Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №1

Интегральные микросхемы токовой защиты серии К294ХП1

Барановский Дмитрий


Сегодня разработчики аппаратуры не испытывают недостатка в разнообразных элементах зашиты электрических цепей от перегрузок по току. Однако типовые схемотехнические решения далеки от идеальных из-за многообразия причин, по которым может возникнуть угроза повреждения оборудования аномально высоким током, и физических ограничений, присущих самим элементам защиты от перегрузок. Новое семейство гибридных интегральных микросхем компании «СИНТЭК» [1] пополняет арсенал средств, предотвращающих выход техники из строя.

Простота и доступность полимерных элементов токовой защиты, таких как самовосстанавливающиеся предохранители PolySwitch, обеспечили им популярность у конструкторов РЭА. Однако разработчикам приходится мириться с целым рядом ограничений [2].

Так, PolySwitch предназначен для защиты электрических цепей только от непродолжительных аварийных перегрузок по току. Он не рассчитан на использование в условиях, когда перегрузка является одним из режимов функционирования. Продолжительная работа прибора в аварийном режиме или большое количество срабатываний приводит к деградации его электрических параметров. В то же время, значительная инерционность самовосстанавливающегося полимерного предохранителя оставляет аппаратуру без защиты от кратковременных перегрузок по току. Не добавляет уверенности разработчику и неопределенность поведения полимерных элементов токовой защиты в диапазоне токов от рабочего до срабатывания. Соотношение этих токов у PolySwitch может варьироваться от 1:1,7 до 1:3, а на сам процесс срабатывания влияет множество факторов, важнейшими из которых являются температура окружающей среды и динамические характеристики тока при перегрузке. Не лишним будет помнить и о конструктивных ограничениях. Так, заливка жестким компаундом препятствует расширению полимерного элемента токовой защиты во время срабатывания. Напротив, если материал компаунда слишком мягок, может пострадать способность прибора к теплопередаче. В обоих случаях устройство токовой защиты на базе PolySwitch не сможет реализовать свои функции.

Перечисленных недостатков практически лишены специальные электронные схемы защиты от токовых перегрузок [3], но они, как правило, громоздки и дороги.

Интегральные микросхемы токовой защиты (ИМТЗ) серии К294ХП1 созданы на базе инерционного оптоэлектронного коммутатора с нормально замкнутыми контактами на полевых транзисторах со встроенным каналом [4]. ИМТЗ выпускаются в корпусе 4LSIP4 или в безвыводном корпусе для поверхностного монтажа типа CSP с размерами 5×10×3 мм (рис. 1). Микросхема в совокупности с внешними, задающими токи срабатывания, элементами образует двухвыводное устройство защиты, которое включается в разрыв линии связи. Пример функциональной схемы такого устройства представлен на рис. 2, а его статическая вольт-амперная характеристика — на рис. 3а.

Рис. 1. Внешний вид интегральных микросхем токовой защиты
Рис. 2. Функциональная схема двухвыводного устройства токовой защиты
Рис. 3. ВАХ двухвыводного устройства токовой защиты: кривая а — на постоянном токе; кривая б — на переменном токе промышленной частоты при перегрузке

В безаварийном режиме ИМТЗ находится во включенном низкоомном состоянии, которое характеризуется сопротивлением Rвкл.. При этом начальный участок вольт-амперной характеристики (участок I на кривой а рис. 3) двухвыводного устройства защиты практически линеен для постоянного тока или переменного тока звуковой частоты. Вносимое в линию устройством защиты сопротивление складывается из сопротивления микросхемы во включенном состоянии Rвкл. и сопротивления внешнего токозадающего резистора Rогр..

Если в результате роста тока в линии падение напряжения на резисторе Rогр. станет равным пороговому значению Uпор.1, ИМТЗ, оставаясь во включенном состоянии, переходит в режим ограничения тока (участок II на на кривой а рис. 3). Величина тока срабатывания Iср1 и тока, потребляемого входом 3 микросхемы для поддержания такого режима, не превышает 200 мкА.

Требуемая величина тока ограничения Iогр. задается внешним резистором Rогр., сопротивление которого рассчитывается по формуле:

При выборе режима работы устройства защиты следует учитывать, что в нормальных условиях ИМТЗ длительное время может рассеивать мощность Рдоп. не более 0,18 Вт. Для борьбы с достаточно мощными кратковременными помехами или сбоями на защищаемой линии величина допустимой мощности рассеяния микросхемы Рдоп. имп. может быть увеличена до 0,45 Вт при длительности импульса перегрузки не более 1 с.

После перехода устройства защиты в режим ограничения тока дальнейшее развитие аварийной ситуации на линии может привести к тому, что величина постоянного напряжения или действующего значения переменного напряжения на входе 1 микросхемы превысит пороговое значение Uпор.2. В этом случае ИМТЗ переходит в высокоомное (выключенное) состояние, характеризуемое микроамперными токами утечки Iут. (участок III на на кривой а рис. З). В зависимости от ожидаемой величины постоянного аварийного напряжения Uав. или действующего значения переменного аварийного напряжения Uав.(д.) выбирается оптимальный по электрическим характеристикам типономинал микросхемы (табл. 1). Величина потребляемого входом 1 тока срабатывания Iср.2, при котором начнется переход микросхемы в высоокомное состояние, составляет всего несколько сотен микроампер. Однако для надежного отключения линии необходимо, чтобы внешний токозадающий элемент (в качестве этого элемента может выступать резистор, конденсатор или специальный источник тока) обеспечивал поддерживающий выключенное состояние ток Iвыкл. через вход 1 микросхемы на уровне нескольких миллиампер. Вход 1 имеет характеристику стабилитрона. При этом, устанавливая режим работы микросхемы, необходимо проверить, не превысит ли рассеиваемая ею мощность допустимую.

Таблица 1. Электрические параметры микросхем серии К294ХП1 (Tокр. = 25 °С)

Если требуемая величина постоянного напряжения или действующего значения переменного напряжения Uвыкл., при котором двухвыводное устройство защиты переходит в выключенное состояние, задается резистором Rвыкл., то его величина может быть рассчитана по следующей формуле:

Следует отметить, что время срабатывания (переход из включенного состояния в выключенное) составляет всего несколько сотен микросекунд, а время восстановления (переход из высокоомного состояния в низкоомное) занимает время, измеряемое уже долями секунды. Благодаря этой особенности микросхемы, при воздействии на электрическую линию высокого напряжения промышленной частоты с действующим значением более Uвыкл. двухвыводное устройство защиты как бы «зависает» в высокоомном состоянии, не успевая включаться при изменении направления тока. При этом его вольт-амперная характеристика приобретает вид, представленный на кривой б рис. 3.

Впервые интегральную микросхему токовой защиты серии К294ХП1 применили специалисты петербургского НПО «Инженеры электросвязи» [5] для зашиты АТС от контакта линий проводной связи с промышленными электросетями в случае аварии [6]. На рис. 4 представлена функциональная схема модуля кроссовой защиты, построенного с применением двухвыводной микросборки CL356 (ее основные электрические параметры приведены в таблице 2).

Рис. 4. Функциональная схема кроссовой защиты
Таблица 2. Электрические параметры микросборки CL356 (Токр. = 25 °С)

Благодаря тому, что величина тока срабатывания Iср.2, при котором двухвыводное устройство защиты CL356 переходит в выключенное состояние, задается конденсатором, только перегрузка по переменному напряжению с действующим значением более Uвыкл. воспринимается ИМТЗ как авария, а протекание постоянного тока не приводит к отключению линии. Это обеспечило нормальное функционирование модуля кроссовой защиты в режимах, когда рабочие сигналы, такие как «посылка вызова» или «индукторный сброс», могли быть восприняты как перегрузка, и позволило эффективно бороться с аварийными напряжениями промышленной частоты по величине намного ниже уровня срабатывания традиционных элементов защиты.

Надежное ограничение амплитуды тока в линии, высокое быстродействие при срабатывании, отсутствие деградации электрических характеристик после длительного или многократного воздействия аварийного режима стали основой для дальнейшего расширения сфер применения ИМТЗ серии К294ХП1. Например, эффективным оказалось использование описанной микросхемы для зашиты цепи управления высокоомной нагрузкой от короткого замыкания. Возможность раздельной настройки ИМТЗ на постоянную и переменную составляющие аварийного тока позволило создать надежную защиту оборудования и персонала от воздействия «блуждающих токов», возникающих из-за индуктивного влияния промышленных электросетей на линии проводной связи. Дополнительные возможности открывают разработчикам аппаратуры интегральные микросхемы токовой зашиты серии К294ХП1 со встроенной аварийной светодиодной индикацией и значительно более низкой величиной вносимого в линию сопротивления.

Литература

  1. www.syntec.orel.ru
  2. Курышев К. Все, что вы хотели узнать о PolySwitch, но боялись спросить // Компоненты и технологии. 2006. № 3.
  3. Патент США № 4475012, кл. Н04М 1/31, опубликован 02.10.84.
  4. Заявка № 2005106970/09 от 10.03.2005. Устройство защиты от токовых перегрузок. Авторы: Барановский Д. М., Терентьев Д. Е., Федосов В. С.
  5. www.commeng.ru
  6. Пашкевич А. Ю., Сергеев А. В. Совместная разработка производителей оборудования связи и компонентов // Техника связи. 2006. № 3.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке