tvoří sčítací obvod. Signál úměrný součtu potenciálů vstupů Βι, B2 a B3 druhého sčítaeího obvodu Mz se dostává přímo na neinvertující vstup Sz operačního zesilovače IC1. První a druhý kondenzátor Ci, Cz slouží pro ochranu proti rušivým impulsům. Stejnosměrná úroveň invertujícího vstupu Si se dá regulovat přes osmý odpor Rs potenciometrem Pi. Potřebné regulační pásmo potenciometru Pi je vymezeno dvanáctým a třináctým odporem R12 a R13. Na invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 může přes sedmý odpor R7 a první diodu Di dojít signál přestavující do základní polohy. Neinvertující vstup S2 operačního zesilovače IC1 dostává od výstupu operačního zesilovače IC1 kladnou zpětnou vazbu, a sice přes devátý odpor R9 v míře určované desátým a jedenáctým odporem Rio a Rn, jakož i druhou diodou D2. Výstup operačního zesilovače IC1 může přes čtrnáctý odpor R14 a třetí diodu Ds dodávat proud báze pro tranzistor Ti, přičemž při chybějícím otevíracím proudu dbá patnáctý odpor Rig o bezpečné uzavření tranzistoru Ti.

V případě nulového zatěžovacího proudu jsou potenciály vstupu Ai prvního sčítačího obvodu Mi a vstupů Αι, Βι, B2, B3 stejné, ježto mezi koncovými body měničů Fi, Fz, F3 proudu na napětí není žádný napěťový rozdíl. Kdyby invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 byl spojen jen se vstupem At prvního sčítačího obvodu Mi a neinvertující vstup S2 operačního zesilovače IC1 byl spojen jen se vstupy Βι, B2, B3 druhého sčítačího obvodu M2, pak by potenciály invertujícího vstupu Si a neinvertujícího vstupu S2 operačního zesilovače IC1 byly stejné. U znázorněného uspořádání leží však invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 na kladnější a jeho neinvertující vstup S2 na zápornější úrovni než v právě vylíčeném stavu. Důvodem pro to je, že v základním stavu poskytuje výstup operačního zesilovače IC1 záporné napětí, popřípadě prostřednictvím potenciometru Pi je invertujícímu vstupu Si operačního zesilovače IC1 přiváděna kladná úroveň. Proto je záporná úroveň výstupu operačního zesilovače IC1 stabilní. V důsledku toho tranzistor Ti nevede a na výstupu K spínacího obvodu J nemůže téci žádný proud. Při výskytu a zvyšování proudů kontrolovaných větví vyskytují se na měničích Fi, Fz, F3 proudu na napětí vždy větší úbytky napětí. Přivádění těchto proudů na vstup Ai prvního sčítačího obvodu Mi a na vstupech Βι, B2, B3 druhého sčítačího obvodu má takový význam, že zvýšením zatěžovacích proudů se potenciálový rozdíl mezi invertujícím vstupem Si a neinvertujícím vstupem S2 operačního zesilovače IC1 zmenší. Když součet zatěžovacích proudů dosáhne maximální hodnoty, musí potenciálový rozdíl na těchto vstupech klesnout až na nulu. Nyní se výstup operačního zesilovače IC1 náhle překlopí, dosáhne kladné úrovně a učiní tranzistor Ti vodivým. Přitom se dá pomocí kolektorového proudu tranzistoru Ti síť nějakým známým způsobem odpojit, například pomocí přemostění budicího proudu sériových propustných stupňů. V tomto provedení má operační zesilovač IC1 silnou kladnou zpětnou vazbu, proto se dá obvod kladnými impulsy přivedenými 11a vstup R signálu přestavujícího do základní polohy opět uvést v základní stav. Tento děj je potvrzením závady.

Druhý příklad provedení, jehož uspořádání je znázorněno na obr. 2, slouží pro kontrolu jediné větve střídavé sítě. V uvedeném příkladu má mít kontrolovaná síť kapacitní charakter. Tak je měnič F proudu na napětí rovněž reaktivní, a sice realizován s výhodou jako cívka. Cívka má indukčnost FL a ztrátový odpor FR,

Otevírání a zavírání čtvrté až sedmé diody D4, Dg, De, D7 uskutečňující se každou půlperiodu, je obstaráváno napětími U_x a U_Y kontrolovaného obvodu. Síťové napětí se ve srovnání se společným nulovým hodem objevuje na druhém výstupu Yi měniče Fi proudu na napětí a s fázovou a amplitudovou odchylkou, závislou na impedanci měniče F proudu na napětí, také na prvním výstupu Xi měniče F proudu na napětí. Tato fázová a amplitudová odchylka představuje napětí, které je úměrné okamžité hodnotě zatěžovacího proudu I_t. Nutným předpokladem provozu je, že znaménka napětí na prvním a druhém výstupu Xi a Yi měniče F proudu na napětí mají souhlasit, nejméně v okamžicích, kdy rozdíl těchto napětí dosáhne právě nejvyšší hodnoty. K dosažení tohoto předpokladu se přispívá také tím, že impedance měniče F proudu na napětí je nejméně o jeden řád nižší než impedance zátěže, to jest fázový úhel napětí mezi prvním a druhým výstupem Xi a Yi měniče F proudu 11a napětí je ve srovnání s fázovým úhlem zátěže malý. Pro bezvadnou funkci stačí podmínka, že napětí jevící se v prvním a druhém výstupu Xi, Yi měniče F proudu na napětí se mají přivést na vstup Ai prvního sčítačího obvodu Mi a na vstup Bi druhého sčítačího obvodu Mz tak, že z obou napětí má v okamžiku špičkové hodnoty rozdílu obou napětí dospět na vstup Ai prvního sčítačího obvodu Mi vždy záporné napětí a na vstup Bi druhého sčítačího obvodu Mz vždy kladné napětí. V důsledku kapacitního charakteru sítě zpozdí se napětí prvního a druhého výstupu Xi, Yi měniče F proudu na napětí (tedy napětí U_x a U_Y) asi o 90° ve srovnání se zatěžovacím proudem I_t, zatímco v důsledku induktivního charakteru měniče F proudu na napětí napěťový rozdíl mezi prvním a druhým výstupem Xi, Yi měniče F proudu na napětí (tedy napětí U_f) ve srovnání se zatěžovacím proudem I_t předbíhá asi o 90°. Ve srovnání se síťovými napětími U_x a U_Y je tedy kontrolované napětí U_f přibližně v protifázi. To znamená, že v okamžiku nejvyšší hodnoty napětí U_Y — a napětí U_x k němu časově blízko ležícího — když je na prvním výstupu Yi měniče F proudu na napětí kladný potenciál, je druhý výstup Yi měniče F proudu na napětí současně zápornější než první výstup Xi měniče F proudu na napětí, popřípadě když je na druhém výstupu Yi měniče F proudu na napětí záporný potenciál, stane se druhý výstup Yi měniče F proudu na napětí současně kladnějším než první výstup Xi měniče F proudu na napětí. Čtvrtá až sedmá dioda Di, Dg, De, D7 se otevírají, popřípadě zavírají v pořadí, v němž kontrolované napětí U_f je na vstupu Ai prvního sčítačího obvodu Mi a vstupu Bi druhého sčítačího obvodu M2 přikládáno v opačné fázi k síťovému napětí U_x a U_Y. Poněvadž to znamená další pootočení fáze, je nutná a postačující provozní pod216177 minka splněna. Průběh fázových poměrů je znázorněn na obr. 3.

Ostatní části obvodu podle obr. 2 fungující podobně jako části obvodu podle obr. 1. Výstup K spínacího obvodu J stačí řídit člen přerušující zatěžovací proud I_t například tak, že přemosťuje proud báze výkonového tranzistoru umístěného ve větvi můstku čtveřice diod.

U nejobecnějšího provedení mohou být vstupy navzájem galvanicky nezávislé a také jejich počet se dá volit libovolně. Přepínač P polarity dbá o to, aby potenciály mezi jedním z prvních výstupů Xi až X„ a jedním z druhých výstupů Yi až Y_n měničů Fi až F„ proudu na napětí byly v každém časovém úseku přiváděny na vstupy Ai až A_n prvního sčítacího obvodu a na vstupy Bi až B„ druhého sčítacího obvodu Mz se správnou polaritou.

Přiřazení je vyřešeno tak, že dvojici první výstup Xi, druhý výstup Yi měniče Fi proudu na napětí odpovídá dvojice vstup Ai prvního sčítacího obvodu Mi, vstup Bi druhého sčítacího obvodu Mž, dvojici první vstup Xz, druhý výstup Yz měniče Fz proudu na napětí odpovídá dvojice vstup Az prvního sčítacího obvodu Mi, vstup Bz druhého sčítacího obvodu Mz a tak dále. Správnou polaritou je míněno, že z dvojice první výstup Xi, druhý výstup Yi měniče Fi proudu na napětí má být ve spojení se vstupem Ai prvního sčítacího obvodu Mi vždy člen se zápornějším potenciálem, zatímco člen s kladnějším potenciálem má být ve spojení se vstupem Bi druhého sčítacího obvodu Mz. Totéž platí podle smyslu také pro další dvojice. Na tento způsob musí být postupně zápornější členy dvojic první výstup Xi, druhý výstup Yi měniče Fi proudu na napětí až první výstup X_n měniče F„ proudu na napětí spojeny se vstupem Ai až A_n prvního sčítacího obvodu Mi, kladnější členy uvedených dvojic se vstupy Bi až B_n druhého sčítacího obvodu Mz. Přepínač P polarity je s výhodou tvořen diodovou sítí, zatímco otevírání a zavírání diod je obstaráváno samotnou kontrolovanou sítí.

S potenciálovými hodnotami takto oddělenými provádějí první sčítací obvod Mi a druhý sčítací obvod Mz sčítání. Sčítání se může stran jednotlivých členů dít buď lineárně, nebo na základě důležitosti v daném okamžiku. Na výstupu prvního sčítacího obvodu Mi spojeném s invertujícím vstupem operačního zesilovače IC1 se tedy objevuje signál úměrný součtu napětí vstupů Ai až A_n prvního sčítacího obvodu Mi, který podle předcházejícího představuje součet napětí členů s vždy zápornějším potenciálem z kontrolovaných napětí U_H až U_fn. Podobně se na výstupu druhého sčítacího obvodu Mz spojeném s neinvertujícím vstupem operačního zesilovače ÍCÍ objevuje signál úměrný součtu napětí členů se vždy kladnějším potenciálem z kontrolovaných napětí Un až U_fn.

Při vzrůstu jednoho nebo veškerých kontrolovaných napětí U_fl až U_fn stane se invertující vstup Si operačního zesilovače IC1 zápornějším, zatímco neinvertující vstup Sz operačního zesilovače IC1 se stane kladnějším v porovnání s hodnotou při nulové hodnotě napětí Un až U_£n, To znamená, žs v případě vzrůstu napětí U_fl až U_fn se potenciálový rozdíl mezi invertujícím vstupem Si a neinvertujícím vstupem §2 operačního zesilovače IC1 zvýší. Tento potenciálový rozdíl se vytváří rozdílovým obvodem Z.

Rozdílový obvod Z je součástí klopného obvodu H, to jest obvodu pro vytváření chybového signálu, s nastavitelným bodem překlopení, který je opatřen výstupem se dvěma stavy. V klopném obvodu H řídí rozdílový signál zesilovač E s hysterezí o vysoké citlivosti. Pokud vstupní úroveň zesilovače E s hysterezí leží pod danou hodnotou, je výstup klopného obvodu H v jednom ze stabilních stavů. Když vstupní potenciál zesilovače E s hysterezí přesáhne kritickou hodnotu, překlopí se výstup klopného obvodu H do jiného stabilního stavu. Tento bod překlopení se dá plynule měnit potenciometrem Pl, přičemž hystereze zesilovače E s hysterezí závisí na zvolených členech,

Výstup klopného obvodu H uvádí v činnost spínací obvod f. Spínací obvod J přepne tedy stav, kdyby součet kontrolovaných napětí U_fi až U_fn měl překročit předem nastavenou hodnotu. Tato vlastnost obvodu se dá využít pro nadproudovou ochranu. Klopný obvod H může být s výhodou realizován pomocí operačního zesilovače, který je schopen s několika pasivními členy plnit úlohu vytváření rozdílu a zesilování, přičemž zaujímá dva diskrétní výstupní stavy při volitelné hysterezi. Spínací obvod J může být realizován tranzistorem.

Základní myšlenkou je, že se vytvářejí napětí velmi nízkých hodnot, která jsou úměrná zatěžovacímu proudu současně kontrolovaných větví, přičemž body se spodním a horním potenciálem napětí jsou ve správné polaritě připojeny vždy na jeden analogový sčítací obvod a rozdíl obou výstupů sčítacího obvodu se zesiluje vysoce citlivým stejnosměrným zesilovačem. Patří ještě k podstatě vynálezu, že výstup zesilovače má dva diskrétní stavy, takže šířka hysterezní smyčky tvořené přechody stavů, může být zvolena tak, aby odpovídala potřebě, zatímco místo změny stavu, vztažené na vstupní úroveň zesilovače, se dá plynula měnit, dále, že výstup zesilovače obstarává řízení spínacího prvku. Nejobecnější řešení se řídí podle nejrůznějších aktuálních požadavků. Některé častěji se vyskytující případy jsou: — V případě paralelně zapojených stejnosměrných propustných stupňů, u nichž jsou výstupy spojeny v uzel, zjednodušuje se jeden ze sčítacích obvodů na obvod pro přizpůsobení úrovně, ježto jeden z potenciálů je totožný s napětími úměrnými proudům větví, — Ježto v důsledku vytváření rozdílu soufázové signály obou sčítacích obvodů odpadají, hodí se toto zapojení přímo pro kontrolu maximálních proudů sítě s pulsujícím stejnosměrným napětím.

— Zapojení podle vynálezu může též obstarávat kontrolu maximálního proudu větve sítí s čistě střídavým napětím. Použije-li se jako sériového kontrolního členu ohmického odporu, pak činí teoretická mezní hodnota bezvadné funkce, vztažená na síťový fázový úhel ± 90°.

— Při kontrole jalového proudu reaktivních sítí nepoužije se ohmický odpor jako kontrolu/ člen, ale reaktance. Reaktance může být buď kapacitního nebo induktivního charakteru, nezávisle na znaménku fázového úhlu sítě.

— Když se pomocí zapojení podle vynálezu současně kontrolují fázové a linkové proudy trojfázové sítě, lze pro maximální hodnotu prcudu nulového řádu trojfázové sítě určit horní mez.

U odpovídajícího provedení zapojení podle vynálezu jsou jednotlivé funkce realizované následovně. O připojení na sčítací obvody se správnou polaritou pečuje spínací jednotka sestávající z diod, když se může očekávat, že v kontrolované větvi mění proud znaménko; sčítací obvody jsou realizovány prostřednictvím řetězce odporů; vytváření rozdílu, zesilování a srovnávání byly vyřešeny pomocí operačního zesilovače; přestavení bodu překlopení se děje přiložením předpětí na invertující vstup operačního zesilovače; jako spínacího členu je použito tranzistoru.

Použije-li se zapojení podle vynálezu ve stejnosměrné síti, vykazuje toto zapojení následující výhodné vlastnosti:

— Hodnota napěťového úbytku potřebného pro sériový kontrolní člen je nízká. V důsledku toho je také příkon proudové kontroly nepatrný a tento snižuje účinnost napájecí sítě jen nepatrně.

— Při použití již uvedené napájecí jednotky 5 V, 10 A je nutno vytvořit na kontrolním členu napěťový úbytek 0,2 V až 0,25 V. Proto činí příkon při kontrole proudu 2 až

2,5 W, což činí jen 4 až 5 % užitečného výkonu napájecí jednotky.

— Změna nastavené hodnoty nejvyššího proudu je v závislosti na teplotě nepatrná. V důsledku toho může být zabudovaný, mimo užitečný výkon potřebný výkon napájecí jednotky relativně nízký.

Za předpokladu změny provozní teploty od 0 do 00 °C zůstane maximální proud pro nadproudovou ochranu konstantním v rozmezí ± 2 %.

— Hodnota maximálního proudu může být měněna plynule; nastavování se provádí nikoliv ve výkonové větvi, ale v děliči napětí s nízkým proudem.

— Při funkci omezování proudu redukují se jak napětí, tak proud výstupu na nulu, zcela nezávisle na výši vzniklého přetížení. Po odstranění přetížení se dá systém okamžitě opět uvést v chod.

— Existuje možnost kontrolovat současně součet více na sobě nezávislých napěťových úrovní a rozdílných proudů zatěžujících větve.

— V případě proudové kontroly více větví existuje možnost dbát proudů na základě jejich dočasné důležitosti. To umožňuje například nepřímou kontrolu celkového výkonu systému.

— Při vypadnutí sítě je možnost volby samočinného sepnutí napájecí jednotky po opětném získání sítového napětí nebo provedení zásahu obsluhou.

— Provoz není ovlivněn napěťovou úrovní kontrolované sítě. V důsledku toho může být kontrolován i proud větve s nulovou úrovní.

— Konstrukce zapojení je jednoduchá, mimo nastavení maximálního proudu není třeba žádného seřízení.

Použije-li se zapojení podle vynálezu ve střídavé síti, pak zapojení má tyto výhodné vlastnosti:

— Ježto se kontroluje maximální hodnota proudu, činí ztráta vznikající na kontrolním členu za stejných podmínek 1—2násobek ztráty vznikající u stejnosměrného proudu.

— Použije-li se ohmického kontrolního členu, pak existuje jen podmínka, že fázový úhel sítě se neblíží ±90°.

U obvyklých spotřebitelských sítí je tato podmínka dalece splněna.

— U reaktivních sítí se dá v každém případě použít kontrolního členu s induktivním charakterem. To je proto důležité, poněvadž v praxi je obecně mnohem snadnějším vyrobit cívky o nízké impedanci a pro vysoký proud než kondenzátor nezávislý na polaritě o těchže jmenovitých hodnotách.

— Zapojení lze učinit galvanicky nezávislé na kontrolované síti. Při oddělení kondenzátorem nebo transformátorem vyrovnají se v případě členů se stejnými hodnotami fázová natočení oddělovacích členů.

-- Zapojení je použitelné i u trojfázových sítí, například pro kontrolu maximálních proudů nulového řádu.

Claims (2)

1. Zapojení ke kontrole součtu intenzit proudů alespoň ve dvou větvích elektrické sítě, obsahující sčítací obvody a operační zesilovače a v jednotlivých větvích je uspořádán měnič proudu na napětí, vyznačující se tím, že první výstupy (Xi až X_nj měničů (F, Fi až F_n) proudu na napětí jsou vzájemně odděleně připojeny ke vstupům (Ai až A_nj prvního sčítacího obvodu (Mi] a druhé výstupy (Yi až Y_n) měničů (F, Fi až FJ proudu na napětí jsou vzájemně odděleně připojeny ke vstupům (Bi až B„) druhého sčítacího obvodu (M2J, výstupy prvního sčíVYNÁLEZU tacího obvodu (Mi) a druhého sčítacího obvodu (Mžj jsou připojeny jednotlivě vždy k jednomu vstupu rozdílového obvodu (Z) a výstup rozdílového obvodu (Z) je spojen se vstupem klopného obvodu (H) tvořeného zesilovačem (E) obsahujícím hysterezní prvek, přičemž výstup klopného obvodu (Hj je připojen na vstup spínacího obvodu (J).

2. Zapojení podle bodu 1 vyznačující se tím, že mezi měniči (F, Fi až FJ proudu na napětí a prvním sčítacím obvodem (Mi) a druhým sčítacím obvodem (M2) je vložen přepínač (P) polarity.