Оптоэлектронный ключ с защитой по току

(я ) 5 Н 03 К 17/08 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР1 1354409, кл. Н 03 К 17/08, 1986,Авторское свидетельство СССРФ 1398074, кл, Н 03 К 17/08, 1986. Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники.Известен оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, два транзистора разного типа проводимости, четыре резистора и элемент односторонней проводимости, светодиод оптрона подключен к входным шинам, первый резистор включен между базой первого транзистора и первой шиной питания. второй резистор включен параллельно переходу база-эмиттер второго транзистора, коллектор фототранзистора оптрона соединен с первым выводом третьего резистора, эмиттеры фототранзистора оптрона и второго транзистора соединены с второй шиной питания, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом элемента односторонней проводимости и с базой первого транзистора, эмиттер которого через четвертый резистор соединен с первой шиной питания, а коллектор - с базой второго транзистора, коллектор которого(54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ С ЗАЩИТОЙ ПО ТОКУ(57) Использование: изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронной коммутационной технике устройств автоматики и робототехники, Сущность изобретения: устройство содержит 1 фототранзисторный оптрон (1), транзистор (2), 4 резистора (5, 6, 7.8), 2 элемента односторонней проводимости (3, 4), 1 конденсатор (9), 2 ил,соединен с вторым выводом элемента односторонней проводимости и выходной шиной ключа,Недостатком такого устройства является низкая надежность, обусловленная большим количеством функциональных элементов,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптоэлектронный ключ с защитой по току, содержащий транзисторный оптрон, элемент односторонней проводимости, три резистора и транзистор, проводимость которого противоположна проводимости фототранэистора оптрона, светодиод оптрона подключен к входным шинам, причем коллектор фототранзистора оптрона соединен с базой транзистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером тоанзистооа и первой шиной питания, база и змиттер фототранзистора оптрона соединены с второй шиной питания соответственно через второй и третий резисторы, база фототранзистора оптрона соединена непосредственно с первым вы 1762406водам элемента односторонней проводимости, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора и выходной шиной устройства,В большинстве случаев исполнительными элементами, которые коммутируют электронные ключи, являются устройства и механизмы, каторые как нагрузка электронного ключа характеризуется большой кратностью (различием) пускового и номинального токов, К таким нагрузкам относятся нагрузки емкостиага характера, электромагниты, двигатели, нагрузки нелинейного характера - нагревательные элементы, лампы накаливания и пр, При работе ключа иа указанные типы нагрузок ток ограничения токовой защиты ключа должен превышать значение пускового тока нагрузки, т,к. в противном случае срабатывание защиты в течение перехадисга (пускового) режима нагрузки ключа будет квалифицировано как функциональный отказ ключа,Загрублеиие порога токаограиичеиия защиты ключа из расчета большой кратности пускового и номинального токов нагрузки делает невозможным срабатывание защиты как при токовой перегрузке, при которой ток превышает номинальное значение, ис меньше пускового, Оба указанных фактора: вынужденное заглублеиие характеристики такааграничаиия и рабата ключа без срабатывания защи;ы в указанном ыше ре:к,;.е перегрузки, абус. лавливаст в ссискупиаст принципиальные недостатки проатипа; низкие КПД и функциональная нале - ость ключаЦелью изобретения является повышение надежности рабаты и КПД ключа в режиме перегрузки,Поставленидя цел ь дастиается тем, что в устройство, содержащее транзисторный сг 1 трси, траиз. г ср прс 1 ивсг 1 алсжнай к фототраизисгсру сптраиа прсвадимасчи, элемент адиасгароиией проводил;асти и первый, второй и третий резисторы, причем светодиод сптрсиа соединен с входными выводами устройс-ва, база фатстранзистара оптрсиа через первый резистор соединена са второй шиной питания, а через элемент адисстсрсиией проводимости - с выходной шиной устройства коллектор фототраизистара сптрсиа через втсасй резистор соединен с первой шиной пи ания, с которой соединен эмит.ер транзистора, база которого соединена с коллекторам фото- транзистора аптраиа, а коллектор - с выходной шиной устрайс ва, дополнительно введены резисгар, конденсатор и элемент односторонней проводимости, при этом введенный элелечт ад 1 сстароиней проводимости, соединен встречна-параллельно с база-эмиттерным переходом фототранзистора оптроиа, а параллельно соединенные введенные резистор и конденсаторчерез третий резистор включены между5 эмиттером фототранзистора оптрона и второй шиной питания,Физическая сущность изобретения заключается в формировании введенными резистором и конденсатором токовой1 О иагрузочиой характеристики, сопряженнойс время-токовой характеристикой нагрузкиключа, и в формировании посредством введенного элемента односторонней проводимости автоматического возврата элементов15 защиты в исходное состояние,Сопоставительный анализ с прототипом показывает, чта заявляемое устройствоотличается наличием резистора, конденсатора и элемента односторонней проводимо 20 сти, а также их связями с остальнымиэлементами устройства. Этс позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна",Введенные элементы известны, однако25 в указанных взаимосвязях они позволяютформировать двухуровневую характеристику токового ограничения устройства, обеспечивая таким образом повышение егонадежности и КПД, что позволяет сделать30 вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия",На фиг, 1 представлена схема предлагаемого устройства; иа фиг, 2 - функция35 токового ограни,еиия устройства от време,и а) и время - нагрузсчная характеристикаиспалиительнага элемента иа выходе элек-раиисс клюа (б),Устройство фиг. 1) состоит из транзи 40 сториаго аптраиа 1, транзистора 2, первого3 и второго 4 элементов односторонней проводимости, первого 5, второго б, третьего 7и четвертсга 8 резисторов и конденсатора 9,Светодиод транзисторного оптроиа 145 соединен с входными выводами устройства,база фататранзистара оптрона 1 через резистор 5 соединена со второй шиной питания и через элемент одностороннейпроводимости 3 с выходной шиной устрой 50 стьг, эмиттер фототранэистора оптрона 1через элемент односторонней проводимости 4 соединен с базой фотатраизисторааптрона, эмиттер фотатраизистора оптрона1 соединен с параллельно соединенными55 резистором 8 и коидеисатсром 9, которыечерез резистор 7 соединены со второй шиной гитания. Коллектор фотатраизистарааптроиа 1 соединен с базой транзистора 2 ичерез резистор б с первой шиной питания,г. которой соединен эмиттер транзистора 2, 176240610 20 25 30 35 40 50 55 коллектор которого соединен с выходной шиной устройства.Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала, оптрон 1 закрыт, ток базы транзистора 2 не протекает - транзистор 2 закрыт - ток в нагрузку ключом не передается,При подаче входного сигнала и коротком замыкании в нагрузке ключа фототранзистор оптрона 1 закрыт за счет шунтирования нагрузкой базы фототранзистора оптрона 1 на вторую шину питания через элемент односторонней проводимости 3, Ток коллектора фототранзистора, а следовательно ток базы транзистора 2 не протекает - ток в нагрузку ключом не передается.В безаварийной состоянии нагрузки, характеризующийся различием пускового и номинального токов, фототранзистор оптрона 1 открывается световым потоком светодиода оптрона 1, на вход которого подается сигнал управления, Конденсатор 9 разряжен, напряжение на нем равно нулю - в случае предыдущего включения устройства конденсатор 9 разряжен через резистор 8. Ток коллектора фототранзистора оптрона 1 протекает через базу транзистора 2, открывая его, при этом в цепи эмиттера ток протекает через незаряженный конденсатор 9 и резистор 7, минуя шунтированный конденсатором с нулевым напряжением резистор 8, В этом момент времени ток коллектора фототранзистора оптрона 1, а следовательно, ток базы транзистора 2, Определяется только резистором 7 таким образом, что максимально возможный выходной ток ключа ( ь фиг. 2) несколько превышает значение пускового тока нагрузки (начальная точка кривой "б", фиг. 2). По мере уменьшения тока нагрузки ключа, в устройстве конденсатор 9 заряжается током резистора 7 с постоянной времени, определяемой произведением сопротивления резистора 7 на емкость конденсатора 9, Напряжение на конденсаторе 9 начинает возрастать, часть тока резистора 7 ответе- ляется в резистор 8. Постоянная времени заряда конденсатора 9 выбирается большей или равной постоянной времени переходного процесса в нагрузке. По окончании переходного процесса конденсатор 9 заряжен полностью, напряжение на нем определяется соотношением величин сопротивлений резисторов 7 и 8, ток коллектора фототранзистора оптрона 1 (ток базы транзистора 2) определяется теперь суммарным значением сопротивлений 7 и 8 на уровне (1 р, фиг, 2), превышающем максимально возможный номинальный ток нагрузки. Таким образом устройство формирует два порога токовой защиты - максимальный в начальный момент времени (1) и минимальный 2) по окончании переходного процесса в нагрузке,В случае перегрузки устройства в любой момент времени, т,е. при превышении током нагрузки ключа значении характеристики "а" (фиг. 2), фототранэистор оптрона 1 и транзистор 2 выходят из режима насыщения, напряжение коллектор - эмиттер транзистора 2 растет, что вызывает шунтирование базы фототранзистора оптрона 1 нагрузкой через открывающийся элемент односторонней проводимости 3, Выходной ток устройства начинает ограничиваться.В случае аварийного состояния нагрузки - значительнои перегрузки или короткого замыкания выходных шин ключа, после включения устройства, разряженный (или частично заряженный во время переходного процесса) конденсатор 9 разряжается, помимо резистора 8, через сформированную цепь разряда: элементы односторонней проводимости 4, 3 - нагрузка ключа - вторая шина питания - резистор 7. Указанная цепь выполняет несколько важных функций для устройства Во-первых, открытый разрядным током конденсатора 9 элемент односторонней проводимости 4 надежно закрывает фототранзистор оптрона 1 обратным напряжением на база-эмиттерном переходе. защищая в то же время указанный переход от обратного напряжения пробоя. Во-вторых, форсированный разряд ко денсдтора 9 создает условия для более оперативного повторения цикла включения с последующим переходным процессом, при устранении неисправности в нагрузке. Таким образом введенные элементы обеспечивают быстрый переход устройства в режим тоового ограничения при перегрузке.Следует отметить дополнительно, что введенные элемснты позволяют игключить переход устройства в режим токового ограничения в режимах зксплудтдц и, провоцирующих ложные срабатывания защиты, Так, например, при скачке напряжения на шинах питания нагрузки, особенно нэ нагрузке нелинейного или емкостного характера, будет вызван скачок тока на уровне (или превышающем уровень) пускового тока нагрузки Переход ключа в режим токоордничения будет воспринят кдк функционально ложное срабатывание защиты, т к увеличение тока не вызвано аварийным роз имом нагрузки, В то же время в заявляемом устройстве скачок напряжения вызывает скачок тока в конденсаторе 9, при этом нд время бросканапряжения питания конденсатор 9 полностью шунтирует током заряда резистор 8 - порог токового ограничения ключа определяется исключительно резистором 1 на уровне, превышающем значение(иэ-эа повышения напряжения на шинах питания нагрузки), Описанные процессы подтверждают повышение функциональной надежности устройства.При устранении перегрузки или короткого замыкания в нагрузке, в устройстве автоматически обеспечивается возврат режимов всех элементов в исходное состояние,Положительный эффект изобретения заключается во введении в известное устройство элемента односторонней проводимости 4, резистора 8 и конденсатора 9 со связями, при этом заявляемым устройством проявляются новые качества:- заявляемое устройство переходит в режим токоограничения при токах в нагрузке, меньших пусковых токов. Уменьшение значения тока перегрузки обуславливает повышение КПД ключа,- устройство исключает ложное срабатывание защиты при выбросах напряжения нв нагрузке, что обуславливает повышение функциональной надежности ключа.Устройство обеспечивает работу на нагрузку с. большой кратностью пускового и номинального токов с одновременным улучшением энергетических хэоактеристик. В режиме перегрузки и короткого замыкания устройство обеспечивает оперативный переход в режим токового ограничения. 5 Формула изобретенияОптоэлектронный ключ с защитой по току. содержащий транзисторный оптрон, транзистор противоположной к фототранзистору оптрона проводимости, элемент од носторонней проводимости и первый,второй и третий резисторы, причем светодиод оптрона соединен с входными выводами устройства, база фототранзистора оптрона через первый резистор соединена со второй 15 шиной питания, а через элемент односторонней проводимости - с выходной шиной устройства, коллектор фототранзистора оптрона через второй резистор соединен с первой шиной питания, с которой соединен 20 эмиттер транзистора, база которого соединена с коллектором фототранзистора оптрона, а коллектор - с выходной шиной устройства, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности работы и КПД, вве дены четвертый резистор, конденсатор ивторой элемент односторонней проводимости, который соединен встречно-параллельно база-эмиттерному переходу фототранзисторя оптрона а параллельно ЗС соединенные четвертый резистор и конденсатор через третий резистор включены между эмиттером фототранзистора оптрона и второй шиной питания.1762406 Составитель Л,ШтойкоТехред М.Моргентал Корректор А,Ворович Редактор Н.Каменская Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3265 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5