RU2599190C2

RU2599190C2 - Voltage switch with overcurrent protection

Info

Publication number: RU2599190C2
Application number: RU2013152181/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Андреев
Original assignee: Анатолий Владимирович Андреев
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2016-10-10
Also published as: RU2013152181A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be used for protection of secondary power supplies of electronic switches from current overloads. Present invention consists in that voltage switch with over-current protection comprises series-connected current sensor, electronic switch, load unit, as well as control transistor, a circuit for negative feedback by current switch and circuit for positive feedback by voltage drop on switch, circuit for positive feedback by voltage drop on switch further includes a delay element, preventing its operation during a preset time interval.

EFFECT: possibility of maintaining normal functioning of load.

7 cl, 1 dwg

Description

Защита вторичных источников питания электронных коммутаторов и коммутируемых ими нагрузок от токовых перегрузок, вызванных флюктуациями напряжения источника питания, неисправностью соединительных линий и характером самих нагрузок обычно решается введением различных быстродействующих электронных схем защиты. Емкостный или двигательный характер нагрузки приводит к появлению кратковременных бросков тока в момент включения, что требует усложнения схемы защиты.The protection of the secondary power supplies of electronic switches and the loads commuted by them against current overloads caused by fluctuations in the voltage of the power supply, malfunction of the connecting lines and the nature of the loads themselves is usually solved by introducing various high-speed electronic protection circuits. The capacitive or motor nature of the load leads to the appearance of short-term inrush currents at the moment of switching on, which requires complication of the protection circuit.

Известны решения, такие как патент РФ №2208291, где реализована двухуровневая защита по току с ограничением допустимого времени действия пускового тока (переходного процесса) после подачи сигнала отпирания ключа. Использование пороговых элементов, обычно реализуемых как компараторы, позволяет иметь низкое падение напряжения на датчике тока и соответственно мощность, рассеиваемую на нем. Данная защита является триггерной и полностью разрывает цепь нагрузки; сбрасывается она только подачей сигнала выключения. Недостатками являются относительно сложное техническое решение и полное отключение нагрузки при кратковременных бросках тока, превышающих заданный уровень, что может нарушить функционирование системы, где используется данная схема защиты, как, например, в схеме управления вагона метрополитена это может приводить к передаче ложных сигналов при возможных перегрузках и коротких замыканиях в цепях управления.Known solutions, such as RF patent No. 2208291, where two-level current protection is implemented with a limitation of the admissible starting current (transient) action time after the key is unlocked. The use of threshold elements, usually implemented as comparators, allows you to have a low voltage drop on the current sensor and, accordingly, the power dissipated on it. This protection is trigger and completely breaks the load circuit; it is reset only by giving off signal. The disadvantages are the relatively complicated technical solution and the complete disconnection of the load during short-term inrush currents exceeding a predetermined level, which can disrupt the operation of the system where this protection scheme is used, as, for example, in the control circuit of a subway car this can lead to the transmission of false signals in case of possible overloads and short circuits in control circuits.

Другие известные решения, такие как патент США №7262948, вместо полного отключения нагрузки используют перевод ключа в режим стабилизации тока. Поскольку такой режим приводит к увеличению рассеиваемой на ключе мощности, для ее ограничения значение тока делается зависимым от падения напряжения на нем. Недостатками этого решения являются значительное падение напряжения на резисторах, используемых как датчики тока ключа, и отсутствие триггерной защиты в виде полного отключения нагрузки при длительных перегрузках.Other well-known solutions, such as US patent No. 7262948, instead of completely disconnecting the load, use the key switch to current stabilization mode. Since this mode leads to an increase in the power dissipated on the key, to limit it, the current value is made dependent on the voltage drop across it. The disadvantages of this solution are a significant voltage drop across the resistors used as key current sensors, and the lack of trigger protection in the form of a complete disconnection of the load during prolonged overloads.

Известны другие решения, как, например, патент РФ №2023344, где простыми техническими средствами достигается защита ключа и нагрузки от бросков тока. В известном решении цепь отрицательной обратной связи по току ключа помимо управляющего транзистора 3, общего для обеих цепей обратной связи, содержит датчик тока 4 и диод 5, а цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит дифференцирующую RC цепочку из резистора 7, зашунтированного диодом 8, и конденсатора 6. При переводе электронного ключа 1 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа происходит немедленное срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, и нагрузка обесточивается.Other solutions are known, such as, for example, RF patent No. 2023344, where protection of the switch and the load against inrush currents is achieved by simple technical means. In the known solution, the negative current feedback circuit of the key, in addition to the control transistor 3 common to both feedback circuits, contains a current sensor 4 and diode 5, and the positive voltage drop feedback circuit contains a differentiating RC circuit from a resistor 7 shunted by the diode 8, and capacitor 6. When the electronic switch 1 is switched to the current limiting mode by the negative current feedback circuit of the key, the positive feedback circuit immediately responds to the voltage drop across the key Th, and the load is de-energized.

Это решение имеет один порог тока защиты, что не позволяет различать кратковременные броски тока переходного процесса от значения тока в установившемся режиме. Срабатывание защиты вызывает полное отключение нагрузки на заданное время, после чего устройство автоматически включает нагрузку. Такой подход приводит к отключению нагрузки даже при кратковременных бросках тока. При сохранении причины перегрузки, такой как короткое замыкание, эта схема будет периодически подвергать ключ и нагрузку действию перегрузочного тока на время срабатывания защиты, что в ряде случаев нежелательно. Кроме того, данное решение требует значительного падения напряжения на резисторе, выполняющем функции датчика тока, что приводит к значительной мощности, рассеиваемой на нем.This solution has one protection current threshold, which makes it impossible to distinguish between transient transient current surges and steady-state current values. The operation of the protection causes a complete disconnection of the load for a given time, after which the device automatically turns on the load. This approach leads to load shedding even with short-term inrush currents. While maintaining the cause of the overload, such as a short circuit, this circuit will periodically expose the key and the load to the overload current for the duration of the protection operation, which in some cases is undesirable. In addition, this solution requires a significant voltage drop across the resistor, which acts as a current sensor, which leads to significant power dissipated on it.

Задача предлагаемого коммутатора напряжения состоит в том, чтобы при кратковременных бросках тока нагрузки обеспечить предотвращение ее полного отключения, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.The objective of the proposed voltage switch is that for short-term inrush currents of the load to prevent its complete disconnection, which allows to maintain the normal functioning of the load.

Указанная задача решена тем, что в коммутаторе напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащем последовательно соединенные датчик тока, электронный ключ, блок нагрузки, а также управляющий транзистор, цепь отрицательной обратной связи по току ключа и цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе, в цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе дополнительно введен элемент задержки, предотвращающий ее срабатывание в течение заданного интервала времени.This problem is solved in that in the voltage switch with overcurrent protection, containing a series-connected current sensor, an electronic switch, a load unit, as well as a control transistor, a negative current feedback circuit of the switch and a positive feedback circuit for voltage drop across the switch , a delay element is additionally introduced into the circuit for positive feedback on the voltage drop across the key, which prevents its operation during a predetermined time interval.

Благодаря этому при кратковременных бросках тока нагрузки электронный ключ переводится в режим ограничения тока, предотвращая тем самым ее полное отключение, что позволяет сохранить нормальное функционирование нагрузки.Due to this, during short-term inrush currents of the load, the electronic switch is switched to the current limiting mode, thereby preventing its complete shutdown, which allows maintaining the normal functioning of the load.

Электронный ключ может быть реализован на биполярном транзисторе, полевом транзисторе с p-n-переходом, полевом транзисторе с изолированным затвором или биполярном транзисторе с изолированным затвором. The electronic key can be implemented on a bipolar transistor, a field effect transistor with a pn junction, a field effect transistor with an insulated gate or a bipolar transistor with an insulated gate.

В предпочтительном варианте элемент задержки реализован в виде интегрирующего RC звена. Однако он может быть реализован и другими средствами, например с использованием одновибратора или таймера.In a preferred embodiment, the delay element is implemented as an integrating RC link. However, it can be implemented by other means, for example, using a single vibrator or timer.

Далее изобретение описано на примере его практической реализации со ссылками на чертеж, на котором представлена схема предлагаемого коммутатора напряжения.The invention is further described by the example of its practical implementation with reference to the drawing, which shows a diagram of the proposed voltage switch.

Электронный ключ с защитой от перегрузки содержит вход управления 1, первый логический элемент И-НЕ 2, первый вход которого соединен с входом управления, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, вход которой соединен с выходом первого логического элемента И-НЕ 2, второй логический элемент И-НЕ 4, первый вход которого соединен с входом управления 1, а второй - с выходом интегрирующего RC звена 3, управляющий транзистор 5, затвор которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ 4, сток, через резистор 6, соединен с положительным полюсом источника питания 7, а исток подключен к отрицательному полюсу источника питания 7, к которому подключены также нулевой провод интегрирующего RC звена 3 и первый вывод нагрузки 11, электронный ключ 9 в виде полевого транзистора, сток которого соединен с положительной силовой шиной 8, а затвор - со стоком управляющего транзистора 5, датчик тока 10, включенный между истоком силового транзистора 9 и первым выводом нагрузки 11, второй вывод которой соединен с отрицательной силовой шиной 12, операционный усилитель 13, инвертирующий вход которого соединен с истоком силового транзистора, неинвертирующий вход соединен с источником опорного напряжения 14, а выход, через диод 15, соединен с затвором силового транзистора, формирователь логического уровня 16, включенный между стоком силового транзистора 9 и вторым входом первого логического элемента 2.An electronic key with overload protection contains a control input 1, the first AND-NOT 2 logic element, the first input of which is connected to the control input, a delay element in the form of an integrating RC link 3, the input of which is connected to the output of the first AND-NOT 2 logic element, the second AND-NOT 4 logic element, the first input of which is connected to the control input 1, and the second to the output of the integrating RC link 3, the control transistor 5, the gate of which is connected to the output of the second AND-NOT 4 element, the drain, through the resistor 6, is connected to positive pole isto power supply 7, and the source is connected to the negative pole of the power supply 7, to which are also connected the neutral wire of the integrating RC link 3 and the first output of the load 11, the electronic key 9 in the form of a field-effect transistor, the drain of which is connected to the positive power bus 8, and the gate with the drain of the control transistor 5, a current sensor 10 connected between the source of the power transistor 9 and the first output of the load 11, the second terminal of which is connected to the negative power bus 12, an operational amplifier 13, the inverting input of which is connected to by the current of the power transistor, the non-inverting input is connected to the reference voltage source 14, and the output, through the diode 15, is connected to the gate of the power transistor, a logic level driver 16 connected between the drain of the power transistor 9 and the second input of the first logic element 2.

Таким образом, цепь отрицательной обратной связи по току ключа содержит датчик тока ключа 10, источник опорного уровня 14, операционный усилитель 13 и диод 15, соединяющий выход операционного усилителя с затвором электронного ключа 9. Цепь положительной обратной связи по падению напряжения на ключе содержит формирователь логического уровня 16, логический элемент И-НЕ 2, элемент задержки в виде интегрирующего RC звена 3, логический элемент И-НЕ 4 и управляющий транзистор 5.Thus, the negative current feedback circuit of the key contains a current sensor of the key 10, a reference level source 14, an operational amplifier 13 and a diode 15 connecting the output of the operational amplifier with the gate of the electronic key 9. The positive voltage feedback circuit of the key contains a logic driver level 16, the NAND gate 2, the delay element in the form of an integrating RC link 3, the NAND gate 4 and the control transistor 5.

При переводе электронного ключа 9 в режим ограничения тока цепью отрицательной обратной связи по току ключа срабатывание цепи положительной обратной связи по падению напряжения на ключе происходит с задержкой, определяемой параметрами RC звена 3, во время которой электронный ключ находится в режиме ограничения тока. Таким образом, обеспечиваются непрерывность тока в нагрузке при кратковременных перенапряжениях и ограничение времени нахождения ключа в активном режиме, где он рассеивает значительную мощность. Более подробно работа устройства описана ниже.When transferring the electronic key 9 to the mode of limiting the current by the circuit of negative feedback on the current of the key, the positive feedback circuit for the voltage drop across the key is triggered with a delay determined by the parameters of RC link 3, during which the electronic key is in the mode of current limitation. Thus, the continuity of the current in the load at short-term overvoltage and the limitation of the time the key is in the active mode, where it dissipates significant power, are ensured. The operation of the device is described in more detail below.

В исходном (выключенном) состоянии на входе управления 1 присутствует низкий логический уровень (уровень логического нуля), который порождает высокий логический уровень (уровень логической единицы) на выходе второго логического элемента И-НЕ 4, обуславливающий открытое состояние управляющего транзистора 5. Управляющий транзистор 5 шунтирует цепь затвора электронного ключа 9, закрывая его и отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. На выходе операционного усилителя 13, на инвертирующий вход которого с датчика тока подано нулевое напряжение, соответствующее нулевому току ключа и нагрузки, а на неинвертирующий вход - положительное опорное напряжение от источника 14, присутствует положительное напряжение ограничения. Диод 15 закрыт и на работу электронного ключа не влияет. На первый вход первого логического элемента И-НЕ 2 с входа управления 1 поступает низкий логический уровень, на второй его вход со стока закрытого силового транзистора 9 через формирователь логического уровня 16 поступает высокий логический уровень. На выходе первого логического элемента И-НЕ 2, на выходе элемента задержки (интегрирующего RC звена) 3 и на втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 присутствует уровень логической единицы.In the initial (off) state, at the control input 1, there is a low logic level (logical zero level), which generates a high logical level (logical unit level) at the output of the second NAND 4 logic element, which causes the open state of the control transistor 5. Control transistor 5 shunts the gate circuit of the electronic key 9, closing it and disconnecting the load 11 from the power bus 12. At the output of the operational amplifier 13, to the inverting input of which a zero voltage is applied from the current sensor, with tvetstvuyuschee zero current key and the load, and the non-inverting input - from a positive reference voltage source 14, the positive voltage limit is present. Diode 15 is closed and does not affect the operation of the electronic key. At the first input of the first logical element AND-NOT 2 from the control input 1, a low logic level is received, at its second input from the drain of a closed power transistor 9, a high logic level is supplied through the former of the logic level 16. At the output of the first logical element AND-NOT 2, at the output of the delay element (integrating RC link) 3 and at the second input of the second logical element AND-NOT 4, there is a level of a logical unit.

При подаче на вход управления 1 сигнала включения в виде высокого логического уровня этот высокий уровень поступает на первые входы обоих логических элементов И-НЕ. Их выходы приходят в состояние низкого логического уровня. Управляющий транзистор 5 закрывается и на затвор ключа 9 через резистор 6 поступает напряжение, вызывающее его открытие. Силовой транзистор 9 открывается, подключая нагрузку 11 к отрицательной силовой шине 12. Напряжение на выходе интегрирующего RC звена 3 и втором входе второго логического элемента И-НЕ 4 начинает падать, однако в течение некоторого интервала, определяемого постоянной времени интегрирующего RC звена, на них обеспечивается высокий логический уровень. За это время электронный ключ 9 успевает включиться и его напряжение сток-исток падает ниже входного порога преобразователя уровней 15. На втором входе первого логического элемента И-НЕ 2 устанавливается низкий логический уровень. Высокий логический уровень, установившийся на выходе первого логического элемента И-НЕ 2, останавливает падение напряжения на выходе интегрирующего RC звена 3.When applied to the control input 1 of the enable signal in the form of a high logical level, this high level goes to the first inputs of both logical elements AND-NOT. Their outputs enter a state of low logic level. The control transistor 5 closes and the gate of the key 9 through the resistor 6 receives the voltage causing it to open. The power transistor 9 opens, connecting the load 11 to the negative power bus 12. The voltage at the output of the integrating RC link 3 and the second input of the second AND-NOT 4 logic element starts to drop, however, over a certain interval determined by the time constant of the integrating RC link, they are provided high logical level. During this time, the electronic key 9 manages to turn on and its drain-source voltage drops below the input threshold of the level converter 15. At the second input of the first logical element AND-NOT 2, a low logic level is set. A high logic level, which is established at the output of the first AND-NOT 2 logical element, stops the voltage drop at the output of the integrating RC link 3.

При токе нагрузки, не превышающем заданный порог, определяемый какWhen the load current does not exceed a predetermined threshold, defined as

Iпор = Uоп/Rдт,Ipor = Uop / Rdt,

где Iпор - ток порога срабатывания защиты;where Iпор - current threshold protection;

Uоп - опорное напряжение;Uop - reference voltage;

Rдт - сопротивление датчика тока,Rdt is the resistance of the current sensor,

схема коммутатора может находиться в стационарном включенном состоянии неопределенно долгое время.The switch circuit may remain stationary for an indefinite period of time.

При превышении током нагрузки указанного порога схема коммутатора переходит в состояние ограничения тока следующим образом. При падении напряжения на датчике тока 10, превышающем уровень, заданный источником опорного напряжения 14, напряжение на выходе операционного усилителя 13 начинает падать, диод 15 открывается, замыкая цепь отрицательной обратной связи по току ключа, стабилизирующей ток нагрузки на уровне Iпор. Это приводит к понижению напряжения на затворе электронного ключа 9, при этом падение напряжения на ключе 9 возрастает, приводя к появлению уровня логической единицы на выходе формирователя логического уровня 16. Этот единичный логический уровень при логической единице на входе управления коммутатором 1 приводит к появлению низкого уровня на выходе элемента И-НЕ 2, соединенным со входом интегрирующего RC звена 3. Данное состояние схемы транзисторного коммутатора является кратковременным. Длительность нахождения схемы коммутатора в данном состоянии определяется задержкой появления низкого логического уровня на выходе интегрирующего RC звена 3. Значение задержки зависит как от постоянной времени звена, так и от напряжений выходных логических уровней элемента И-НЕ 2 и входного порогового уровня элемента И-НЕ 4.If the load current exceeds the specified threshold, the switch circuit enters the current limit state as follows. When the voltage drop at the current sensor 10 exceeds the level set by the reference voltage source 14, the voltage at the output of the operational amplifier 13 starts to fall, the diode 15 opens, closing the negative current feedback circuit of the switch, stabilizing the load current at the level of Ipor. This leads to a decrease in the voltage at the gate of the electronic key 9, while the voltage drop on the key 9 increases, leading to the appearance of the level of a logical unit at the output of the shaper of the logical level 16. This unit logical level with a logical unit at the control input of the switch 1 leads to a low level at the output of the AND-NOT 2 element connected to the input of the integrating RC link 3. This state of the transistor switch circuit is short-term. The length of time the switch circuit is in this state is determined by the delay in the appearance of a low logic level at the output of the integrating RC link 3. The delay value depends on both the link time constant and the voltages of the output logical levels of the AND-NOT 2 element and the input threshold level of the AND-NOT 4 element .

После этой задержки на выходе элемента И-НЕ 4 появляется высокий логический уровень, что приводит к открыванию управляющего транзистора 5 и полному запиранию электронного ключа 9, отключая нагрузку 11 от силовой шины 12. Схема транзисторного коммутатора переходит в защитное состояние. При снятии управляющего сигнала и установлении уровня логического нуля на входе управления 1, при условии отсутствия тока перегрузки, схема коммутатора возвращается в выключенное состояние.After this delay, a high logic level appears at the output of the AND-NOT 4 element, which leads to the opening of the control transistor 5 and the complete locking of the electronic key 9, disconnecting the load 11 from the power bus 12. The transistor switch circuit goes into a protective state. When removing the control signal and setting the logic zero level at the control input 1, provided that there is no overload current, the switch circuit returns to the off state.

Во время задержки электронный ключ находится в режиме стабилизации тока нагрузки, при снижении тока ключа ниже порогового уровня во время действия задержки схема возвращается в исходное включенное состояние, полностью отпирая электронный ключ.During the delay, the electronic key is in the mode of stabilizing the load current, when the key current decreases below the threshold level during the delay, the circuit returns to its original on state, unlocking the electronic key completely.

Таким образом, предлагаемый коммутатор с защитой от перегрузки сглаживает кратковременные броски тока, ограничивая их на заданном уровне, без полного отключения нагрузки.Thus, the proposed switch with overload protection smooths short-term inrush currents, limiting them at a given level, without completely disconnecting the load.

Claims

1. The voltage switch with overcurrent protection, containing a series-connected current sensor, an electronic switch, a load unit, as well as a control transistor, a negative current feedback circuit of the key and a positive feedback circuit for the voltage drop across the key, characterized in that a delay element is additionally introduced into the circuit for positive feedback on the voltage drop across the key, which prevents its operation during a predetermined time interval.

2. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the electronic switch is implemented on a bipolar transistor.

3. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the electronic switch is implemented on a field effect transistor with a p-n junction.

4. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the electronic switch is implemented on a field effect transistor with an insulated gate.

5. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the electronic switch is implemented on a bipolar transistor with an insulated gate.

6. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the delay element is implemented as an integrating RC link.

7. The voltage switch according to claim 1, characterized in that the delay element is implemented using a single vibrator or timer.