УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РЕЛЕ

Полезная модель относится к автоматике, конкретно к устройствам сопряжения ЭВМ с электромагнитными реле.
Известно устройство [Л1, стр.250], содержащее инвертор с открытым коллектором, к которому подключен первый вывод обмотки слаботочного реле, второй вывод обмотки подключен к источнику питания, напряжение которого не превышает напряжения питания логических элементов (обычно +5В). Недостаток устройства в том, что во многих случаях, когда управляющая ЭВМ и реле пространственно разнесены, неудобно применять два источника питания с напряжениями, например,+5В+27В. Рабочее напряжение сильноточных реле и контакторов обычно +27В.
Известно наиболее близкое к предлагаемому устройство для управления электромагнитом [Л2], содержащее усилитель постоянного тока, триггер Шмитта, резистивный делитель. Первый вывод обмотки электромагнита соединен с коллектором выходного р-n-р транзистора усилителя, второй вывод обмотки электромагнита соединен с минусовым выводом источника питания, плюсовой вывод которого соединен с эмиттером выходного транзистора усилителя. Если выходной транзистор усилителя открыт, то обмотка электромагнита соединяется с источником питания, электромагнит включается. Резистивный делитель включен параллельно обмотке электромагнита, средняя точка делителя соединена с логическим входом триггера Шмитта. Этот вход является также входом устройства, на который подается внешний управляющий сигнал. Выход триггера Шмитта соединен с базой входного транзистора усилителя. Если на выходе триггера единичный потенциал, то входной транзистор усилителя открывается и задает базовый ток выходного транзистора, который в свою очередь также открывается.
В известном устройстве электромагнит можно включить импульсным входным сигналом, который устанавливает на выходе триггера Шмитта единичный потенциал. При этом выходной транзистор усилителя тока открывается и напряжение источника питания подается на обмотку электромагнита, а значит и на резистивный делитель. Номиналы резисторов выбраны так, что напряжение в средней точке делителя превышает нижний порог срабатывания триггера Шмитта и удерживает его во включенном состоянии.
Для выключения электромагнита необходимо подать на вход устройства нулевой потенциал.
Недостаток устройства в его невысокой устойчивости к высокочастотным помехам. В нем не используется постоянная времени обмотки электромагнита. Время перехода устройства из состояния "выключено" в состояние "включено" и обратно определяется быстродействием триггера и усилителя постоянного тока. Электромагнит вслед за триггером включается и выключается с запаздыванием по времени, но это обстоятельство уже не влияет на устойчивость устройства к высокочастотным помехам. Кроме того применение интегрального триггера Шмитта, а значит дополнительного источника питания и схемы установки триггера в исходное состояние при включении питания снижает надежность устройства.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности за счет совмещения функций автоматического и ручного управления и повышения помехоустойчивости. (Здесь надежность -способность устройства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения [Л3]).
Для этого в устройство управления электромагнитным реле, содержащее первый усилитель постоянного тока, первый вход которого является первым входом устройства, первое электромагнитное реле с
нормально разомкнутым контактом, первый вывод обмотки которого соединен с выходом первого усилителя, второй вывод обмотки соединен со вторым входом первого усилителя и является вторым входом устройства, введены второй усилитель постоянного тока, второе электромагнитное реле с нормально замкнутым контактом, первая и вторая нормально разомкнутые кнопки, причем первый вход второго усилителя постоянного тока является третьим входом устройства, первый вывод обмотки второго электромагнитного реле является четвертым входом устройства, первый вывод первой кнопки и первый вывод нормально разомкнутого контакта первого реле соединены с выходом первого усилителя; второй вывод первой кнопки соединен с третьим входом первого усилителя, вторым выводом нормально разомкнутого контакта первого реле и первым выводом нормально замкнутого контакта второго реле; первый вывод второй кнопки соединен со вторым выводом обмотки второго реле и с выходом второго усилителя; второй вывод второй кнопки соединен со вторым входом второго усилителя и вторым входом устройства; второй вывод нормально замкнутого контакта второго реле соединен с четвертым входом устройства.
На чертеже приведена схема электрическая принципиальная предлагаемого устройства.
Устройство для управления электромагнитным реле, содержит первый усилитель постоянного тока 1, первый вход которого является первым входом 2 устройства, первое электромагнитное реле 3 с нормально разомкнутым контактом 4, первый вывод обмотки которого соединен с выходом первого усилителя 1, второй вывод обмотки соединен со вторым входом первого усилителя 1 и является вторым входом 5 устройства, второй усилитель постоянного тока 6, второе электромагнитное реле 7 с нормально замкнутым контактом 8 первая 9 и вторая 10 нормально разомкнутые кнопки, причем первый вход второго
усилителя постоянного тока 6 является третьим входом 11 устройства, первый вывод обмотки второго электромагнитного реле 7 является четвертым входом 12 устройства, первый вывод первой кнопки 9 и первый вывод нормально разомкнутого контакта 4 первого реле 3 соединены с выходом первого усилителя 1, второй вывод первой кнопки 9 соединен с третьим входом первого усилителя 1, вторым выводом нормально разомкнутого контакта 4 первого реле 3 и первым выводом нормально замкнутого контакта 8 второго реле 7; первый вывод второй кнопки 10 соединен со вторым выводом обмотки второго реле 7 и с выходом второго усилителя 6; второй вывод второй кнопки 10 соединен со вторым входом второго усилителя 6 и вторым входом 5 устройства;
второй вывод нормально замкнутого контакта 8 второго реле 7 соединен с четвертым входом 12 устройства.
Вход 12 устройства соединен с плюсовым выводом источника питания (на чертеже не показан), вход 5 соединен с минусовым выводом источника питания. Устройство предназначено для управления реле 3.
На вход 2 устройства подается внешний импульсный сигнал, включающий реле 3. На вход 11 устройства подается внешний импульсный сигнал, выключающий реле 3. Внешнее управляющее устройство на чертеже не показано. Для усилителя 1 применена схема составного комплементарного транзистора [Л4 стр.44]. В этой схеме коллекторный ток управляющего n-р-n транзистора 13 является также базовым током выходного р-n-р транзистора 14, при этом коэффициент усиления усилителя по току равен произведению коэффициентов передачи по току транзисторов 13 и 14. Номиналы базовых резисторов 15 и 16 выбраны таким образом, чтобы в открытом состоянии транзисторы 13 и 14 находились в насыщении и рассеивали минимальную мощность. Резисторы 17 и 18 защищают базо-эмиттерные р-n переходы транзисторов от обратного напряжения.
В усилителе 6 применена схема составного транзистора [Л4 стр.43]. Здесь управляющий 19 и выходной 20 транзисторы одной n-р-n проводимости. Номиналы базовых резисторов 21 и 22 обеспечивают работу транзисторов 19 и 20 в ключевом режиме. Резисторы 22 и 23 защищают базо-эмиттерные р-n переходы.
Высокие коэффициенты передачи по току усилителей 1 и 6 обеспечивают управление реле с помощью ЭВМ, в интерфейсной плате которой применены маломощные КМОП инверторы или ключи. Например, выходной ток КМОП ключа 564 КТЗ не менее 3,3 мА, рабочий ток обмотки контактора КНЕ ОЗОУ не более 200 мА. Требуется коэффициент передачи по току усилителя не менее 60. Для приведенных на чертеже усилителей коэффициент передачи по току не менее 100, если у транзисторов коэффициент передачи по току не менее 10.
Сопряжение реле с управляющими ЭВМ продиктовано требованиями к автоматизации включения и выключения сложных комплексов. Например, прежде чем включить режим кругового обзора РЛС, необходимо отгоризонтировать платформу с определенной точностью, включить гидравлические системы и поднять мачту, зафиксировать ее в поднятом положении, расфиксировать поднятую антенну кругового обзора, зимой нагреть обитаемые отсеки минимум до +10°С и прочее. Все эти операции должны последовательно выполняться после того, как на пульте нажата кнопка "Работа". Но в процессе боевой работы иногда требуется аварийное или экстренное выключение или включение активных средств, то есть оператор должен иметь возможность перейти на ручное управление станцией.
Отличие предложенного устройства в том, что в его схему введены второй усилитель тока, второе реле, две кнопки с нормально разомкнутыми контактами таким образом, что управление реле возможно, как при отключенной ЭВМ, так и при отказе усилителей 1 и 6.
Устройство работает следующим образом. Чтобы включить реле 3 необходимо на вход 2 подать логический импульсный сигнал, длительность которого превышает время срабатывания реле 3.
Транзисторы 13 и 14 усилителя 1 открываются. Обмотка реле 3 через открытый транзистор 14 и нормально замкнутый контакт 8 подключается к источнику питания. Реле 3 срабатывает, его контакт 4 замыкается. Теперь обмотка реле 3 соединяется с источником питания через нормально замкнутый контакт 8 реле 7 и замкнувшийся контакт 4 реле 3, которое остается включенным независимо от того, какой логический уровень на входе 2 - нулевой или единичный. Чтобы выключить реле 3, необходимо на вход 11 подать логический импульсный сигнал, длительность которого превышает суммарное время срабатывания реле 7 и отпускания реле 3.
Транзисторы 19 и 20 усилителя 6 открываются, обмотка реле 7 соединяется с источником питания. Реле 7 срабатывает, его контакт 8 размыкается и отключает обмотку реле 3 от источника питания, реле 3 выключается, его контакт 4 размыкается. Далее на входах 11 и 2 необходимо установить нулевые потенциалы, при этом устройство возвращается в исходное состояние (изображено на чертеже).
Если устройство по какой-то причине отключается от управляющей ЭВМ, то реле 3 можно включить кнопкой 9 и выключить кнопкой 10.
Релейные устройства с ручным управлением до настоящего времени актуальны из-за исключительно высокой помехоустойчивости. Включенное или выключенное электромагнитное реле невозможно переключить никакими внешними электромагнитными полями. Реле, управление которым осуществляется маломощным управляющим сигналом через усилитель с высоким коэффициентом передачи по току, значительно более уязвимо для помех, хотя само по себе является хорошим фильтром нижних частот. Продолжая пример с контактором
КНЕ 030У, можно отметить, что его время срабатывания 0,2 сек., т.е. помехи, спектр которых начинается от 5 Гц для этого реле уже не опасны.
Для повышения надежности работы устройства за счет улучшения его помехоустойчивости в схемы усилителей постоянного тока 1 и 6 введены пороговые элементы 24 и 25, например полупроводниковые диоды. Если уровень управляющих сигналов позволяет, то можно применить несколько последовательно соединенных диодов.
Таким образом, повышение надежности предложенного устройства достигается посредством совмещения функций автоматического и ручного управления, повышения помехоустойчивости за счет использования свойства электромагнитного реле, как фильтра нижних частот. В этом технический результат, который достигается заявленным устройством,
Литература.
1. Артвик Б.А. Сопряжение микро-ЭВМ с внешними устройствами. М. "Машиностроение", 1983 г. Перевод с английского под ред. П.В.Нестерова.
2. Авторское свидетельство СССР №1163385, кл. Н 01 Н 47/32, 1984 г. Бюл. №23, 23.06.85 г.
3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Формулы и определения.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М., "Мир" 1982 г. Перевод с немецкого под ред. А.Г.Алексеенко.