ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ С ВХОДОМ УПРАВЛЕНИЯ

Описание
Электронное реле с гальванической развязкой с входом управления.
Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутационных устройствах, в том числе и многоканальных, с гальванической развязкой с управлением от микроконтроллеров.
Известно электронное реле с гальванической развязкой [1], содержащее входные и выходные выводы реле, коммутирующее устройство на n-МОП транзисторе, устройство разряда, выполненное на резисторе, узел гальванической развязки, содержащий генератор импульсов, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмоткой и выпрямительный диод.
Включение данного устройства производится непосредственно подачей напряжения управления на входные выводы реле, ток потребления которого от 3 до 4 мА.
Основным недостатком данного электронного реле является невозможность его применения в коммутационных устройствах с управлением от микроконтроллеров, в которых выходной ток не превышает 100 мкА.
Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей электронного реле с гальванической развязкой за счет уменьшения тока потребления по цепи управления реле и, как следствие, возможности использования электронного реле в коммутационных устройствах с управлением от микроконтроллеров, в том числе и в многоканальных устройствах коммутации нагрузок.
Для достижения поставленной цели в электронное реле с гальванической развязкой, содержащее входы питания реле, коммутирующее устройство, выполненное на n-МОП транзисторе,
устройство разряда, выполненное на резисторе, первый и второй выводы которого, являющиеся первым и вторым выходами устройства разряда, подключены соответственно к затвору и истоку n-МОП транзистора, являющимися первым и вторым входами коммутирующего устройства, выходами которого является сток и исток n-МОП транзистора, служащие выходами реле, узел гальванической развязки, состоящий из генератора импульсов, импульсного трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, и выпрямительного диода, причем первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к выходу генератора импульсов, первый вход которого является первым входом питания электронного реле, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, при этом катод выпрямительного диода и второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены соответственно к первому и второму входам устройства разряда и коммутирующего устройства, являющимися соответственно первым и вторым выводами резистора разряда, затвором и истоком n-МОП транзистора, дополнительно введены n-МДП транзистор, шунтирующий резистор, включенный между затвором и истоком n-МДП транзистора, и вход управления, причем второй вход генератора импульсов соединен со стоком n-МДП транзистора, затвор которого соединен с входом управления и первым выводом шунтирующего резистора, а исток n-МДП транзистора соединен со вторым выводом шунтирующего резистора и вторым входом питания реле.
На фиг.1 представлена блок-схема электронного реле с трансформаторной развязкой с входом управления. Вместе с тем, элементы устройства могут иметь непринципиальные отличия.
На этой схеме:
1 - n-МОП транзистор коммутирующего устройства;
2 - резистор устройства разряда;
3 - первый выход реле;
4 - второй выход реле;
5 - первый вход питания реле;
6 - второй вход питания реле;
7 - узел гальванической развязки;
8 - генератор импульсов;
9 - импульсный трансформатор;
10 - первичная обмотка импульсного трансформатора;
11 - вторичная обмотка импульсного трансформатора;
12 - выпрямительный диод;
13 - n-МДП транзистор;
14 - вход управления реле;
15 - шунтирующий резистор;
з
U - напряжение на затворе n-МОП транзистора коммутирующего устройства;
пит
±U - напряжение питания реле;
упр
±U - напряжение управления реле;
УР - устройство разряда;
КУ - коммутирующее устройство.
Электронное реле с гальванической развязкой с входом управления выполнено следующим образом.
Узел гальванической развязки 7 состоит из генератора импульсов 8, импульсного трансформатора 9, имеющего первичную 10 и вторичную 11 обмотки, и выпрямительного диода 12. Первый вход генератора импульсов 8 соединен с первым входом питания реле 5. Второй вход генератора импульсов 8 соединен со стоком n-МДП транзистора 13, затвор которого соединен с входом управления 14 и первым выводом шунтирующего резистора 15. Исток n-МДП транзистора 13 соединен со вторым выводом шунтирующего резистора 15 и вторым входом питания реле 6.
Первичная обмотка 10 импульсного трансформатора 9 подключена к выходу генератора импульсов 8. Первый вывод вторичной обмотки 11 импульсного трансформатора 9 соединен с анодом выпрямительного диода 12, катод которого соединен с первым выводом резистора разряда 2 устройства разряда и затвором n-МОП транзистора 1 коммутирующего устройства, сток которого соединен с первым выходом реле 3. Второй вывод вторичной обмотки 11 импульсного трансформатора 9 соединен со вторым выводом резистора разряда 2 устройства разряда, истоком n - МОП транзистора 1 коммутирующего устройства и вторым выходом реле 4.
Электронное реле с гальванической развязкой с входом управления работает следующим образом.
пит
yпp
пит
пит
В исходном состоянии, когда напряжение питания ±U подано на первый 5 и второй 6 входы электронного реле, а на входе управления 14 напряжение U=0, переход ИСТОК- СТОК n-МДП транзистора 13 закрыт отрицательным напряжением - U, поступающим с входа питания реле 6 через шунтирующий резистор 15 на затвор n-МДП транзистора 13. При этом -U с входа питания реле 6 не поступает через закрытый переход ИСТОК-СТОК n-МДП транзистора 13 на второй вход генератора импульсов 8. Генератор импульсов 8 не работает, n-МОП транзистор 1 коммутирующего устройства закрыт.
yпр
пит
При подаче +U на вход 14, n-МДП транзистор 13 открывается и через его открытый переход ИСТОК-СТОК отрицательное напряжение -U со второго входа питания 6 реле поступает на второй вход генератора импульсов 8, который формирует прямоугольные импульсы частотой около 200 кГц.
Эти импульсы поступают на первичную обмотку 10 импульсного трансформатора 9. На вторичной обмотке 11 импульсного трансформатора 9 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются выпрямительным диодом 12 и заряжают входную емкость n-МОП
транзистора 1 коммутирующего устройства. Импульсный трансформатор 9 обеспечивает гальваническую развязку между первым 5, вторым 6 входами питания реле, входом управления 14 и первым 3, вторым 4 выходами реле.
з
упр
упр
з
Так как входная емкость n-МОП транзистора 1 составляет тысячи пикофарад, то одновременно она является емкостью фильтра для прямоугольных импульсов частотой 200 кГц, поступающих на затвор n-МОП транзистора 1. На затворе n-МОП транзистора коммутирующего устройства формируется постоянное напряжение U=10 В, которое открывает n-МОП транзистор 1 коммутирующего устройства и удерживают его в открытом состоянии в течении времени, пока на вход управления 14 подается напряжение управления +U. При снятии с входа управления 14 управляющего напряжения +U n-МДП транзистор 13 закрывается и отключает второй вход генератора импульсов 8 от второго входа 6 питания реле. Входная емкость n-МОП транзистора 1 коммутирующего устройства разряжается через резистор разряда 2 устройства разряда и, когда напряжение U станет меньше порогового напряжения для n-МОП транзистора 1, он закрывается.
упр
Так как в качестве n-МДП транзистора 13 в данном устройстве используются полевые транзисторы с изолированным затвором типа 2П305, которые имеют ток стока 15 мА, а входной ток затвора порядка 0,1 мкА, предлагаемое реле будет работать с напряжением управления U от микроконтроллеров с выходными токами порядка 100 мкА, сохраняя свои технические характеристики.
В качестве элементов для реализации реле могут быть использованы n-МОП транзисторы типа 2П7169, 2П7161, импульсный трансформатора типа ТИИ6М. В качестве n-МДП транзистора можно использовать микросхему типа 1526ЛА10 с открытым стоковым выходом.
Так как микроконтроллер имеет, как правило, число выходов кратное восьми, то целесообразно иметь в одном устройстве 8, 16 электронных реле с гальванической развязкой с входом управления.
На фиг.2 представлена блок-схема на повышенное в n раз число электронных реле с гальванической развязкой с входом управления. Количество электронных реле с гальванической развязкой с входом управления в одном корпусе зависит от типоразмера самого корпуса реле и может быть от одного до 16 реле.
В зависимости от разрядности выходов микроконтроллера может быть включено по его команде от одного до 16-ти электронных реле. Такая структура электронных реле в одном корпусе с управлением от микроконтроллера повышает надежность устройства коммутации, в которых используется электронное реле, за счет резервирования каналов.
Использованные источники информации:
[1] Патент на полезную модель Ru №74021 от 01.02.2008 г.