Устройство коммутации электрических нагрузок
ELECTRIC LOAD SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к системам коммуникации элементов электро оборудования технических средств, в частности – элементов бортового электрооборудования транспортных средств (лат. communicatio, от communico — делаю общим, связываю, общаюсь; англ. сommunication – связь, сообщение, передача, соединение, коммуникация; communicator передающий механизм, комуникатор).
Из руководства по ремонту автомобиля Шевроле Нива 1,7, Разработано ООО «ИТЦ АВТОСФЕРА» по заказу ЗАО «Джи-Эм АВТОВАЗ», Тольятти, 2009, стр.253, рис. 7-21, известны устройства коммутации фар ближнего и дальнего света, включающие в себя выключатель зажигания, выключатель наружного освещения, переключатель света фар - переключатель подрулевой левый, а также электромагнитные реле включения ближнего и реле включения дальнего света фар.
Примечание: Исходя из того, что термины «выключатель» / «включатель» /«переключатель» ассоциируются с непосредственным функциональным действием, исходя из понимания того, что в приведённом выше и показанных ниже примерах упомянутые или аналогичные функциональные изделия не осуществляют непосредственной связи объекта управления (электрической нагрузки устройства коммутации) с источником питания, более того, могут быть использованы совместно с разного рода контроллерами, обеспечивающими, в том числе, игнорирование входящих сигналов, заявитель, в контексте данного изобретения, для обозначения выключателей / включателей / переключателей применяет термин «запросчик включения нагрузки»; уточнение функционального назначения используется исключительно для локализации внимания на комментируемом.
Возвращаясь к цитируемому устройству коммутации - любое из упомянутых реле содержит коммутирующую часть, выполненную контактной, и управляющую обмотку. Коммутирующие части реле включения ближнего и дальнего света фар выполнены с возможностью электрического соединения источника питания с соответствующими лампами левой и правой фар автомобиля. Управляющая обмотка реле включения дальнего света фар выполнена с возможностью опосредованного запросчиком (переключателем света фар) электрического соединения с источником питания. Управляющая обмотка реле включения ближнего света фар выполнена с возможностью опосредованного запросчиками (выключателями наружного освещения и зажигания) электрического соединения с источником питания. Иначе – каждое из упомянутых устройств коммутации содержит опосредованный контактами реле, силовой канал (канал вывода информации), а также опосредованный электромагнитной обмоткой реле и запросчиками, относительно слаботочные каналы (каналы ввода информации) - т.е. - один силовой и один относительно слаботочный канал на каждый из объектов, управляемых посредством устройств коммутации (в контексте цитируемого – ближний/дальний свет фар).
Цитируемые выше устройства дают возможность оператору путем механического воздействия на органы управления слаботочных переключателей/выключателей коммутировать ток нагрузки относительно большой мощности, однако не позволяют реализовывать сложные, в том числе автоматизированные алгоритмы управления коммутацией тока нагрузки, в том числе, с учетом состояния объекта управления. Кроме того, реализация данного решения в составе транспортных средств обеспечивается применением соответствующего количества и качества проводов, контактов, а также изолирующих колодок. При этом известно, что минимальное поперечное сечение проводов, используемых в электрических цепях транспортных средств, ограничено нормативными требованиями к их механической прочности.
Из патента на полезную модель RU31537, МПК B60Q 09/00, B60R 16/02, публ. 20.08.2003, известно устройство коммутации, включающее в себя релейную и коммутирующую части. При этом, релейная часть выполнена содержащей биполярный транзистор и расположенную в цепи коллектора транзистора управляющую обмотку. Работа устройства коммутации по патенту RU31537 в составе транспортного средства подразумевает, как и в предыдущем решении, наличие в коммутируемых электроцепях двух каналов - канала ввода информации и канала вывода информации. (лучше исполнительного канала или канала управляющего воздействия).
Потенциальная возможность уменьшения площади поперечного сечения проводников, реализующих канал ввода информации, обеспеченная применением транзистора в релейной части устройства коммутации, не может быть в полной мере использована на транспорте вследствие наличия нормативных ограничений по минимальной механической прочности применяемых проводов.
а
в
b
a
с
с
в
Из патента на изобретение RU2561421, МПК B60R 16/02, публ. 27.08.2015, известно устройство коммутации, включающее в себя управляющее устройство, далее контроллер, содержащий N пинов (англ. рin – вывод / штырь), а также количественно равную числу пинов контроллера группу контактных выключателей (запросчиков), каждый из которых электрически связан с одним из пинов контроллера. Последний, в свою очередь, включает в себя управляющую микросхему/микропроцессор/микроэвм, далее управляющая микросхема, содержащую Nпинов, где N,<N , а также интерфейс, образованный N , где N=N-1, логическими дизъюнкторами (лат. disjunctio – разобщение, логическое сложение). Где, любой из дизъюнкторов образован двумя диодами, выполнен содержащим, соответственно, пины каждого из диодных анодов и один пин гальванически связанных диодных катодов.
Каждый из анодных пинов любого из дизъюнкторов выполнен гальванически связанным, соответственно, с одним из пинов управляющей микросхемы, при этом любой из пинов управляющей микросхемы выполнен электрически связанным, соответственно, с одним из пинов контроллера. Каждый из катодных пинов любого из дизъюнкторов выполнен электрически соединённым, соответственно, с одним из пинов контроллера из числа свободных от гальванической связи с пинами управляющей микросхемы.
Решение по патенту RU2561421 обеспечивает прогрессивное, относительно количества пинов контроллера, уменьшение числа пинов управляющей микросхемы, но не пинов контроллера, как в заявляемом решении.
Среди недостатков данного решения следует выделить отмеченную в описании к патенту увеличивающуюся с ростом количества пинов контроллера вероятность формирования коммутируемыми цепями неоднозначно трактуемых управляющей микросхемой комбинаций двоичных сигналов.
Устранение данной неоднозначности требует от управляющей микросхемы наличия в её составе дополнительных аппаратных и программных средств, обеспечивающих регламентированную функциональность оборудования, управляемого посредством устройства коммутации по RU2561421.
Известно, что электронные компоненты характеризуются меньшей, по сравнению с электромагнитными реле, устойчивостью к воздействию кратковременных, многократных, по току, перегрузок. В настоящее время в технике широко применяется коммутация тока нагрузки с помощью силовых электромагнитных реле. При этом, для обеспечения, по меньшей мере, частичной автоматизации процесса управления объектами, в частности, с целью учёта, достигнутого объектом управления состояния или учёта изменяющихся внешних факторов, которые должны быть учтены в процессе функционирования объекта управления, в современных устройствах коммутации применяют, помимо реле, электронные управляющие устройства (контроллеры), получающие помимо сигнала (запроса) от переключателя/выключателя, коммутируемого оператором, также сигналы от других источников контекстуальной информации и формирующее на их основе сигнал управления реле.
Из интернет ресурса https://chiptuner.ru/content/docs/ , информация посмотрена 18.06.2020, известны схема электрических соединений контроллера электропакета 2170-3763040Э4 и отображённое на схеме устройство коммутации противотуманных фар - дополнительно проиллюстрировано Фиг.1
Данное устройство коммутации включает в себя электромагнитное реле, контроллер электропакета, снабжённый пинами и переключатель противотуманных фар (запросчик включения противотуманных фар). Коммутирующая часть реле, как и в первом примере, выполнена с возможностью электрического соединения источника питания с объектом управления (лампами противотуманных фар). Управляющая обмотка реле выполнена электрически соединённой с одним из (множества) пинов контроллера, а запросчик с другим из (множества) пинов контроллера.
Из выше расположенного абзаца видно, что устройство коммутации содержит опосредованный контактами реле силовой канал вывода информации, опосредованный управляющей обмоткой реле и контроллером слаботочный канал вывода информации, а также опосредованные контроллером и запросчиками слаботочные каналы ввода информации, т.е в контроллере используются отдельный пин (вход) для любого из запросчиков (сигнал поступает на цифровой вход управляющей микросхемы контроллера) и отдельный пин для управляющей обмотки реле (сигнал поступает от ключа, управляемого цифровым выходом управляющей микросхемы).
В отличие от решения по RU 2561421 отображённое на схеме 2170-3763040Э4 решение исключает возможность формирования на пинах контроллера неоднозначно трактуемых комбинаций сигналов, использует в своём составе устойчивое к токовым перегрузкам электромагнитные реле, однако требует использования электрических разъёмов с относительно большим удельным количеством пинов. При этом известно, что стоимость электрических разъёмов электронных устройств растёт пропорционально с ростом количества их пинов - электрические разъёмы являются компонентом, значительно увеличивающим не только стоимость устройств коммутации, но и использующих эти устройства технических средств.
Задачей изобретения было создание устройства коммутации, обеспечивающего реализацию автоматизированных процессов управления широким кругом электрических объектов (внешних устройств), в том числе, характеризующихся высокой мощностью, а также возможность сочетания ввода управляющей информации и вывода управляющего воздействия по одной и той же электрической цепи (линии/каналу), иными словами - минимизацию количества пинов в электрических разъёмах, используемых в составе и совместно (в составе технических средств) с данным устройством коммутации.
В качестве прототипа принято решение, цитированное по схеме 2170-3763040Э4.
Задача решается в устройстве коммутации электрических нагрузок, содержащем снабжённый пинами контроллер, электромагнитные реле, а также запросчики включения нагрузок, где, любой из запросчиков включения нагрузки выполнен электрически соединённым с одним из пинов контроллера.
Задача решается тем, что:
- Устройство коммутации выполнено снабжённым управляющей микросхемой содержащей многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, количество входных каналов которого, по меньшей мере, равно количеству реле,
- любой из входных каналов аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы выполнен электрически связанным с одним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки,
- количество электромагнитных реле равно, преимущественно, количеству запросчиков включения нагрузки,
- управляющая обмотка любого из реле выполнена электрически соединённой с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера.
Задача может также решаться тем, что:
.
- Контроллер устройства коммутации выполнен снабжённым интерфейсом, образованным управляемыми электронными ключами выход любого из которых электрически соединён содним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки, а также с соответствующим входным каналоманалогово-цифрового преобразователя
Примечание: - упоминание о наличии пина той или иной составной части, того или иного узла/элемента априори подразумевает наличие в заявляемом устройстве коммутации упомянутых составной части или узла/элемента.
Изобретение иллюстрируется структурной схемой Фиг.2
Дополнительные к условным обозначения, из числа приведённых на структурной схеме:
1 – контроллер.
2 – управляющая микросхема.
Изобретение может быть реализовано в устройстве коммутации электрических нагрузок, включающем в себя контроллер 1, электромагнитные реле (содержат коммутирующую часть и обмотку управления) и запросчики включения нагрузки - с фиксацией включённого состояния (на схеме Фиг.2 – Пркл 2) или без фиксации (на схеме Фиг.2 – Пркл 1). Количество реле определяется количеством управляемых объектов (электрических нагрузок), количество запросчиков может быть большим или равным количеству реле.
Контроллер выполнен содержащим пины подключения к плюсовой (+БС) и минусовой цепям электропитания, N пинов (количество может быть любым) подключения к слаботочным каналам ввода информации (к каналам учёта изменяющихся внешних факторов – на схеме Фиг. 2 обозначены как SENS_1…SENS_N), а также соответствующее количеству реле количество пинов подключения контроллера к управляющим обмоткам реле. На схеме Фиг. 2 условно показаны два реле, два запросчика и, соответственно, два пина подключения контроллера к управляющим обмоткам реле. При этом на схеме Фиг. 2 показаны два варианта расположения запросчиков: вариант первый – с возможностью шунтирования запросчиком канала гальванической связи контроллера с управляющей обмоткой реле; вариант второй – с последовательным расположением запросчика и управляющей обмотки реле. Вариативность подключения запросчиков зависит от вида объекта управления и реализуемого устройством коммутации алгоритма управления.
Контроллер 1 также включает в себя управляющую микросхему 2 и интерфейс.
Управляющая микросхема 2 выполнена снабжённой пинами цифровых выходов микросхемы (на схеме Фиг. 2 обозначены как Output), количество которых, по меньшей мере, равно числу реле устройства коммутации (на схеме Фиг. 2 условно показано два пина). При этом управляющая микросхема 2 выполнена снабжённой также пинами аналогово-цифровых входов (на схеме Фиг. 2 обозначены как In_ADC), количество которых, по меньшей мере, равно числу реле (на схеме Фиг. 2 условно показаны два пина).
1
2
Интерфейс контроллера 1 выполнен образованным управляемыми электронными ключами, количество которых равно количеству реле. Электронные ключи интерфейса контроллера 1, выполнены образованными, как вариант, биполярными кремниевыми транзисторами - на схеме Фиг. 2 условно показаны два электронных ключа VT и VT, содержащими пин эмиттера, пин коллектора, а также пин базы.
Пин затвора каждого из электронных ключей выполнен электрически соединённым с пином одного из цифровых выходов управляющей микросхемы. Пин коллектора каждого из электронных ключей выполнен электрически соединённым с одним из пинов подключения контроллера к управляющей обмотке реле, а также с входным пином одного из каналов аналого-цифрового преобразователя.
1
2
Интерфейс выполнен снабжённым резистивными делителями напряжения, количество которых равно количеству электронных ключей. На схеме Фиг.2 условно показано два делителя любой из которых образован последовательно соединёнными резисторами R и R. При этом плечи любого из делителей подключены к плюсовой (+БС) и минусовой цепям электропитания, а центральные точки электрически соединены с пином коллектора одного из электронных ключей.
3
3
Интерфейс выполнен снабжённым токоизмерительными резисторами, количество которых равно количеству электронных ключей. На схеме Фиг.2 условно показано два токоизмерительных резистора – обозначены R. При этом пин эмиттера каждого из электронных ключей выполнен электрически, через резистор R, соединённым с минусовой цепью электропитания.
Управляющая обмотка любого из реле, выполнена электрически связанной с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера.
Работа устройства коммутации объясняется ниже следующими пояснениями:
1
2
Резисторы R и R каждого из делителей напряжения задают величину опорного напряжения на коллекторах электронных ключей и могут быть выбраны, например, одинакового номинала. Любой из токоизмерительных резисторов R3, последовательно с электронным ключом VT включён в цепь протекания тока управляющей обмотки реле и через электронный ключ VT электрически связан с одним из входных каналов аналогово-цифрового преобразователя, обеспечивая измерение падения напряжения на связанном с ним электронном ключе VT - служит для создания дополнительного падения напряжения с целью улучшения различимости включенного состояния ключа VT и в общем случае не обязателен.
В исходном состоянии управляющая микросхема 2, при подаче на неё питания, по умолчанию устанавливает электронный ключ VT в выключенное состояние. Если при этом запросчики Пркл 1 и Пркл 2 разомкнуты, то на входах In_ADC многоканального аналогово-цифрового преобразователя устанавливаются следующие уровни напряжения:
- Uбс (равный величине напряжения питания) - для нефиксированного переключателя (Пркл 1),
- Uбс/2 (равный половине величины напряжения питания) - для фиксированного переключателя (Пркл 2).
Данные уровни напряжения управляющая микросхема 2 воспринимает как сигнал подтверждения выключенного состояния ключа VT.
Если запросчики Пркл 1 и Пркл 2 переводятся (оператором) в замкнутое (включенное) состояние, то на входах In_ADC многоканального аналогово-цифрового преобразователя устанавливаются следующие уровни напряжения:
- уровень напряжения «земля» для нефиксированного запросчика (Пркл 1),
- уровень Uбс для фиксированного запросчика (Пркл 2).
Данные уровни напряжения управляющая микросхема 2 воспринимает как сигнал (запрос) на включение ключа VT.
3
3
После того, как управляющая микросхема 2, на основании данного запроса и показаний других датчиков (SENS_1…SENS_N) примет решение и включит электронный ключ VT, через управляющую обмотку реле, электронный ключ VT и токоизмерительный резистор R начнет протекать ток, который вызовет с одной стороны включение (замыкание) контактов коммутирующей части реле, а с другой стороны вызовет падение напряжения Uкл на электронном ключе VT и токоизмерительном резисторе R, величина которого постоянно измеряется соответствующим каналом In_ADC аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы 2.
Если величина Uкл превысит заданный порог, то это будет интерпретировано управляющей микросхемой 2 как подтверждение факта включения реле.
Перевод оператором нефиксированного запросчика Пркл 1 в замкнутое состояние будет восприниматься управляющей микросхемой 2 как сигнал на включение, если электронный ключ VT находился в этот момент в выключенном состоянии, или как сигнал на выключение, если электронный ключ VT находился во включенном состоянии.
3
При переводе оператором фиксированного запросчика Пркл 2 в разомкнутое состояние происходит разрыв тока, протекающего через управляющую обмотку реле и соответствующие ей электронный ключ VT и токоизмерительный резистор R3. При этом контакты коммутирующей части реле перейдут в разомкнутое состояние, разорвав электрическую цепь нагрузки, а падение напряжения Uкл на электронном ключе VT и токоизмерительном резисторе R, измеренное соответствующим каналом In_ADC аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы 2, снизится ниже уровня пороговой величины, что будет интерпретировано управляющей микросхемой 2 контроллера 1 как сигнал для выключения электронного ключа VT.
После выключения электронного ключа VT напряжение на входе In_ADC аналогово-цифрового преобразователя снова станет равным напряжению Uбс., что будет интерпретироваться управляющей микросхемой 2 как подтверждение факта выключения реле.
Заявляемое устройство коммутации обеспечивает реализацию автоматизированных, сколь угодно сложных, опосредованных электромагнитными реле алгоритмов управления широким кругом электрических нагрузок, а также использование одной и той же линии связи и одного пина разъема контроллера как для приема сигнала запроса от коммутируемого оператором запросчика включения нагрузки, так и для подачи управляющего сигнала на управляющую обмотку реле, что, в свою очередь, позволяет минимизировать количество пинов в электрических разъёмах, используемых в составе и совместно (в составе технических средств) с заявляемым устройством коммутации. При этом использование многоканального аналогово-цифрового преобразователя также обеспечивает автоматизированную диагностику исправности (целостности) линий связи контроллера, запросчиков и управляющих обмоток реле.