УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
APPARATUS FOR DETECTING SWITCH STATE

Настоящее изобретение касается устройства детектирования состояния выключателя, позволяющего с точностью детектировать замкнутое и/или разомкнутое положение выключателя.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В рамках настоящего изобретения выключатель является электронным устройством, позволяющим прерывать или устанавливать прохождение тока. Существуют разные типы выключателей, такие как выключатели механического действия, электромагнитного действия, реле. Настоящее изобретение применимо для любого типа выключателя, в котором между разомкнутым и замкнутым состоянием существует разница, измеряемая значением электрической величины, такой, например, как напряжение на контактах выключателя, сопротивление выключателя, ток, проходящий через выключатель, мощность, расходуемая выключателем и т.д. Упомянутая электрическая величина характеризует состояние выключателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В нормальном состоянии, когда разомкнутый выключатель 1 (фиг.1) замыкается (фиг.2), напряжение U на его контактах становится нулевым (U=0) или практически нулевым. Однако, когда выключатель используют редко, это приводит к некорректной работе: как показано на фиг.3, выключатель 1 имеет на своих контактах существенное для замкнутого состояния сопротивление 2, называемое Rint. Это объясняется многими причинами: влажность, загрязненность контактов и т.д. Как показано на фиг.3, согласно закону Ома напряжение U на контактах выключателя равно произведению его сопротивления Rint на силу проходящего через него тока I (U=Rint*I).
Это влияет на считывание информации, передаваемой выключателем. Так, информация, относящаяся к замыканию контакта, не передается в требуемый момент или не передается совсем. Например, датчики “Pitch trim” (выключатели), установленные на ручке управления пилота или второго пилота в кабине экипажа самолета, позволяют выравнивать тангаж самолета; в случае плохой работы этих датчиков информация, исходящая от манипулирования ручкой управления, не поступает или поступает в недостаточной степени в полетные вычислительные устройства, что может, в частности, вызвать проблемы безопасности
Задачей настоящего изобретения является точное детектирование размыкания и/или замыкания выключателя, чтобы информация, передаваемая выключателем, была надежна и используема системой, получающей упомянутую информацию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Принцип предлагаемого решения заключается в определении как замкнутого, так и разомкнутого состояния при прохождении порога значения электрической величины, характеризующей состояние выключателя, и, например, значения сопротивления выключателя: выключатель считается замкнутым, если значение сопротивления выключателя ниже Rfermé (например, 5 кОм), и разомкнутым, если значение сопротивления выключателя выше Rouvert (например, 10 кОм).
Настоящее изобретение может также использовать значение напряжения на контактах сопротивления выключателя: выключатель считается замкнутым, если значение напряжения на контактах выключателя ниже Vfermé, и разомкнутым, если значение напряжения на контактах выключателя выше Vouvert.
Объектом настоящего изобретения является устройство детектирования состояния выключателя, содержащее выключатель, схему питания упомянутого выключателя, отличающееся тем, что содержит схему детектирования, выдающую сигнал определенного значения (VpullUp), когда значение электрической величины (Rint), характеризующей состояние выключателя, ниже порога, называемого нижним порогом (Rfermé), и/или сигнал другого значения, когда значение упомянутой электрической величины выше порога, отличного от нижнего порога и называемого верхним порогом (Rouvert).
Одним из преимуществ устройства в соответствии с настоящим изобретением является точность детектирования размыкания и замыкания выключателя, при каком-либо ухудшении физического состояния выключателя. Даже если выключатель имеет сопротивление в замкнутом состоянии, устройство детектирует упомянутое состояние за счет прохождения тока.
Согласно особенному варианту воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением, упомянутая электрическая величина является сопротивлением Rint выключателя, и схема (4) детектирования выдает сигнал, когда значение сопротивления ниже нижнего порога сопротивления (R<Rfermé), и/или сигнал другого значения, когда значение сопротивления выше верхнего порога сопротивления (R>Rouvert).
Один из сигналов указывает на состояние замыкания, а другой сигнал - на состояние размыкания.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением точно и ясно указывает на состояние размыкания и замыкания выключателя.
Согласно упомянутому особенному варианту воплощения, схема детектирования выдает на выходе два значения разных величин: первое значение, при котором выключатель считается в замкнутом состоянии, когда сопротивление Rint ниже первого порога сопротивления (R<Rfermé), и второе значение, при котором выключатель считается в разомкнутом состоянии, когда сопротивление Rint выше второго порога сопротивления (R<Rouvert).
Согласно особенному варианту воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением, устройство содержит схему согласования, выдающую напряжение в зависимости от значения сопротивления выключателя на входе упомянутой схемы детектирования.
Согласно особенному варианту воплощения схемы детектирования, схема детектирования в соответствии с настоящим изобретением содержит гистерезисную схему, выдающую первое значение напряжения на выходе (VD=VpullUp) при напряжении на входе, ниже первого порога напряжения (VhyHigh), и второе значение напряжения на выходе (VD=0) при напряжении на входе, выше второго порога напряжения (VhyLow). Гистерезисная схема содержит питание и сопротивления с такими значениями, что она создает ток, позволяющий очистить контакт выключателя.
Согласно особенному варианту воплощения схемы согласования, схема согласования в соответствии с настоящим изобретением содержит резистивный мост, выдающий напряжение на выходе, в зависимости от значения сопротивления выключателя, сопротивлений и питания.
Согласно особенному варианту применения, настоящее изобретение относится к системе управления полетом, оборудованной устройством детектирования состояния выключателя в соответствии с настоящим изобретением.
Согласно особенному варианту применения, настоящее изобретение относится к летательному аппарату, оборудованному устройством детектирования состояния выключателя в соответствии с настоящим изобретением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие цели, преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания устройства в соответствии с настоящим изобретением, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 и 2 - схематичный и теоретический вид выключателя соответственно в разомкнутом состоянии и в замкнутом состоянии.
Фиг.3 - схематичный вид выключателя в замкнутом состоянии, имеющего в реальной ситуации существенное сопротивление.
Фиг.4 - упрощенный схематичный вид различных схем, которые содержит устройство в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - электронная схема варианта воплощения схемы детектирования, показанной на фиг.4.
Фиг.6 - диаграмма, показывающая работу варианта воплощения схемы детектирования, показанной на фиг.5, а именно значений напряжения на выходе в зависимости от значений напряжения на входе упомянутой схемы детектирования.
Фиг.7 - электронная схема варианта воплощения схемы согласования, показанной на фиг.4.
Фиг.8 - электронная схема части схемы согласования, дополняющей схему, показанную на фиг.7.
Фиг.9 - электронная схема варианта воплощения схемы формирования, показанной на фиг. 4.
Фиг.10 - диаграмма, показывающая работу варианта воплощения схемы формирования, показанной на фиг.9, а именно значений напряжения на выходе в зависимости от значений напряжения на входе упомянутой схемы формирования.
Фиг.11 - электронная схема варианта воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением.
ВАРИАНТ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство 3 в соответствии с настоящим изобретением предназначено для детектирования и передачи информации о состояниях выключателя 1: замкнутом состоянии и разомкнутом состоянии. Для этого устройство 3 в соответствии с настоящим изобретением основывается на электрической величине, характеризующей состояние выключателя 1, например, напряжение на контактах выключателя 1 (U=0, когда выключатель замкнут; U<>0, когда выключатель разомкнут), сопротивление выключателя (Rint=0, когда выключатель замкнут; Rint<>0, когда выключатель разомкнут), ток, проходящий через выключатель (I=0, когда выключатель разомкнут; I<>0, когда выключатель замкнут)…
Как показано на фиг.4, настоящее изобретение содержит схему 4 детектирования, выдающую сигнал определенного значения, указывающий на разомкнутое (или замкнутое) состояние, когда значение упомянутой величины ниже порога, и/или сигнал другого значения, указывающий на замкнутое (или разомкнутое) состояние, когда значения упомянутой электрической величины выше второго порога, отличного от первого. Таким образом, несмотря на существование сопротивления или не нулевого напряжения на контактах замкнутого выключателя, устройство детектирует замкнутое состояние выключателя при помощи промежуточного состояния порога (U<Useuil или R<Rseuil).
Устройство 3, показанное на фиг.4, содержит схему 4 детектирования выключателя 1, питаемую схемой 5 питания, и опционально схему 6 согласования/фильтрования, схему 7 формирования и схему 8 защиты.
Схема 6 согласования позволяет, в частности, устанавливать зависимость сигнала, передаваемого на схему 4 детектирования, от величины, характеризующей состояние выключателя. Схема 7 формирования изменяет сигнал, выдаваемый схемой 4 детектирования, чтобы он мог быть считан схемой, получающей информацию, относящуюся к состоянию выключателя. Схема 8 защиты предохраняет схему 5 питания выключателя 1.
В особенном варианте воплощения, показанном на фиг.5-11, настоящее изобретение содержит схему 4 детектирования, позволяющую выдавать первый сигнал, соответствующий замкнутому состоянию, когда значение сопротивления выключателя ниже порога Rfermé (Rint<Rfermé), и выдавать второй сигнал, соответствующий разомкнутому состоянию, когда значение сопротивления выше порога Rouvert (Rint>Rouvert), отличного от упомянутого порога Rfermé. Существует диапазон значений сопротивления выключателя, при котором состояние неопределено между Rfermé и Rouvert. Схемы могут быть выполнены так, чтобы указывать замкнутое состояние, когда значение сопротивления выключателя выше порога Rouvert (Rint>Rouvert), и разомкнутое состояние, когда значение сопротивления ниже порога Rfermé (Rint<Rfermé), отличного от упомянутого порога Rouvert. В варианте воплощения, подробно описанном ниже, и как будет понятно далее, достаточно, например, инвертировать триггерную схему, показанную на фиг.9.
Как показано на фиг.4, выключатель 1 питается схемой 5 питания.
A
A
Для детектирования значения сопротивления выключателя настоящее изобретение содержит схему 6 согласования, позволяющую вместе со схемой 5 питания устанавливать зависимость величины (например, напряжения V), передаваемой на схему 4 детектирования, от сопротивления выключателя Rint. Схема согласования согласует величину, характеризующую состояние выключателя (в представленном примере Rint), для передачи на схему 4 детектирования (в представленном примере посредством напряжения V). Схема 6 согласования предназначена также для пропускания достаточного тока через сопротивление выключателя Rint в замкнутом состоянии для «очистки контакта выключателя».
Схема 6 согласования является опциональной: действительно, в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения схема 4 детектирования может напрямую детектировать величину, характеризующую состояние выключателя (например, когда используемой величиной является напряжение).
D
A
Устройство 3 опционально содержит схему 7 формирования, обеспечивающую согласование информации, передаваемой схемой 4 детектирования (например, напряжение V), с системой, предназначенной для ее получения, как например, в вышеупомянутом случае датчика “Pitch Trim” - согласование с требованиями, предъявляемыми вычислительным устройством. В представленном примере датчик соединен с полетным вычислительным устройством через FPGA (Field Programmable Gate Array - Программируемая вентильная матрица): схема 7 формирует сигнал, выдаваемый схемой 6 согласования V, для его считывания матрицей FPGA. В действительности матрица FPGA требует быстрых передних и задних фронтов в зависимости от типа составляющей. Схема формирует выровненные фронты для считывания матрицей FPGA.
D
A
D
A
A
D
Согласно особенному варианту воплощения изобретения, представленному в качестве примера на фиг.5, схема 4 детектирования содержит гистерезисный компаратор 9. На фиг.6 показано напряжение V, выдаваемое гистерезисным компаратором в зависимости от входного напряжения V. На выходе схема 4 детектирования выдает напряжение V, которое зависит от напряжения V, присутствующего на входе. В данном варианте воплощения, который будет описан подробнее ниже, схема 6 согласования и схема 5 питания позволяют выдавать напряжение V на вход схемы 4 детектирования, которое зависит от сопротивления выключателя (Rint). Таким образом, схема 4 детектирования выдает на выходе сигнал V, который зависит от сопротивления выключателя Rint. Значения компонентов и, в частности, сопротивлений и схем питания, включенных в обе упомянутые схемы, выбирают таким образом, чтобы детектировать желаемые значения сопротивления для определения состояний размыкания и замыкания.
Далее следует более подробное описание работы каждой из схем в вариантах, показанных на фиг.5-11.
A
Как показано на фиг.7, схемы 8 защиты и 6 согласования не разделены, как на фиг.4. Согласно вариантам воплощения, схемы, реализующие функции, показанные на фиг.4, могут быть выполнены по-разному. Выключатель 1 питается от схемы 5 питания +15 В. Напряжение питания и/или значения сопротивлений 10 (R1) и 11 (R2) выбирают таким образом, чтобы выдавать достаточный ток для «очистки контакта выключателя». Схема 6 согласования позволяет считывать сопротивление выключателя 1 Rint через резистивный мост, образованный сопротивлениями 10 (R1), 2 (Rint) и 11 (R2), питание 5 и напряжение V, выдаваемое на схему 4 детектирования.
A
Как известно, напряжение V для резистивного моста, показанного на фиг.7, равно:
A
Напряжение V, выдаваемое на схему 4 детектирования, таким образом, зависит от сопротивления 2 выключателя Rint.
A
A
Схема 6 согласования содержит диод 12, включенный между питанием 5 выключателя и входом выключателя 1. В представленном варианте воплощения диод 12 находится между выходом резистора 10 и входом выключателя 1. Диод защищает питание 5 выключателя 1 от возможных напряжений V слишком высокого значения (в данном случае выше +15 В), приложенного по ошибке к диоду 12, когда выключатель 1 не подключен к схеме 4 детектирования. В этом случае напряжение V, подаваемое на вход схемы 4 детектирования, имеет значение:
и по-прежнему зависит, таким образом, от сопротивления 2 выключателя Rint.
Питание 5 должно быть также защищено от подсоединения на массу диода 12: в этом случае речь идет о коротком замыкании питания на массу. Для этого значения сопротивлений выбирают таким образом, чтобы избежать слишком большого рассеяния мощности сопротивлением 10.
A
Значения сопротивлений R1 и R2 выбирают таким образом, чтобы иметь минимальный ток, называемый «током очистки» (например, порядка 10 мА), протекающий в выключателе 1 в замкнутом положении, и не слишком значительное напряжение V по отношению к напряжению, допустимому для гистерезисной схемы (например, порядка 5 В). Ток I, протекающий в выключателе, равен:
A
Резисторы 10 и 11 (R1 и R2) выбирают в представленном примере таким образом, чтобы I > 10 мА и U < 5 В, когда сопротивление выключателя стремится к нулю. Действительно, необходимо, чтобы напряжение V не слишком превышало напряжение, допустимое для гистерезисного компаратора.
Схема 6 согласования может также выполнять функцию фильтрования. На фиг.8 показан узел фильтрования, подключаемый к выходу схемы, показанной на фиг.7.
A
Сопротивление R2 схемы, показанной на фиг.8, соответствует сопротивлению, показанному на фиг.7; как было показано выше, оно входит в вычисление напряжения V. Система R3C, показанная на фиг.8, является фильтром граничной частоты:
Согласно особенному варианту воплощения, сопротивление R3 устанавливают в 100 кОм. Чтобы граничная частота на выходе этого блока находилась между 50 Гц и 100 Гц, значение емкости С должно быть равно 22 нФ. Полученная граничная частота является слабой для фильтрования возможных скачков в выключателе, которые связаны с ошибочными манипуляциями.
A
D
A
D
D
A
Напряжение V, которое является функцией значения сопротивления 2 выключателя, как было указано выше, подается на вход гистерезисной схемы 9. На фиг.6, где показаны значения напряжения на выходе в зависимости от значений напряжения на входе гистерезисной схемы, выходное значение V принимает два разных значения согласно входному напряжению V: если выходное напряжение V ниже Vhy High, то напряжение на выходе схемы V равно VpullUp, и, если напряжение на входе V выше Vhy Low, то напряжение на выходе схемы равно нулю. Таким образом, гистерезисная схема позволяет точно детектировать размыкание и замыкание: как было указано выше, выключатель считается замкнутым, если сопротивление Rint выключателя ниже порогового значения Rfermé (связанного с VhyHigh) (например, 5 кОм). Когда сопротивление Rint выключателя ниже порогового значения Rfermé (связанного с VhyLow),
A
- напряжение на входе гистерезисной схемы, равное выходному напряжению V схемы согласования и, следовательно, зависящее от сопротивления выключателя Rint (и, в частности, от 1/Rint согласно вышеупомянутой формуле), выше порогового напряжения VhyLow;
- напряжение на выходе гистерезисной схемы в этом случае равно 0.
Таким образом, когда выходное напряжение гистерезисной схемы 9 равно 0, выключатель считается замкнутым, так как он посылает сигнал на выход схемы 7 формирования (триггер 18), то есть, как будет показано далее в описанном варианте воплощения, соответствующий верхнему состоянию.
Пока сопротивление Rint выключателя остается ниже второго порогового значения Rouvert, то есть пока напряжение на входе гистерезисной схемы выше порогового значения VhyHigh, напряжение на выходе гистерезисной схемы равно 0. Выключатель считается замкнутым.
Точно так же, выключатель считается разомкнутым, когда сопротивление Rint выключателя выше порогового значения Rouvert (например, 10 кОм). Когда сопротивление Rint выключателя выше порогового значения Rouvert,
A
- напряжение на входе гистерезисной схемы, равное выходному напряжению V схемы согласования и, следовательно, зависящее от сопротивления выключателя Rint (и, в частности, от 1/Rint согласно вышеупомянутой формуле), ниже порогового напряжения VhyHigh;
- напряжение на выходе гистерезисной схемы в этом случае равно VpullUp.
Таким образом, если выходное напряжение гистерезисной схемы 7 равно VpullUp, выключатель считается замкнутым, так как она посылает сигнал на выходе схемы 7 формирования (триггер 18), то есть, как будет показано далее в описанном варианте воплощения, соответствующий нижнему состоянию.
Пока сопротивление Rint выключателя остается выше второго порогового значения Rfermé, то есть пока напряжение на входе гистерезисной схемы ниже порогового напряжения VhyLow, напряжение на выходе гистерезисной схемы равно VpullUp. Выключатель считается разомкнутым.
Таким образом, если сопротивление Rint выключателя находится между пороговым значением Rfermé замыкания и пороговым значением Rouvert размыкания или равно этим пороговым значениям, напряжение на выходе гистерезисной схемы сохраняет значение предыдущего состояния.
Если во время включения или повторной инициализации или аналогичного действия сопротивление принимает значение, находящееся между Rouvert и Rfermé, схема выдает значение по умолчанию. На выходе настоящего устройства предусмотрена задержка по времени, чтобы оставить ему время для выдачи сигнала, соответствующего состоянию выключателя.
D
Нижеследующая таблица связывает выходное напряжение V схемы 4 со значениями входного напряжения, что позволяет получить информацию о значении сопротивления выключателя:
Сопротивление выключателя
Напряжение V<sub>A</sub>
Напряжение V<sub>D</sub>
Замкнутый выключатель
< Rfermé (5 кОм)
> Vhy low
0 В
Разомкнутый выключатель
> Rouvert (10 кОм)
< Vhy high
VpullUp
Замкнутый выключатель
Rfermé≤R≤Rouvertи V<sub>D</sub> (t-1)=0
> Vhy low
0 В
Разомкнутый выключатель
Rfermé≤R≤Rouvertи VD(t-1)= VpullUp
< Vhy low
VHyHigh
D
D
V(t-1) обозначает значение V в предыдущий момент.
Сопротивления Rfermé и Rouvert выбирают таким образом, чтобы получать сигнал, соответствующий точному состоянию выключателя. Таким образом, если для выбранного выключателя пороговое значение Rfermé, выше которого выключатель считается замкнутым, составляет конструктивно 4 кОм, выбранное значение может быть, например, 5 кОм для обеспечения предела погрешности. Вместе с тем, пороговые значения выбирают таким образом, чтобы между ними не было никакого перекрывания: соотношение Rfermé≤Rouvert получить невозможно. Таким образом, каждое значение сопротивления представляет только одно состояние выключателя.
Как известно гистерезисные пороги VhyLow и VhyHigh получают при помощи классических формул, зависящих от сопротивлений и питания гистерезисной схемы 9, показанной на фиг.5:
Значения сопротивлений 13(R4), 15(R5) и 15(R6) и питания 16 (в данном случае +5В) гистерезисной схемы выбирают таким образом, чтобы иметь напряжение VhyLow, соответствующее сопротивлению выключателя Rfermé = 5 кОм, и напряжение VhyHigh, соответствующее сопротивлению выключателя Rouvert=10 кОм. Пороговые значения 5 кОм и 10 кОм выбирают таким образом, чтобы наилучшим образом характеризовать состояние размыкания и замыкания упомянутого резистора после его тестирования. Эти значения приведены в качестве примеров и ни в коем случае не являются ограничительными. Значения напряжений VhyLow и VhyHigh получают при помощи вышеупомянутой формулы:
, где Rint=Rfermé=5 кОм
, где Rint=Rouvert=10 кОм
D
Сопротивление 17 RpullUP (фиг.5) должно быть ниже сопротивления 15 (R6), чтобы не допускать падения напряжения на выходе V гистерезисного компаратора, когда оно находится в верхнем состоянии (равное VpullUp).
D
D
D
pullUp
haut
Согласно примеру воплощения настоящего изобретения, схема 7 формирования (фиг.4) содержит схему 18 триггера Шмитта: представленная схема 18 известного типа показана на фиг.9. Схема 18 повышает уровень выходного напряжения V схемы 4 детектирования, чтобы, в случае необходимости, сделать его совместимым со схемой, получающей на входе выходное напряжение V. В представленном выше примере настоящего изобретения выключатель является датчиком положения, соединенным с полетным вычислительным устройством через FPGA: выходное напряжение V схемы детектирования повышают при помощи схемы 18 триггера, чтобы оптимизировать обработку данных и, как показано в представленном выше примере, чтобы улучшить передний и задний фронты сигнала. Уровни выходного порогового напряжения триггера зависят от питания 19, которое может составлять +3,3 вольт или иметь другое значение. Порог Vhaut схемы 18 триггера выбирают таким образом, чтобы V>V.
ADAPT
haut
ADAPT
На фиг.10 показаны значения напряжения на выходе триггера в зависимости от значений напряжения на входе. Если напряжение на входе равно 0, напряжение на выходе равно V: выключатель 1 считается замкнутым. Если напряжение на входе равно VpullUp (VpullUp выше V), напряжение на выходе равно 0: выключатель считается разомкнутым. Напряжение V повышают по отношению к напряжению VpullUp, чтобы согласовать его во время передачи со схемой, получающей напряжение Vm.
На фиг.11 показан пример воплощения устройства 3. Устройство 3 содержит схему 5 согласования, схему 4 детектирования и схему 6 формирования.