ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
ELECTRONIC VOLTAGE SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания, где требуется коммутация обеих шин питания электронным ключом, основные параметры которого - ток утечки и падение напряжения на открытом ключе - подлежат определению.
Известен электронный коммутатор напряжения [1], содержащий последовательно соединенные первую шину питания, электронный ключ, блок нагрузки, датчик тока и вторую шину питания.
Недостаток этого коммутатора состоит в том, что он имеет электронный ключ для коммутации одной шины питания, что снижает его надежность в случае отказа одного ключа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является электронный коммутатор напряжения [2], содержащий первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания.
Недостаток этого коммутатора напряжения состоит в том, что он обладает низкой функциональной надежностью на стадии изготовления, так как в нем отсутствует возможность определения исправного состояния ключей за счет измерения основных его параметров: падения напряжения на открытом ключе и тока утечки ключей в закрытом состоянии.
Задача изобретения - повышение функциональной надежности электронного коммутатора напряжения на стадии изготовления за счет определения исправного состояния ключей путем измерения основных его параметров: падения напряжения на ключе в открытом состоянии (сопротивления открытого ключа) и тока утечки ключей в закрытом состоянии.
Решение этой задачи достигается тем, что в электронный коммутатор напряжения, содержащий первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания, при этом первый вывод первого резистора подключен к общей точке первого ключа и блока нагрузки, дополнительно введены первая, вторая, третья и четвертая шины измерения, первый и второй мультиплексоры, первые сигнальные входы которых соединены с первой шиной питания, вторые сигнальные входы мультиплексоров соединены со второй шиной питания, а входы управления первого и второго мультиплексоров подключены соответственно к первому и второму технологическим входам, первый вывод первого резистора соединен с первой выходной шиной измерения, второй вывод первого резистора соединен со второй выходной шиной измерения и выходом первого мультиплексора, первый вывод второго резистора соединен с третьей выходной шиной измерения и общей точкой второго ключа и блока нагрузки, второй вывод второго резистора соединен с четвертой выходной шиной измерения и выходом второго мультиплексора.
На чертеже приведена блок-схема электронного коммутатора напряжения. На этой схеме: 1 - первая шина управления, 2 - вторая шина управления, 3 - первый ключ, 4 - блок нагрузки, 5 - второй ключ, 6 - первый мультиплексор, 7 - первый резистор, 8 - второй резистор, 9 - второй мультиплексор, 10 - первый технологический вход, 11 - второй технологический вход, 12 и 13 - соответственно первая и вторая выходные шины измерения, 14 и 15 - соответственно третья и четвертая выходные шины измерения, 16 и 17 - соответственно первая и вторая шины питания.
Первая шина управления 1 соединена с входом управления первого ключа 3, вторая шина управления 2 соединена с входом управления второго ключа 5. Соединены последовательно первая шина питания 16, первый ключ 3, блок нагрузки 4, второй ключ 5 и вторая шина питания 17. Общая точка первого ключа 3 и блока нагрузки 4 соединена с первым выводом первого резистора 7 и первой выходной шиной измерения 12, общая точка второго ключа 5 и блока нагрузки 4 соединена с первым выводом второго резистора 8 и третьей выходной шиной измерения 14. Второй вывод первого резистора 7 соединен со второй выходной шиной измерения 13 и выходом первого мультиплексора 6, второй вывод второго резистора 8 соединен с четвертой выходной шиной измерения 15 и выходом второго мультиплексора 9. Первые сигнальные входы первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены с первой шиной питания 16, вторые сигнальные входы первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены со второй шиной питания 16. Входы управления первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены соответственно с первым 10 и вторым 11 технологическими входами.
1
2
K1
K2
УТ1
УТ2
Электронный коммутатор напряжения работает следующим образом. Если на первую шину управления 1 подан сигнал В=0 (низкий уровень) и на вторую шину управления 2 подан сигнал В=0, то оба ключа 3 и 5 закрыты. Пусть сопротивление первого закрытого ключа 3 равно R, а сопротивление второго закрытого ключа 5 равно R, при этом ток утечки J первого ключа 3 и ток утечки Jвторого ключа 6 определим в виде
1
2
где U и U- соответственно напряжение на первом 3 и втором 5 ключах.
1
2
П
1
2
1
2
К1
К2
H
OK1
OK2
При подаче на первую шину управления 1 сигнала В=1 (высокий уровень) и на вторую шину управления 2 сигнала В=1 открываются первый 3 и второй 5 ключи и на блок нагрузки 4 поступает напряжение питания U=(Е-Е), где Е - потенциал на первой шине питания 16, Е - потенциал на второй шине питания 17. Сопротивление первого открытого ключа 3 обозначим r, а сопротивление второго открытого ключа 5 обозначим r. Если ток блока нагрузки 4 равен J, то падения напряжения на первом ключе 3 U и на втором ключе 5 U связаны соотношением
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Будем считать, что при поступлении на вход управления первого 6 (второго 9) мультиплексора сигнала Т=0 (Т=0) выход F первого мультиплексора (выход F второго мультиплексора) подключается к первому сигнальному входу С(С). При поступлении на вход управления мультиплексоров сигналов Т=1 (Т=1) выход F(F) подключается ко второму сигнальному входу D(D).
OK1
0K2
H
1
1
1
2
2
2
1
2
1
1
OK1
1
2
2
OK2
0K1
0K2
H
К1
K2
Пусть требуется определить падение напряжения U на первом 3 и U на втором 5 ключах при токе в нагрузке J. Подадим на первый 10 и второй 11 технологические входы соответственно сигналы Т=0 (первый сигнальный вход С первого мультиплексора 6 подключается к его выходу F) и Т=1 (второй сигнальный вход D второго мультиплексора 9 подключается к его выходу F), а на входы управления первого 3 ключа сигнал В=1 и второго ключа 5 сигнал В=1. В этом случае падение напряжения U на первом 7 резисторе R будет равно падению напряжения U на первом ключе 3 (первый 7 резистор R включен параллельно первому ключу 3), а падение напряжения U на втором 8 резисторе R будет равно падению напряжения Uна втором ключе 5 (второй 8 резистор R2 включен параллельно второму ключу 5). Падение напряжения U фиксируется на первой 12 и второй 13 выходных шинах измерения, падение напряжения Uфиксируется на третьей 14 и четвертой 15 выходных шинах измерения. При известном токе нагрузки Jможно определить сопротивление первого открытого ключа 3 r и сопротивление второго открытого ключа 5 r в соответствии с (2).
1
2
Выберем сопротивления R и R из соотношений (3)
H
И3M1
И3M2
1
2
H
И3M1
И3M2
где R сопротивление нагрузки. В этом случае при открытых ключах 3 и 5 токи измерения J и J, протекающие соответственно в цепи сопротивлений R и R, много меньше тока в нагрузке J и токи измерения J и J можно не учитывать.
ут1
1
2
1
2
1
2
1
2
ут1
1
2
К2
2
yт1
1
2
1
ут11
2
ут12
Определим ток утечки J, первого ключа 3. Сформируем сигналы В=О, В=О, Т=1, Т=1. В этом случае первый 3 и второй 5 ключи закрыты, вторые сигнальные входы D первого мультиплексора 6 и D второго мультиплексора 9 подключаются соответственно к выходам F и F. Ток утечки J, первого ключа 3 будет протекать как по цепи первого 7 резистора R, так и по цепи второго 8 резистора R. Так как согласно (3) R » R, то в цепи второго ключа 5 протекание части тока утечки J первого ключа 3 будет незначительным и этой частью тока можно пренебречь. Измерим напряжения U на шинах 12 и 13 и U на шинах 13 и 14. Ток в цепи первого 7 резистора R обозначим J ток в цепи второго 8 резистора R обозначим J. Имеем соотношения
ут1
1
2
1
2
1
2
1
2
Соотношение (6) определяет значение тока утечки J первого ключа 3. Таким образом, при входных сигналах В=0, В=0, Т=1, Т=1 путем измерения напряжений Uи U на шинах 12 и 13 и на шинах 14 и 15 при известных сопротивлениях первого 7 резистора R и второго 8 резистора R можно определить значение тока утечки первого ключа 3 согласно (6).
ут2
1
2
1
2
1
2
1
2
yт2
1
2
K1
1
ут2
1
2
1
ут21
2
ут22
Определим ток утечки J второго ключа 5. Сформируем сигналы В=0, В=0, Т=0, Т=0. В этом случае первый 3 и второй 5 ключи закрыты, первые сигнальные входы С первого мультиплексора 6 и С второго мультиплексора 9 подключаются соответственно к выходам F и F. Ток утечки J второго ключа 5 будет протекать как по цепи первого 7 резистора R, так и по цепи второго 8 резистора R. Так как согласно (3) R>>R, то в цепи первого ключа 3 протекание части тока утечки J второго ключа 5 будет незначительным и этой частью тока можно пренебречь. Измерим напряжения U на шинах 12 и 13 и U на шинах 13 и 14. Ток в цепи первого 7 резистора R обозначим J, ток в цепи второго 8 резистора R обозначим J. Имеем соотношения
ут2
1
2
1
2
1
2
1
2
Соотношение (9) определяет значение тока утечки J второго ключа 5. Таким образом, при входных сигналах В=0, В=0, Т=0, Т=0 путем измерения напряжений U и U на шинах 12 и 13 и на шинах 14 и 15 при известных сопротивлениях первого 7 резистора R и второго 8 резистора R можно определить значение тока утечки второго ключа 5 согласно (9).
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает измерение основных параметров ключей: падения напряжения на открытом ключе (сопротивления открытого ключа) и тока утечки ключей в закрытом состоянии.
1
2
3
Покажем, что возможность измерения основных параметров ключей повышает функциональную надежность электронного коммутатора напряжения на стадии его изготовления. Надежность каждого элемента на данный момент времени определяется технологией его изготовления и зависит от многих факторов. Вместе с тем, выходные параметры элемента характеризуют его состояние и по их значениям можно судить о его надежности. Если, например, какие - либо параметры элемента находятся на границе (или за границей) дозволенных значений, то такой элемент менее надежен (или ненадежен). В процессе изготовления электронного коммутатора напряжения такие элементы возможно выявить на любой стадии путем измерения основных параметров и заменить их на более надежные элементы. Если при изготовлении известного электронного коммутатора напряжения [2] установлено, например, два "ненадежных" элемента с надежностью Р и четыре "надежных" элемента с надежностью Р, то надежность Р такого устройства будет равна
2
4
При изготовлении предлагаемого электронного коммутатора напряжения за счет возможности измерения основных параметров ключей и выявления "ненадежных" элементов будут установлены все "надежные" элементы с надежностью Р. Надежность Р предлагаемого устройства будет равна
1
2
3
4
При Р=0,9 и Р=0,99 надежность известного устройства Р=0,78, а надежность предлагаемого устройства Р=0,94.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, мультиплексоры, резисторы.
Литература
1. Патент Российской Федерации №2208292, Кл. Н03К 17/08, 2003 г.
2. Патент Российской Федерации №2210183, Кл. Н03К 17/08, 2003 г.