FI89316B - Anordning foer styrning av terminalstyrdon - Google Patents

Description

8931 0

LAITE PÄÄTEOHJAINTEN OHJAAMISEKSI - ANORDNING FÖR STYRNING AV TERMINALSTYRDON

Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen johdannon 5 mukainen laite pääteohjainten ohjaamiseksi.

Kuormaan syötettävän sähkötehon ohjaukseen käytettävän ohjauslähdön pääteohjaimet (transistorit, FETit tms.) rikkoontuvat joutuessaan ylikuormitukseen tai oikosulkuun. 10 Ylikuormitukseen ja oikosulkusuojaukseen tarkoitettu laite on esitetty esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 4695915. Ko. julkaisussa ohjearvo puuttuu, jolloin ylikuormitusvirtarajaa ei voida asettaa haluttuun arvoon. Kuormaa syöttävän jännitteen vaihdellessa virtaraja lisäksi muuttuu, koska kantavir-15 ta muuttuu. Päätetransistori vaatii ko. julkaisussa suuren ohjausvirran. Tästä syntyy suuret lämpöhäviöt. Tällöin useiden lähtöjen integrointi samalle integroidulle piirille on käytännössä mahdotonta. Lisäksi kytkeytyminen ei ko. julkaisussa tapahdu välittömästi ohjauksen kytkeytyessä 20 päälle, vaan se vaatii erillisen ulkopuolisen pulssin.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edelläesitetyt epäkohdat ja saada vielä aikaan sellainen suojaus, jossa ei tarvita kuorman kanssa sarjassa olevia, tehoa kuluttavia ja 25 siten lämpöä aikaansaavia vastuksia. Vastusten vuoksi ei voida lämpötehohäviöiden takia integroida useita suojayksik-köjä samaan koteloon. Keksinnön mukaiselle laitteelle pääteohjainten ohjaamiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

.JO

Keksinnöllä saavutetaan se merkittävä etu, että jo lyhyessä ylikuormituksessa ohjain suljetaan täysin, jolloin lämpeneminen estyy välittömästi. Lisäksi keksinnössä tutkitaan määrävälein hyvin lyhyellä pulssilla ylikuormituksen tai 25 oikosulun päälläoloa, ja jotta kytkeytyminen uudelleen tapahtuisi, täytyy kuormavirran olla pienempi kuin ylikuormitustilanteessa. Tällä järjestelyllä varmistetaan, ettei 2 89316 liian suurta lämpiämistä pääse missään vaiheessa tapahtumaan. Näin on mahdollista integroida yhteen piiriin useita, esimerkiksi seitsemän lähtöä. Lisäksi kytkentää voidaan ohjata suoraan mikroprosessorilla. Sama ohjaus voidaan 5 lisäksi tehdä sekä syöttäväksi että nieleväksi.

Kytkentä suojaa pääteohjaimen kaikenlaisilta oikosuluilta samoin kuin ylikuormitukselta. Ohjain ei pääse käytännössä mitenkään lämpenemään, jolloin sen luotettavuus paranee ja 10 elinikä pitenee. Kytkennässä ei tarvita tehovastuksia eikä mitään lämpeneviä osia. Näin ollen on mahdollista tehdä esim. kahdeksan ohjauksen käsittävä mikropiiri, jolloin ei tarvita monimutkaisia koteloratkaisuja. Samoin voidaan tehdä nykyisen yleisesti käytössä olevan piirin kanssa nastayh-15 teensopiva piiri, jolloin oikosulkusuojaus voidaan toteuttaa korvaamalla uudella piirillä entinen.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, 20 joissa

Kuvio la esittää lohkokaaviona lähde-tyyppisen ohjauslähdön oikosulku- ja ylikuormitussuojausta.

25 Kuvio Ib esittää lohkokaaviona nielu-tyyppisen ohjauslähdön oikosulku- ja ylikuormitussuojausta.

Kuvio 2 esittää lähde-tyyppistä ylikuormitus- ja oikosul-kusuojaa.

30

Kuvio 3 esittää nielu-tyyppistä ylikuormitus- ja oikosul-kusuojaa.

Kuvio 4 esittää toimintajaksoja normaalitilanteessa.

35 3 89316

Kuvio 5 esittää toimintajaksoja ylikuormitus- tai oikosulku-tilanteessa.

Tarkastellaan ensimmäiseksi lähde-tyyppistä ohjauslähdön 5 ohjainta (transistori, FET tms.), joka rikkoutuu joutuessaan ylikuormitukseen tai oikosulkuun. Kuvio la esittää lohkokaaviona mainitun ohjaimen ylikuormitus- ja oikosulkusuojan toimintaa. Tulon kytkeytyessä päälle ohjauslogiikka 1' antaa lyhyen tunnustelupulssin ohjaimelle ja tutkii samalla oi-10 kosulkua ja ylikuormitusta. Jos oikosulkua tai ylikuormitus-tilannetta ei ole, ohjauslogiikka antaa ohjauksen vertailuarvon 2' edellyttämän ohjauksen ohjaimelle 3', ja näin kytkeytyminen tapahtuu. Jos kuitenkin ylikuorma- tai oi-kosulkutilanne on päällä, oikosulun ja ylikuorman tarkkailu 15 4' estää jatkuvan ohjauksen ohjaimelle. Oskillaattori 5' hoitaa uudelleenohjauksen ylikuorman tai oikosulun poistuttua. Se tarkkailee ylikuorman/oikosulun kestoa antaen määrävälein lyhyen tunnustelupulssin ohjauslogiikan kautta ohjaimelle, ja kun oikosulkua/ylikuormaa ei enää havaita, ohjain 20 ohjataan toimivaksi tuloa vastaavaksi.

Kuviossa 2 on esitetty lähde-tyyppisen ohjaimen ohjausyksiköt seitsemälle sisääntulolle II...17, joista kuviossa 2 on esitetty sisääntulojen II ja 17 ohjausyksiköt. Kaikki oh-25 jausyksiköt ovat samanlaisia rakenteeltaan ja toiminnaltaan, joten tutkitaan seuraavassa ainoastaan sisääntulon II ohjausyksikköä. Sisääntulossa 17 on komponenttien viitemerkin-töjen viimeinen numero 7, kun se sisääntulossa II on 1.

- 30 Pääteohjaimen, joka muodostuu kahden transistorin Q31 ja Q41 Darlington-kytkennästä, emitteri on kytketty syöttöjännitteeseen +Vcc ja kollektori ulostuloon OI. Pääteohjainta ohjaavassa kytkennässä ensimmäisen transistorin Q1 emitteri on kytketty aputransistorin Q21 kollektorille, kollektori -35 toisen transistorin Qli kannalle ja kanta ensimmäiseen vastukseen R71, jonka toinen napa on kytketty syöttöjännit- 4 89316 teeseen +Vcc, ja toiseen vastukseen R61, jonka toinen napa on kytketty oskillaattorin transistorin Q50 kollektorille. Aputransistori Q21 on kytketty emitterin kautta syöttöjännitteeseen +Vcc. Sen emitteri ja kanta on yhdistetty kolman-5 nen vastuksen Rl kautta. Sisääntulo II johdetaan neljännen vastuksen R21 kautta kolmannen transistorin Q51 kannalle. Kolmannen transistorin emitteri on kytketty maahan ja kol-lektori kondensaattorin Cl kautta ensimmäisen transistorin kannalle. Kollektori on vielä kytketty viidennen vastuksen 10 R41 kautta aputransistorin kannalle ja kuudennen vastuksen R31 kautta neljännen transistorin Q61 kannalle. Toisen transistorin Qll emitteri on kytketty aputransistorin kollektorille, kanta seitsemännen vastuksen Rll kautta ulostuloon Oi ja kollektori pääteohjaimen kannalle ja kahdeksannen 15 vastuksen R51 kautta neljännen transistorin emitterille. Neljännen transistorin Q61 kollektori on kytketty kaikissa ohjaimissa Zener-diodiin D8, jonka toinen napa on yhdistetty syöttöjännitteeseen +Vcc, ja yhdeksännen vastuksen RIO, jonka toinen napa on maassa, väliin, josta saadaan ohjearvo-20 jännite Vd.

Kytkennässä on lisäksi kaikille ohjausyksiköille yhteinen oskillaattori, joka muodostuu kondensaattorista C2 ja Schmitt-liipaisimista IC, jonka yli on kytketty vastus R9 25 sekä diodin D9 ja vastuksen R8 sarjakytkentä. Vahvistin on kytketty vastuksen R50 kautta transistorin Q50 kannalle. Transistorin Q50 emitteri on kytketty maahan.

Kun sisääntulo II nostetaan yli kynnysjännitteen, kolmas 30 transistori Q51 alkaa johtaa, jolloin aputransistori Q21 alkaa johtaa. Tällöin kondensaattorin Cl kautta ensimmäinen transistori Q1 ohjautuu johtavaksi, jolloin toisen transistorin Qll kannalle tuleva signaali estää sitä johtamasta. Em. toimintojen seurauksena neljäs transistori Q61 alkaa 35 johtaa antaen pääteohjaimelle ohjauksen. Diodi D8 muodostaa vakio-ohjainosan estäen pienten syöttöjännitevaihtelujen 5 b 9 31 6 vaikutuksen pääteasteen ohjaukseen. Toinen transistori Qll ja seitsemäs vastus Rll muodostavat ylikuormituksen ja oikosulun tarkkailupiirin. Kun ulostulosignaalin OI jännite laskee, toinen transistori Qll siirtyy johtamaan, jolloin 5 pääteohjaimen kanta alkaa estää pääteohjainta johtamasta. Tästä puolestaan seuraa, että ulostulo 01 edelleen laskee nopeasti, ja näin pääteohjaimen ohjaus lakkaa hyvin nopeasti. Vuotovirta estetään aputransistorilla Q21, kolmannella vastuksella Rl ja viidennellä vastuksella R41.

10

Oskillaattoripiiri puolestaan antaa määrävälein lyhyen pulssin, jolla tunnustellaan esim. oikosulun kestoa. Oskillaattori ohjaa ensimmäisen transistorin Q1 johtavaksi, jolloin samalla estetään toista transistoria Qll johtamasta. 15 Tällöin pääteohjain saa ohjauksensa neljännen transistorin Q61 kautta. Jos oikosulku on poistunut, ulostulon 01 jännite ei laskekaan, ja näin pääteohjain jää johtavaksi. Kun sisääntulo Il ohjataan alas, kolmas transistori Q51 lakkaa johtamasta, jolloin neljäs transistori Q61 lakkaa johtamas-20 ta. Tällöin pääteohjaimen kantaohjaus lakkaa sulkien pääteohjaimen.

Tarkastellaan toiseksi nielu-tyyppistä ohjauslähdön ohjainta (transistori, FET tms.), joka rikkoutuu joutuessaan ylikuor-2f* mitukseen tai oikosulkuun. Ylikuormitus- ja oikosulkusuojaus perustuu tässä kuvion Ib mukaiseen periaatteeseen, joka täysin vastaa kuviossa la esitettyä periaatetta. Erona on ainoastaan se, että kuorma tässä tapauksessa on syöttöjännitteen puolella, kun se lähde-tyypisessä suojauksessa on 30 maan puolella.

Kuviossa 3 on esitetty nielu-tyyppisen ohjaimen ohjausyksiköt seitsemälle sisääntulolle II'...17' Kaikki ohjausyksiköt ovat samanlaisia rakenteeltaan ja toiminnaltaan, jolloin 55 kaikissa ohjaimissa on samat komponentit. Eri sisääntulojen komponentit on merkitty viitemerkinnöillä siten, että viite- 6 39316 merkinnän viimeinen numero vastaa sisääntulon numeroa. Tutkitaan seuraavassa esimerkkinä sisääntulon 11' ohjausyksikköä.

5 Pääteohjain muodostuu myös tässä kahden transistorin, Q31' ja Q41' Darlington-kytkennästä. Ohjainta ohjaavan kytkennän ensimmäisen transistorin Ql' kollektori on kytketty ensimmäiseen vastukseen Rll', jonka toinen napa on kytketty ulostuloon 01', ja toinen transistorin Qll' kannalle, emit-10 teri toisen transistorin Qll' emitterille ja kanta kondensaattorin Cl' kautta sisääntuloon II'. Ohjaimen kanta ja toisen transistorin Qll' kollektori on kytketty toisen vastuksen R31' kautta kaikille ohjaimille yhteisten kolmannen vastuksen R100', jonka toinen napa on kytketty syöttö-15 jännitteeseen +Vcc', ja Zener-diodin D8', joka on kytketty maahan, väliin, josta saadaan ohjearvojännite Vd'. Lisäksi sisääntulon II' ja toisen vastuksen R31' väliin on kytketty toinen diodi Dl'. Aputransistorin Q21' kanta on kytketty sisääntuloon neljännen vastuksen Rl' kautta, kollektori toi-20 sen transistorin emitterille ja emitteri yhdessä ohjaimen emitterin kanssa maahan. Ensimmäisen transistorin Ql' kanta on vielä kytketty oskillaattoriin viidennen vastuksen R21' kautta.

25 Kaikille ohjausyksiköille yhteisessä oskillaattorissa on kondensaattori C8' sekä siihen kytketyt Schmitt-liipaisimet IC', joiden yli on kytketty diodin D9' ja vastuksen R8' sarjaankytkentä sekä vastus R9'.

30 Kun sisääntulo II' nostetaan ylös, ohjautuu kondensaattorin Cl' kautta ensimmäinen transistori Ql' johtavaksi, mikä puolestaan aiheuttaa sen, että toisen transistorin Qll' johtaminen estyy. Tällöin toisen vastuksen R31' kautta kulkeva virta ohjautuu pääteohjaimen kannalle. Jos pääteohjaimen 35 kollektorilla on tarkoituksenmukainen kuorma, niin pääteohjaimen kollektorijännite laskee alle määrätyn jännitteen, ja 7 09316 tällöin toinen transistori Qll' ei saa ohjausta ja pääteohjain jää johtavaan tilaan. Aputransistori Q21' estää, kun sisääntulo on alhaalla, niin ensimmäisen vastuksen Rll' ja toisen transistorin Qll' kannan läpi ei pääse vuotovirta 5 pääteohjaimen kollektorilta maahan, koska aputransistori ei tällöin johda.

Jos pääteohjaimen kollektori on oikosulussa syöttöjännittee-seen, niin kondensaattorin Cl' kautta kannalle ohjautuvan 10 lyhyen pulssin loputtua toinen transistori Qll' ohjautuu päälle, koska se saa pääteohjaimen kollektorilta kantaoh-jauksen. Tämä puolestaan aiheuttaa sen, että toisen vastuksen R31' kautta tuleva virta ohjataan toisen transistorin Qll' kautta maahan, jolloin pääteohjain ei saa ohjausta, ja 15 se pysyy johtamattomana.

Kondensaattori Cl' ohjaa lähdön suoraan sisääntulon edellyttämään tilaan odottamatta oskillaattorilta tulevaa pulssia.

20 Esim. oikosulkutilanteessa oskillaattorilta määrävälein tuleva pulssi tutkii oikosulun poistumista. Jos oikosulku on edelleen kollektorista syöttöjännitteeseen, niin pääteohjaimen kannalle tuotava ohjaus ei saa sen kollektorijännitettä riittävästi laskemaan, ja näin ollen pääteohjain pysyy :25 johtamattomana.

Kun oikosulku poistuu, oskillaattorilta tuleva pulssi saa pääteohjaimen kollektorijännitteen laskemaan, jolloin toinen transistori Qll' ei saa ohjausta, ja se joutuu johtamatto-... 30 maan tilaan. Tällöin toisen vastuksen R31' kautta tuleva virta ohjautuu pääteohjaimen kannalle pitäen sen johtavana.

Haluttaessa ohjaus pois päältä vedetään sisääntulo II' alas, jolloin toisen vastuksen R31' kautta tuleva virta ei mene-35 kään pääteohjaimen kannalle, ja näin ollen se lakkaa johta- 8 89316 masta. Samoin oskillaattorilta tuleva pulssi ei aiheuta pääteohjaimelle ohjausta.

Zener-diodilla D8' saadaan kantaohjaus pysymään samana, 5 vaikka syöttöjännite Vcc' vaihtelee.

Kuvio 4 esittää toimintajaksoja normaalitilanteessa, ja kuvio 5 ylikuormitus- tai oikosulkutilanteessa kuvion Ib esittämissä pisteissä sisääntulo 1, ohjaimen sisääntulo 2, 10 ohjaimen ulostulo 3 sekä oskillaattori 4. Nuolet kuvaavat tapahtumien kulkua. Sisääntulo ohjaa normaalitilanteessa ohjaimen sisääntuloa ja tämä edelleen ohjaimen ulostuloa. Kuviossa 5 oikosulku- tai ylikuormitustilanne tapahtuu hetkellä 1" ja poistuu hetkellä 2". Tällaisen tilanteen 15 aikana oskillaattori lähettää pulssin, joka näkyy ohjaimen sisääntulossa ja siten ohjaimen ulostulossa. Kun tilanne on poistunut, oskillaattorin antama pulssi saa aikaan tilanteen palautumisen normaaliksi.

20 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edelläesitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävän patenttivaatimuksen puitteissa.

Claims (1)

1. Anordning för styrning av ett antal terminalstyrdon, vil-ken anordning omfattar en styrenhet (1*) för styrning av vart 5 och ett av styrdonen (3' ) med hjälp av ett frän en börvärdes-enhet (2') erhället börvärde (+Vd;+Vd') som inställs obero-ende av de yttre styrsignalerna (II.. ,I7;I1'...17'), en kort-slutnings-/överlastenhet (4') för detektering och eliminering av kortslutnings- och överlasttillständ, vilken kortslut-10 nings-/överlastenhet innehäller en halvledarelkopplare (Q11,Q11') som vid kortslutning eller överlast begränsar styrsignalen tili terminalstyrdonet genom att via halvledar-elkopplaren inkoppla en annan strömbana längs vilken ätmins-tone en del av styrsignalen leds, och vilken kortslutnings-15 /överlastenhet avkänner terminalstyrdonets Ström utan att ett motständ är kopplat i serie med terminalstyrdonet samt en oscillator (5' ) som alstrar detekteringssignaler med hjälp av vilka styrenheten s jälvständigt övervakar hur länge kortslut-ningen eller överlasttillständet varar, kännetecknad av, att 20 styrenheten omfattar en första halvledarelkopplare (Q1,Q1'), att kortslutnings-/överlastenheten utgörs av en andra halvledarelkopplare (Q11,Q11') samt ett till dess styrelektrod och styrdonets utgäng (01...07,01'...07') kopplat motständ (Rll,Rll'), att den första halvledarelkopplaren är kopplad 25 tili den andra halvledarelkopplarens styrelektrod pä sä sätt att när den första halvledarelkopplaren i normaltillständet styrs sä att den leder släpper den igenom styrsignalen tili terminalstyrdonet och hindrar samtidigt den andra halvledarelkopplaren frän att leda, att en styrsignal som över ett 30 motständ tas frän terminalstyrdonets utgäng fär den andra halvledarelkopplaren att vid kortslutnings- eller överlast-tillständ siä om tili ledande tillständ, att oscillatorn (5') kontinuerligt alstrar detekteringssignaler, att styrenheten är försedd med konstantspänningselement (D8,D8') som häller 35 terminalstyrdonets börvärde konstant, och att styrenheten är försedd med en tili den första halvledarelkopplarens styrelektrod kopplad kondensator (Cl,Cl') som styr terminalstyrdonet tili ett tillständ motsvarande den externa styrsignalen utan styrsignaler frän oscillatorn.