ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутационных устройствах для коммутации цепи постоянного тока, в том числе с управлением от микроконтроллеров.
Известен коммутатор CD20CDY (фирма-изготовитель Teledyne Relays (США)), с возможностью мажоритарного включения входов управления и оптоэлектронной гальванической развязкой, [1].
В этом коммутаторе при наличии резервирования входов управления отсутствует резервирование ключевых элементов на выходе коммутатора.
Известен резервированный ключ, выполненный по схеме два из трех на шести ключевых элементах (см. «Теория и практические методы радиоэлектронной аппаратуры», В.В. Белецкий - Москва, издательство «Энергия», 1977, с. 156, рис. 3-9, в.), [2].
Этот ключ может быть использован для резервирования входов управления различных ключевых элементов, но в нем отсутствует возможность коммутации больших токов.
Известны различные типы электронных реле с гальванической развязкой входа управления, применяемые для коммутации цепи постоянного тока.
Известно оптоэлектронное реле, содержащее светодиод и оптически связанную с ним матрицу последовательно включенных фотодиодов, коммутирующее устройство, устройство разряда, выводы которого подключены к выводам матрицы последовательно соединенных фотодиодов, входу коммутирующего устройства, выходы которого являются выходами оптоэлектронного реле, а так же оптически связанное со светодиодом устройство ускорения разряда, выполненное на n-МОП и р-МОП транзисторах, первом и втором фотодиодах и конденсаторе [3].
Недостатками данного технического решения являются отсутствие резервирования элементов на входе и выходе реле, что не обеспечивает задачу повышения надежности в аппаратуре специального назначения, а также низкая радиационная стойкость и стойкость к космическому излучению из-за применения фотодиодов.
Известно электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой, выбранное за прототип, содержащее гальванически развязанный вход управления, генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительные диоды, резисторы разряда, ключевые элементы, выполненные на базе DМОП транзисторов, выходы реле [4].
Отсутствие резервирования элементов на входе и выходе коммутатора, снижает надежность реле, что препятствует его использованию в аппаратуре специального назначения.
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение надежности электронного реле за счет мажоритарного резервирования входов управления и ключевых элементов на выходе реле и применения гальванической развязки по каждому из входов управления.
Для достижения, указанного выше технического результата, предложено электронное реле с гальванической развязкой и резервированием, в котором схема управления состоит из трех независимых гальванически развязанных цепей управления, каждая из которых имеет один вход и два выхода, подключенных к выходному каскаду из шести ключевых элементов, выполненных на базе DMOП транзисторов со встроенным каналом, управляет двумя из шести ключевых элементов выходного каскада, обеспечивая необходимое резервирование по общему выходу реле.
На фиг. 1 представлена структурная схема электронного реле с гальванической развязкой и резервированием.
На этой схеме:
А. В, С - входы управления реле;
AU, BU, CU - цепи управления с гальванической развязкой;
KA - выходной каскад ключевых элементов, выполненных на базе DMOП транзисторов;
VT1-VT6 - DMOП транзисторы выходного каскада KA;
o
U1 - первый вывод выхода реле;
o
U2 - второй вывод выхода реле;
упр
U - напряжение управления реле;
вх
I - входной ток цепи управления реле;
ком
I - коммутируемый ток на выходе реле.
На фиг. 2 представлен вариант цепи управления с гальванической трансформаторной развязкой, где:
UZ - генератор прямоугольных импульсов;
TV - импульсный трансформатор;
VD1, VD2 - первый и второй импульсный выпрямительный диод;
R1, R2 - первый и второй резистор разряда.
o
o
Электронное реле с гальванической развязкой и резервированием (Фиг. 1) содержит три идентичных входа управления А, В, С с соответствующими гальванически развязанными цепями управления AU, BU, CU с выходами, подключенными к выходному каскаду KA ключевых элементов, выполненных на базе DMOП транзисторов (VT1-VT6) со встроенным каналом. Первый выход цепи управления AU подключен к затвору VT1, второй - к затвору VT3. Первый выход цепи управления BU подключен к затвору VT4, второй - к затвору VT5. Первый выход цепи управления CU подключен к затвору VT6, второй - к затвору VT2. Стоки DМОП транзисторов VT1, VT3 и VT5 соединены между собой и с первым выводом выхода реле U1, сток VT2 соединен с истоком VT1, сток VT4 соединен с истоком VT3, сток VT6 соединен с истоком VT5, истоки DМОП транзисторов VT2, VT4 и VT6 соединены между собой и со вторым выводом выхода реле U2.
упр
Электронное реле с гальванической развязкой и резервированием работает следующим образом. При подаче на входы управления реле А, В, С напряжения управления U реле выполняет логическую функцию:
где:
вых
F - логическое состояние выхода;
а - логическое состояние входа А;
b - логическое состояние входа В;
с - логическое состояние входа С.
Схема управления реле состоит из трех идентичных цепей управления с гальванической развязкой, каждая из которых имеет один вход и два выхода.
Выходной каскад KA состоит из шести DMOП транзисторов VT1-VT6 и представляет собой три параллельных вертикальных канала, обеспечивающих необходимую избыточность для тройного резервирования как по входу, так и по выходу реле: первый канал - последовательно соединенные VT1 и VT2, второй канал - последовательно соединенные VT3 и VT4, третий канал - последовательно соединенные VT5 и VT6.
упр
упр
упр
ком
вых
При подаче напряжения управления U на вход управления А, с первого и второго выходов цепи управления AU поступает разрешающий сигнал на затворы и открывает транзисторы VT1, VT3. При подаче напряжения управления U на вход управления В, с первого и второго выходов цепи управления BU поступает разрешающий сигнал на затворы и открывает транзисторы VT4, VT5. При подаче напряжения управления U на вход управления С с первого и второго выходов цепи управления CU поступает разрешающий сигнал на затворы и открывает транзисторы VT6, VT2. Но при этом ни один вертикальный канал не включен и выход реле не пропускает коммутируемый ток I (реле не включено, F=1). Для включения хотя бы одного вертикального канала необходимо включение минимум двух входов управления реле.
вых
В таблице 1 приведена логика подключения транзисторов выходного каскада и формирование из них работающего вертикального канала для включения реле (когда логическое состояние выхода реле F=0).
упр
ком
Например, при подаче напряжения управления U на входы А, В (логическое состояние = 1) сигналы разрешения поступают на затворы DMOП транзисторов VT1, VT3, VT4 и VT5. При этом включается второй вертикальный канал с транзисторами VT3, VT4, через который идет коммутируемый ток I.
Аналогично открываются и остальные вертикальные каналы: при подаче управляющего напряжения на входы управления А и С открывается первый вертикальный канал с транзисторами VT1, VT2, при подаче управляющего напряжения на входы управления В и С открывается третий вертикальный канал с транзисторами VT5, VT6, по функции 1.
Таким образом, обеспечивается мажоритарный закон включения реле (2 из 3-х).
В полезной модели приведено техническое решение с применением цепи управления с гальванической трансформаторной развязкой.
упр
Представленный на Фиг. 2 вариант исполнения цепи управления с гальванической трансформаторной развязкой имеет на входе генератор прямоугольных импульсов UZ, выполненный на логических микросхемах с повышенной нагрузочной способностью. При подаче на вход напряжения управления U, генератор формирует прямоугольные импульсы, которые поступают на первичную обмотку импульсного трансформатора TV. На первой и второй вторичных обмотках импульсного трансформатора формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются соответственно импульсными выпрямительными диодами VD1, VD2. При этом включены оба выхода цепи управления, сигналы с которых поступают на затворы двух из шести DMOП транзисторов выходного каскада KA.
упр
Напряжение с выходов цепей управления фильтруется входными емкостями DMOП транзисторов, и на затворы DMOП транзисторов подается постоянное напряжение, открывающее DМОП транзисторы. При выключении напряжения управления U, входная емкость DMOП транзисторов разряжается через резисторы разряда R1, R2 соответственно, и DMOП транзисторы закрываются.
Примером конкретного исполнения электронного реле с гальванической трансформаторной развязкой электрических цепей и резервированием может служить реле слаботочное низкочастотное статическое РСК16-10, предназначенное для коммутации электрических цепей постоянного напряжения до 50 В и постоянного тока до 6 А.
В качестве элементов для реализации реле могут быть использованы логические элементы серии 1526, 1564, полевые DMOП транзисторы 2П771А, 2П7169Б, 2П7161Б, импульсные трансформаторы ТИИ3, ТИИ4 из серийно выпускаемых АО «Мстатор» (г. Боровичи Новгородской обл.). В качестве импульсных диодов может быть выбрана диодная матрица 2Д918Б или 2Д907Б.
При значении напряжении управления реле 5 В, напряжение на затворах DМОП транзисторов составляет 9-10 В. Коэффициент трансформации импульсного трансформатора ≈2 выбран с учетом падения напряжения на вторичных обмотках и на диодах, а также с учетом величины тока протекающего через резистор разряда.
Выбор частоты генератора прямоугольных импульсов UZ выполнен исходя из минимального значения пульсаций напряжения на затворе DMOП транзистора. Так как входная емкость полевого транзистора 2П7169А 3500 пФ, то частота генератора прямоугольных импульсов UZ должна быть больше 100 кГц, чтобы пульсации напряжения на затворе составляли не более 0,1%. Материал импульсного трансформатора позволяет работать с частотами от 30 до 300 кГц. Частота импульсов генератора прямоугольных импульсов выбрана порядка 160 кГц. Резисторы разряда R1, R2 определяют время выключения DMOП транзисторов, и их значение выбрано 16 кОм.
В данной модели могут быть применены и другие известные цепи управления с гальванической развязкой, например, с гальванической развязкой на последовательно или параллельно соединенных оптопарах.
В случае применения технического решения с гальванической развязкой на оптопарах могут быть использованы фотовольтаические оптопары на интегральных микросхемах 759ПП1Н1. Но при этом необходимо иметь в виду, что поскольку импульсный трансформатор TV может формировать на вторичной обмотке импульсный ток более 50 мА, то входная емкость подключенного DMOП транзистора зарядится намного быстрее (на 2-3 порядка), чем при использовании оптопары в качестве источника тока заряда, у которой максимальный выходной ток составляет 100 мкА. Поэтому при необходимости высокого быстродействия реле следует преимущественно использовать входные цепи с трансформаторной гальванической развязкой. Кроме того, предлагаемое техническое решение с применением цепи управления с трансформаторной гальванической развязкой позволяет повысить устойчивость реле к радиационному и космическому излучению и улучшить динамические характеристики реле.
Вместе с тем элементы реле могут иметь непринципиальные отличия.
Литература:
1. http://www.teledynemicrowave.com
2. «Теория и практические методы радиоэлектронной аппаратуры» В.В. Белецкий - Москва, издательство «Энергия», 1977, с. 156, рис. 3-9.
3. Патент RU 2163417 С1.
4. Патент RU 2375816.