блок искрозащиты

Формула изобретения

1. Блок искрозащиты, содержащий электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации, которые выполнены в виде трансформаторов, первичные обмотки которых включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии, при этом датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации подключены через первый и второй входы схемы ИЛИ и триггер к ключу управления электронным ключом, а вход датчика сигнала при перегрузках подключен к удвоителю напряжения, который через интегрирующую цепь подключен к управляющему входу электронного ключа, отличающийся тем, что блок искрозащиты дополнительно содержит контроллер и одновибратор, при этом выход схемы ИЛИ подключен к первому входу одновибратора, второй вход одновибратора и R-вход триггера подключены к третьему выходу контроллера, а выход одновибратора подключен к S-входу триггера, первый вход контроллера через делитель напряжения подключен к точке соединения электронного ключа с потребителем электроэнергии, третий вход контроллера подключен к выходу одновибратора, первый выход контроллера подключен к точке соединения датчика сигнала при перегрузках и удвоителя напряжения, второй выход контроллера подключен к третьему входу схемы ИЛИ.

2. Блок искрозащиты по п.1, отличающийся тем, что параллельно электронному ключу катодом к точке его соединения с потребителем электроэнергии подключен диод.

3. Блок искрозащиты по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй вход контроллера через делитель напряжения подключен к каналу для подключения к источнику питания потребителя электроэнергии.

Описание изобретения к патенту

Объект, который заявляется, относится к электротехнике и предназначен для обеспечения искробезопасного питания взрывобезопасной электротехники в химической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей, горнорудной промышленности, переносных устройств с встроенными аккумуляторами, в частности, для обеспечения искробезопасного питания взрывобезопасных головных аккумуляторных шахтных светильников.

Известен блок искрозащиты, который содержит электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации, которые включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии, а их выходы связаны со схемой управления электронным ключом. При этом датчиком сигнала при перегрузках и датчиком сигнала при коммутации являются, соответственно, резистор и дроссель (см. описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1567796, МПК F 21 L 11/00, 1990, бюл. №20).

У объекта, который заявляется, и аналога совпадают следующие существенные признаки: блоки искрозащиты содержат электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации, которые включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии, а их выходы связаны со схемой управления электронным ключом.

Получению ожидаемого технического результата при использовании аналога препятствуют следующие причины. Использование резистора и дросселя соответственно как датчика сигнала при перегрузках и датчика сигнала при коммутации не обеспечивает высокую чувствительность блока искрозащиты в момент подключения потребителя электроэнергии к источнику питания, или при перегрузке и коммутации устройств с встроенными аккумуляторами, поскольку повышение чувствительности приводит к повышению падения напряжений на этих датчиках и снижению напряжения на потребителе электроэнергии.

Наиболее близким по совокупности признаков к объекту, который заявляется, является выбранный, как прототип, блок искрозащиты, который содержит электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, схему выделения сигнала при перегрузках и схему выделения сигнала при коммутации, которые подключены к ключу управления электронным ключом. Схема выделения сигнала при коммутации содержит датчик сигнала при коммутации в виде трансформатора, выпрямительного моста и подключенного к выходу моста, генератора импульсов, выход которого подключен к одному из входов схемы "ИЛИ". Схема выделения сигнала при перегрузках содержит датчик сигнала при перегрузках в виде трансформатора, резистора, источника опорного напряжения, компаратора, генератора импульсов и схемы "И". Причем выход генератора импульсов подключен к резистору, второй выход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора датчика сигнала при перегрузках и с одним из входов компаратора. К второму входу компаратора подключен выход источника опорного напряжения, а выходы компаратора и генератора импульсов подключены к схеме "И". Датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации выполнены в виде трансформаторов, первичные обмотки которых включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии. При этом датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации подключены через первый и второй входы схемы "ИЛИ" и триггер к ключу управления электронным ключом. Кроме того выход генератора импульсов подключен через удвоитель напряжения и интегрирующую цепь к управляющему входу электронного ключа (см. описание к декларационному патенту Украины №49348, МПК Е 21 F 9/00, 2002, бюл. №9).

У объекта, который заявляется, и прототипа совпадают следующие существенные признаки: блоки искрозащиты содержат электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации, которые выполнены в виде трансформаторов, первичные обмотки которых включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии. При этом датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации подключены через первый и второй входы схемы "ИЛИ" и триггер к ключу управления электронным ключом, а вход датчика сигнала при перегрузках подключен к удвоителю напряжению, который через интегрирующую цепь подключен к управляющему входу электронного ключа.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют следующие причины. У прототипа управление электронным ключом при перегрузках и при коммутации осуществляется с высокой чувствительностью с помощью относительно сложных схем выделения сигналов при перегрузках и коммутации, которые содержат относительно много элементов, что не позволяет создать блок искрозащиты компактных размеров. Кроме того, в прототипе в момент подключения потребителя электроэнергии к источнику питания нет возможности сделать так, чтобы скорость нарастания тока практически не зависела от значения напряжения источника питания. Этот блок также не имеет возможности влиять на заряд аккумуляторной батареи источника питания.

В основу технического решения поставлена задача - создать такой блок искрозащиты, в котором усовершенствование путем введения новых элементов и новых связей между элементами, позволило бы при использовании объекта, который заявляется, обеспечить достижение технического результата, который состоит в упрощении конструкции при обеспечении высокой чувствительности и расширении функциональных возможностей блока искрозащиты.

Блок искрозащиты, который заявляется, направленный на решение поставленной задачи, содержит электронный ключ с точкой соединения с потребителем электроэнергии, ключ управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа, датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации, которые выполнены в виде трансформаторов, первичные обмотки которых включены последовательно с электронным ключом в канал потребителя электроэнергии. При этом датчик сигнала при перегрузках и датчик сигнала при коммутации подключены через первый и второй входы схемы "ИЛИ" и триггер к ключу управления электронным ключом, а вход датчика сигнала при перегрузках подключен к удвоителю напряжения, который через интегрирующую цепь подключен к управляющему входу электронного ключа. Отличительной особенностью этого блока искрозащиты является то, что блок искрозащиты дополнительно содержит контроллер и одновибратор. При этом выход схемы "ИЛИ" подключен к первому входу одновибратора, второй вход одновибратора и R-вход триггера подключены к третьему выходу контроллера, а выход одновибратора подключен к S-входу триггера. Первый вход контроллера через делитель напряжения подключен к точке соединения электронного ключа с потребителем электроэнергии, а третий вход контроллера подключен к выходу одновибратора. Первый выход контроллера подключен к точке соединения датчика сигнала при перегрузках и удвоителя напряжения, а второй выход контроллера подключен к третьему входу схемы "ИЛИ".

В отдельных случаях использования блок искрозащиты, который заявляется, характеризуется тем, что параллельно электронному ключу катодом к точке его соединения с потребителем электроэнергии подключен диод. Кроме того второй вход контроллера через делитель напряжения может быть подключен к каналу для подключения к источнику питания потребителя электроэнергии.

При использовании блока искрозащиты, который заявляется, можно ожидать достижение технического результата, который состоит в упрощении конструкции при обеспечении высокой чувствительности. Дополнительный технический результат состоит в расширении функциональных возможностей блока искрозащиты.

Между совокупностью существенных признаков блока искрозащиты, который заявляется, и техническим результатом, который достигается, существует следующая причинно-следственная связь. Благодаря тому, что блок искрозащиты содержит одновибратор, установленный между схемой "ИЛИ" и триггером, что дает возможность расширить сигнал ошибки, и содержит контроллер, входы которого подключены к точке соединения электронного ключа с потребителем электроэнергии и к выходу одновибратора, а выходы контроллера подключены к второму входу одновибратора, к удвоителю напряжения, к третьему входу схемы "ИЛИ" и к R-входу триггера, упрощается конструкция схемы управления электронным ключом при обеспечении высокой чувствительности. Аналоговые входы контроллера разрешают осуществлять измерение напряжения на входе/выходе электронного ключа, осуществлять измерение напряжения источника питания, и осуществлять контроль срабатывания защиты.

Контроллер осуществляет генерацию необходимой частоты накачки для управления электронным ключом и датчиком сигнала при перегрузках - магнитным датчиком максимального тока, и руководит режимом работы триггера. При поступлении на вход контроллера напряжения в момент подключения потребителя к источнику питания, контроллер коротким импульсом из выхода Y₃ обеспечивает открытие электронного ключа и генерирует импульсный сигнал (из выхода F₁), период которого является функцией напряжения источника питания, что позволяет сделать скорость наращивания тока на потребителе электроэнергии, практически независимой от величины напряжения источника питания. В отдельных случаях использования, если параллельно электронному ключу катодом к точке его соединения с потребителем электроэнергии подключен диод и/или второй вход контроллера через делитель напряжения подключен к каналу для подключения к источнику питания потребителя электроэнергии, с помощью блока искрозащиты, который заявляется, и зарядного устройства можно осуществить заряд аккумуляторной батареи источника питания. При этом контроллер может осуществлять контроль напряжения источника питания, блокировать работу защиты и генерировать импульсный сигнал на открытие электронного ключа для осуществления заряда аккумуляторной батареи и регулировать электронным ключом величину зарядного тока. Все вышеупомянутое оказывает содействие расширению функциональных возможностей блока искрозащиты.

Суть конструкции блока искрозащиты, который заявляется, поясняется графическим материалом, на котором изображена принципиальная электрическая схема блока искрозащиты для шахтерского взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника.

На графическом материале проставлены такие обозначения:

1 - Электронный ключ;

2 - Точка соединения электронного ключа с потребителем электроэнергии;

3 - Фара;

4 - Ключ управления электронным ключом;

5 - Управляющий вход электронного ключа;

6 - Датчик сигнала при перегрузках;

7 - Датчик сигнала при коммутации;

8 - Первичная обмотка трансформатора датчика сигнала при перегрузках;

9 - Первичная обмотка трансформатора датчика сигнала при коммутации;

10 - Схема "ИЛИ";

11 - Триггер;

12 - Удвоитель напряжения;

13 - Интегрирующая цепь;

14 - Контроллер;

15 - Одновибратор;

16 - Источник питания;

17 - Управляющие контакты;

18 - Зарядный контакт;

19 - Зарядный контакт;

20 - Диод;

R₁ - Резистор;

R₂ - Резистор;

R₃ - Резистор;

R₄ - Резистор;

R₅ - Резистор;

R₆ - Резистор;

U₁ - Первый вход контроллера;

U₂ - Второй вход контроллера;

U₃ - Третий вход контроллера;

F₁ - Первый выход контроллера;

Y₂ - Второй выход контроллера;

Y₃ - Третий выход контроллера.

В конкретном примере осуществления блок искрозащиты для шахтерского взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника содержит электронный ключ 1, выполненный, например, в виде МДП-транзистора, для управления которым используется потенциал на его входе. Электронный ключ 1 в точке 2, соединенный с потребителем электроэнергии, - фарой 3. Блок искрозащиты также содержит ключ 4 управления электронным ключом, выход которого подключен к управляющему входу 5 электронного ключа 1, датчик сигнала при перегрузках 6 и датчик сигнала при коммутации 7, которые выполнены в виде трансформаторов, первичные обмотки которых 8 и 9 включены последовательно с электронным ключом 1 в канал потребителя электроэнергии - фары 3. При этом датчик сигнала при перегрузках 6 и датчик сигнала при коммутации 7 подключены через первый и второй входы к схеме "ИЛИ" 10. Триггер 11 подключен к ключу 4 управления электронным ключом 1, а вход датчика сигнала при перегрузках 6 подключен к удвоителю напряжения 12, который через интегрирующую цепь 13 подключен к управляющему входу электронного ключа 1. Блок искрозащиты дополнительно содержит одновибратор 15 для расширения сигнала ошибки. При этом выход схемы "ИЛИ" 10 подключен к первому входу одновибратора 15, второй вход одновибратора 15 и R-вход триггера 11 подключены к третьему выходу Y₃ контроллера 14, а выход одновибратора 15 подключен к S-входу триггера 11. Первый вход U₁ контроллера 14 через делитель напряжения R₃-R ₄ подключен к точке 2 соединение электронного ключа 1 с потребителем электроэнергии - фарой 3. Третий вход U₃ контроллера 14 подключен к выходу одновибратора 15. Первый выход F₁ контроллера 14 подключен к точке соединения датчика сигнала при перегрузках 6 и удвоителя напряжения 12. Второй выход Y₂ контроллера 14 подключен к третьему входу схемы "ИЛИ" 10. Потребитель электроэнергии - фара 3 подключается к источнику питания 16 управляющими контактами 17. Для обеспечения заряда аккумуляторной батареи источника питания 16 непосредственно в корпусе шахтерского светильника на фаре 3 смонтированы зарядные контакты 18 и 19. При такой конструкции шахтерского взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника параллельно электронному ключу 1 катодом к точке 2 его соединение с фарой 3 подключен диод 20, а второй вход U₂ контроллера 14 через делитель напряжения R₁-R₂ подключен к аккумуляторной батарее источника питания 16.

В шахтерском взрывобезопасном головном аккумуляторном светильнике блок искрозащиты, который заявляется, работает так. В начальном состоянии, если управляющие контакты 17 разомкнуты и потребитель электроэнергии - фара 3 отключена от источника питания 16, триггер 11 находится в единичном состоянии, транзистор ключа 4 управления электронным ключом 1 открыт, и фиксирует нулевой потенциал на управляющем входе 5 электронного ключа 1. При этом электронный ключ 1 закрыт независимо от состояния управляющей схемы. При замыкании управляющих контактов 17 фара 3 подключается к аккумуляторной батарее источника питание 16 и на вход контроллера 14 из фары 3 через делитель напряжения R₃-R₄ поступает напряжение. Контроллер 14 коротким импульсом из выхода "Y₃" переводит триггер 11 в нулевое состояние. При этом транзистор ключа 4 управления электронным ключом 1 закрывается, снимая блокирование электронного ключа 1. На первом выходе "F₁" контроллера 14 генерируется импульсный сигнал, период которого является функцией напряжения источника питания 16, что дает возможность сделать скорость наращивания тока на фаре 3 практически независимой от величины напряжения источника питания. Этот сигнал поступает на удвоитель напряжения 12, на выходе которого формируется потенциал приблизительно равный удвоенному напряжению аккумуляторной батареи источника питания 16. Через интегрирующую цепь 13 и резистор R₅ этот потенциал поступает на управляющий вход 5 электронного ключа 1. Интегрирующая цепь 13 замедляет возрастание напряжения на управляющем входе 5 и потому ток через холодный волосок лампы фары 3 не будет превышать допустимого значения. При перегрузке или при коммутации сигнал от датчика 6 сигнала при перегрузках или датчика 7 сигнала при коммутации поступает через схему "ИЛИ" 10 и одновибратор 15 на триггер 11, который устанавливается в единичное состояние. При этом транзистор ключа 4 управления электронным ключом 1 открывается и на управляющем входе 5 электронного ключа 1 формируется нулевой потенциал, который приводит к закрытию электронного ключа 1 и отключению фары 3 от источника питания 16 независимо от значения потенциала на выходе интегрирующей цепи 13. Одновременно с этим сигнал из одновибратора 15 поступает на контроллер 14, который прекращает генерацию импульсов на выходе "F₁" и сигналом "Y₂ " на схему "ИЛИ" 10 фиксирует единичное состояние триггера 11, при котором электронный ключ 1 закрыт независимо от состояния управляющей схемы.

Для обеспечения заряда аккумуляторной батареи шахтерского светильника к зарядным контактам 18 и 19, которые смонтированы на фаре 3, подключается зарядное напряжение, которое выставляют с учетом падения напряжения на электронном ключе (0,035 В) для обеспечения заданного зарядного тока. Зарядный ток, который протекает по цепи: зарядный контакт 18 ("+" источника заряда) - аккумуляторная батарея 16 - "общий провод" блока искрозащиты (с первичными обмотками 9 и 8 трансформаторов датчика сигнала при коммутации 7 и датчика сигнала при перегрузках 6) - диод 20 - точка 2 соединение электронного ключа с потребителем электроэнергии, к которой подключен первый вход U₁ контроллера 14 - зарядный контакт 19 ("-" источника заряда), создает за счет падения напряжения на диоде 20 отрицательный электрический потенциал на входе контроллера 14. Контроллер, получив на входе этот сигнал начала заряда аккумуляторной батареи, управляющим потенциалом из выхода "Y₃ " переводит триггер 11 в нулевое состояние, блокируя при этом работу схемы защиты от перегрузки и коммутации. Одновременно на выходе "F₁" контроллера 14 генерируется импульсный сигнал, который, влияя на управляющий вход 5 электронного ключа 1, открывает его и в режиме работы фары 3. Но теперь электронный ключ 1, который выполнен в виде МДП-транзистора, работает в инверсном режиме. Так, как открытый электронный ключ 1 является для диода 20 шунтом (падение напряжения на электронном ключе - меньше 0,04 В, а на диоде - 0,7 В), то зарядный ток возрастет к номинальной величине. После этого контроллер 14 запускает счетчик времени и через, например, 12 часов прекращает генерировать сигнал на выходе У₃ и генерирует на выходе У₃ сигнал, который поступает через схему "ИЛИ" 10 и одновибратор 15 на триггер 11 и устанавливает его в единичное состояние. При этом транзистор ключа 4 управления 11 электронным ключом 1 открывается и на управляющем входе 5 электронного ключа 1 формируется нулевой потенциал, который приводит к закрытию электронного ключа 1. Теперь зарядный ток поступает на аккумуляторную батарею 16 через диод 20, который подключен параллельно электронному ключу 1. Но напряжение на аккумуляторной батарее, которое возросло после заряда, и падение напряжения на самом диоде значительно снижают зарядный ток (до 50-100 мА), что делает его безопасным при продолжительном заряде шахтерского светильника в режиме хранения. Такой зарядный ток не превышает величины тока подзарядки аккумуляторной батареи (300 мА), которая не выдана в эксплуатацию. В таком состоянии аккумуляторный светильник может находиться на зарядной станции в режиме хранения продолжительное время.

Кроме того, при заряде аккумуляторной батареи контроллер 14 имеет возможность через, например, каждые две минуты контролировать через делитель напряжения R₁-R₂ напряжение на аккумуляторной батарее, которая заряжается. Для повышения точности контроля напряжения на аккумуляторной батарее, которая заряжается, контроллер 14 имеет возможность закрывать электронный ключ 1 на момент этого контроля, что за счет уменьшения зарядного тока уменьшает влияние падения напряжения на аккумуляторной батарее на результат контроля. Если напряжение на аккумуляторной батарее во время заряда достигнет заданной величины, контроллер 14 генерирует на выходе сигнал "Y₂", который поступает через схему "ИЛИ" 10 и одновибратор 15 на триггер 11 и устанавливает его в единичное состояние, что приводит к закрытию электронного ключа 1 и переводит шахтерский светильник в режим хранения.

Так, при использовании блока искрозащиты, который заявляется, достигается технический результат, который состоит в упрощении конструкции при обеспечении высокой чувствительности и расширении функциональных возможностей блока искрозащиты. Кроме того, уменьшаются непроизводительные затраты электроэнергии на заряд аккумуляторных батарей больше необходимого, и упрощается подзарядка аккумуляторных батарей, которые не выданы в эксплуатацию, путем автоматического обеспечения их подзарядки в режиме хранения на той же, а не на другой зарядной станции.