КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE COMMUTATOR

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в схемах управления нагрузкой, например, двигателями, где требуется двухполюсная коммутация с возможностью подключения к нагрузке разных полюсов источника питания (мостовая схема подключения нагрузки).
Известен коммутатор напряжения [1], содержащий в каждом канале ключ, блок нагрузки, мультиплексор, запоминающее устройство.
Недостаток этого коммутатора состоит в том, что он не обеспечивает двухполюсную коммутацию нагрузки и не может быть использован для управления, например, двигателями, где необходимо их подключение к коммутатору, выполненному по мостовой схеме.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения [2], содержащий устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, индикатор, параллельно соединенные цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные коммутатор положительного и коммутатор отрицательного потенциала напряжения.
Недостатком этого коммутатора напряжения является низкая надежность. Так при отказе любого элемента коммутатор теряет свою работоспособность.
Задача изобретения - повышение надежности.
Решение этой задачи достигается тем, что в коммутатор напряжения, содержащий устройство формирования сигналов управления, первый и второй ключи, индикатор, две параллельно соединенные цепи, одна из которых содержит последовательно соединенные первый коммутатор положительного и первый коммутатор отрицательного потенциала напряжения, вторая содержит последовательно соединенные второй коммутатор положительного и второй коммутатор отрицательного потенциала напряжения, при этом входная шина соединена с входом устройства формирования сигналов управления, сигнальные входы которого подключены к соответствующим выходам индикатора, а первый выход устройства формирования соединен с входами управления первого коммутатора положительного потенциала напряжения и второго коммутатора отрицательного потенциала напряжения, второй выход устройства формирования соединен с входами управления второго коммутатора положительного потенциала напряжения и первого коммутатора отрицательного потенциала напряжения, коммутируемые входы первого и второго ключей соединены соответственно с шиной положительного и с шиной отрицательного потенциала напряжения, дополнительно введен аналогичный первому второй коммутатор напряжения, при этом каждый из них дополнительно содержит первый элемент ИЛИ, третий и четвертый ключи, компаратор с гистерезисом, равным уровню его включения, датчик тока и модель - подобие устройства формирования сигналов управления, вход которого подключен к входной шине, третий выход модели - подобия соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, сигнальные входы модели - подобия соединены с соответствующими выходами индикатора, а дополнительный вход соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с управляющими входами первого и второго ключей и выходом компаратора с гистерезисом, вход которого соединен с коммутируемыми входами первого и второго коммутаторов положительного потенциала напряжения и выходом датчика тока, вход которого соединен с выходом первого ключа, коммутируемый выход первого и второго коммутаторов отрицательного потенциала напряжения соединен с выходом второго ключа, коммутируемый выход первого коммутатора положительного потенциала напряжения соединен с первым выводом индикатора и входом третьего ключа, выход которого соединен с первым выходом коммутатора напряжения, коммутируемый выход второго коммутатора положительного потенциала напряжения соединен со вторым выводом индикатора и входом четвертого ключа, выход которого соединен со вторым выходом коммутатора напряжения, управляющие входы третьего и четвертого ключей соединены с выходом первого элемента ИЛИ, а первый и второй выводы каждого коммутатора напряжения подключены к нагрузке.
Устройство формирования сигналов управления, содержащее формирователь управляющих сигналов, вход которого соединен с входной шиной, дополнительно содержит первый, второй и третий элементы исключающее ИЛИ и второй элемент ИЛИ, выход которого соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления и вторым входом третьего элемента исключающее ИЛИ, а первый и второй входы второго элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго элементов исключающее ИЛИ, первые входы которых соединены с соответствующими сигнальными входами, а вторые входы соединены с соответствующими выходами формирователя управляющих сигналов, при этом, первый вход третьего элемента исключающее ИЛИ соединен с дополнительным входом, а выход третьего элемента исключающее ИЛИ соединен с третьим выходом устройства формирования сигналов управления.
На фиг.1 приведена блок-схема коммутатора напряжения, на фиг.2 и фиг.3 приведена блок-схема устройства формирования сигналов управления, поясняющая его работу.
На фиг.1: 1 - входная шина, 2 - устройство формирования сигналов управления, 3 - модель - подобие устройства формирования сигналов управления, 4 и 5 - соответственно первый и второй коммутаторы положительного потенциала напряжения, 6 и 7 - соответственно первый и второй ключи, 8 и 9 - первый и второй коммутаторы отрицательного потенциала напряжения, 10 - первый элемент ИЛИ, 11 - компаратор с гистерезисом, 12 - индикатор, 13 - датчик тока, 14 и 15 - первый и второй выходы коммутатора напряжения, 16 - третий ключ, 17 - четвертый ключ, 18 - шина положительного потенциала напряжения, 19 - шина отрицательного потенциала напряжения, 20 - нагрузка, 21 - первый коммутатор напряжения, 22 - второй коммутатор напряжения.
На фиг.2: 1 - упомянутая входная шина, 23 - формирователь управляющих сигналов, 24 и 25 - первый и второй элементы исключающее ИЛИ, 26 - второй элемент ИЛИ, 27 - информационный выход.
На фиг.3: 1 - упомянутая входная шина, 23 - упомянутый формирователь управляющих сигналов, 24 и 25 - упомянутые первый и второй элементы исключающее ИЛИ, 26 - упомянутый второй элемент ИЛИ, 28 - третий элемент исключающее ИЛИ, 29 - третий выход.
На фиг.1 входная шина 1 соединена с входами устройства формирования сигналов управления 2 первого 21 и второго 22 коммутаторов напряжения, с входами модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого 21 и второго 22 коммутаторов напряжения. В каждом коммутаторе напряжения параллельно соединены две цепи, одна из которых содержит последовательно соединенные первый коммутатор положительного 4 и первый коммутатор отрицательного 8 потенциала напряжения, вторая содержит последовательно соединенные второй коммутатор положительного 5 и второй коммутатор отрицательного 9 потенциала напряжения, коммутируемый выход коммутатора 4 соединен с первым выводом индикатора 12 и входом третьего ключа 16, коммутируемый выход коммутатора 5 соединен со вторым выводом индикатора 12 и входом четвертого ключа 17. Коммутируемые входы первого 6 и второго 7 ключей соединены соответственно с шиной положительного 18 и с шиной отрицательного 19 потенциала напряжения. Сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 и модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 подключены к соответствующим выходам индикатора 12, а первый выход устройства формирования 2 соединен с управляющими входами коммутатора положительного 4 и коммутатора отрицательного 9 потенциала напряжения, второй выход устройства формирования 2 соединен с управляющими входами коммутатора положительного 5 и коммутатора отрицательного 8 потенциала напряжения. Дополнительный вход модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 соединен с информационным выходом устройства формирования сигналов управления 2, выход первого ключа 6 соединен с входом датчика тока 13, выход которого соединен с входом компаратора с гистерезисом 11 и с коммутируемыми входами коммутаторов положительного потенциала напряжения 4 и 5. Выход второго ключа 7 соединен с коммутируемыми выходами коммутаторов отрицательного 8 и 9 потенциала напряжения. Управляющие входы третьего 16 и четвертого 17 ключей соединены с выходом первого элемента ИЛИ 10, первый вход которого соединен с третьим выходом модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3, второй вход первого элемента ИЛИ 10 соединен с выходом компаратора с гистерезисом 11 и управляющими входами первого 6 и второго 7 ключей. Выход третьего ключа 16 соединен с первым выходом 14, выход четвертого ключа 17 соединен со вторым выходом 15. К выходам 14 и 15 подключена нагрузка 20.
На фиг.2 шина управления 1 соединена с входом формирователя управляющих сигналов 23, выходы которого соединены со вторыми входами первого 24 и второго 25 элементов исключающее ИЛИ, первые входы которых соединены с сигнальными входами. Выходы элементов исключающее ИЛИ 24 и 25 соединены с соответствующими входами второго элемента ИЛИ 26, выход которого подключен к информационному выходу 27.
На фиг.3 шина управления 1 соединена с входом формирователя управляющих сигналов 23, выходы которого соединены со вторыми входами первого 24 и второго 25 элементов исключающее ИЛИ, первые входы которых соединены с сигнальными входами. Выходы первого 24 и второго 25 элементов исключающее ИЛИ соединены с соответствующими входами второго элемента ИЛИ 26, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента исключающее ИЛИ 28, первый вход которого соединен с дополнительным входом, а выход третьего элемента исключающее ИЛИ 28 соединен с третьим выходом 29.
Коммутатор напряжения работает следующим образом. По входной шине 1 поступают сигналы, которые преобразуются по заданным правилам в управляющие сигналы устройством формирования сигналов управления 2. Будем предполагать, что в качестве нагрузки 20 используются двигатели, обмотка управления которых подключается к коммутатору напряжения по мостовой схеме, при этом в зависимости от того, какие плечи мостовой схемы включены, ток через обмотку протекает в том или другом направлении. Если, например, включены коммутаторы 4 и 9, то ток через нагрузку 20 при замкнутых ключах 16 и 17 протекает в одном направлении, а если включены коммутаторы 5 и 8, то ток через нагрузку протекает в противоположном направлении. Нагрузка 20 имеет три состояния: нагрузка включена в одном направлении, нагрузка включена в противоположном направлении, нагрузка выключена. Индикатор 12 является индикатором состояния нагрузки 20 и подключен к ней. Индикатор 12 фиксирует каждое из состояний нагрузки и поэтому имеет два выхода: первый выход (активное состояние, высокий уровень) фиксирует включение нагрузки 20 в одном направлении, второй выход (активное состояние, высокий уровень) фиксирует включение нагрузки 20 в другом направлении. Пассивное состояние (низкий уровень) обоих выходов фиксирует выключенное состояние нагрузки 20. В качестве такого индикатора используются два оптрона, подключенных к нагрузке по известным правилам. Выходные сигналы этих оптронов регистрируют направление протекающего тока в нагрузке либо его отсутствие. Кроме того, считаем, что выходы обоих каналов подключены к общей нагрузке 20.
11
12
21
22
11
12
21
22
Выходные сигналы С и C индикатора 12 (первый символ индекса «1» означает принадлежность к первому коммутатору напряжения 21, второй символ индекса «1, 2» означает порядковый номер выходного сигнала) поступают на сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 первого коммутатора напряжения 21, выходные сигналы C, С индикатора 12 поступают на сигнальные входы устройства формирования сигналов управления 2 второго коммутатора напряжения 22. Первый В и второй B выходные сигналы (первый символ индекса «1» означает принадлежность к первому коммутатору напряжения 21, второй символ индекса «1, 2» означает порядковый номер выходного сигнала) устройства формирования сигналов управления 2 поступают соответственно на управляющий вход коммутатора положительного 4 и коммутатора отрицательного 9 потенциалов напряжения и управляющий вход коммутатора положительного 5 и коммутатора отрицательного 8 потенциалов напряжения первого коммутатора напряжения 21. Первый B и второй В выходные сигналы устройства формирования сигналов управления 2 поступают соответственно на управляющий вход коммутатора положительного 4 и коммутатора отрицательного 9 потенциалов напряжения и управляющий вход коммутатора положительного 5 и коммутатора отрицательного 8 потенциалов напряжения первого коммутатора напряжения 22.
11
21
12
22
1
2
11
21
12
22
1
2
01
1
2
10
1
2
00
1
11
21
2
12
22
1
11
21
2
2
11
21
При поступлении входного сигнала по входной шине 1 (обозначим его U) устройство формирования сигналов управления 2 каждого из коммутаторов напряжения 21 и 22 вырабатывает необходимые сигналы В (B) и B (В), которые по заданному одинаковому временному закону подключают нагрузку к источнику напряжения. В простейшем случае входной сигнал U представляет собой комбинацию из двух дискретных сигналов U и U, каждый из которых может принимать значения 0 или 1. Длительность входного сигнала U определяет длительность сигналов В (B) и B (В) управления нагрузкой 20. Входной сигнал U должен содержать информацию о включении нагрузки 20 в одном направлении, о включении нагрузки 20 в противоположном направлении и о выключении нагрузки. Входной сигнал U можно представить в следующем виде: U=01 (U=0, U=1) соответствует включению нагрузки в одном направлении (будем обозначать U), U=10 (U=1, U=0) соответствует включению нагрузки в противоположном направлении (будем обозначать U), U=00 (U=0, U=0) соответствует выключению нагрузки (будем обозначать U). В этом случае входной сигнал U формирует, например, сигнал В (B), а входной сигнал U формирует сигнал B (B). Так как длительность входного сигнала U равна длительности выходного сигнала В (B), а длительность входного сигнала U равна длительности выходного сигнала U, то формирователь управляющих сигналов 23 в этом случае представляет собой устройство, формирующее сигналы В (B) и
12
22
1
2
B (B) по закону изменения входных сигналов U (U), при этом формирователь 23 производит при необходимости согласование уровней напряжения входных и выходных сигналов и их гальваническую развязку.
01
10
00
01
10
00
В общем случае входной сигнал U представляет собой некоторую заданную временную последовательность сигналов U, U, U. Длительность каждого из указанных сигналов U, U, U определяет длительность соответствующего воздействия на нагрузку 20.
11
21
12
22
11
12
21
22
При поступлении сигналов В (B) и B (В) индикатор 12 формирует соответственно сигналы С и В в первом коммутаторе напряжения 21 и сигналы С и С во втором коммутаторе напряжения 22. Индикатор 12 является индикатором состояния нагрузки 20. Как следует из приведенного выше описания, нагрузка 20 имеет три состояния: нагрузка включена в одном направлении
11
21
12
22
В (B)=0, B (В)=1, нагрузка включена в противоположном направлении
11
21
12
22
11
21
12
22
12
22
11
21
11
21
12
22
В (B)=1, B (В)=0, нагрузка выключена В (B)=0, B (В)=0. В рассматриваемом случае включенное в одном направлении состояние нагрузки 20 регистрируется одним оптроном, формирующим сигнал C(C)=1, включенное в противоположном направлении состояние нагрузки 20 регистрируется другим оптроном, формирующим сигнал С (C)=1. Выключенное состояние нагрузки 20 регистрируется выключенным состоянием обоих оптронов (C(C)=0, С(С)=0).
1i
11
2i
2i
1i
1i
2i
3
1i
2i
1
2
Устройство формирования сигналов управления 2 каждого из коммутаторов напряжения 21 и 22 (см. фиг.2) производит сравнение сигнала управления В (i=1,2) и сигнала индикатора С (сигнала обратной связи) в первом коммутаторе напряжения 21 и сравнение сигнала управления B и сигнала индикатора C во втором коммутаторе напряжения 22. При исправной работе обоих коммутаторов напряжения сигналы В и С, B и С равны. В этом случае выходные сигналы элементов исключающее ИЛИ 24 и 25 А первого коммутатора напряжения 21 и сигналы A второго коммутатора напряжения 22 равны нулю. Тогда выходной сигнал второго элемента ИЛИ 26 R первого коммутатора напряжения 21 и выходной сигнал второго элемента ИЛИ 26 R второго коммутатора напряжения 22 также равны нулю.
3i
4i
Пусть выходные сигналы формирователя 23 модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого коммутатора напряжения 21 обозначаются символом В а выходные сигналы формирователя 23 модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 второго коммутатора напряжения 22 обозначаются символом B (фиг.3). Модель - подобие в рассматриваемом случае означает, что устройство формирования сигналов управления 2 и модель - подобие 3 имеют одну физическую природу. Иначе говоря, модель - подобие 3 и устройство формирования сигналов управления 2 реализованы на аналогичных типовых электронных элементах.
1
11
21
31
41
11
21
2
12
22
32
42
12
22
3i
1i
1i
4i
2i
2i
3
1
2
С учетом изложенного при исправной работе коммутатора напряжения выполняются следующие соотношения: U=В (B)=В (B)=С (C), U=В (B)=В (В)=C (C). В силу равенства сигналов B и С выходные сигналы элементов исключающее ИЛИ 24 и 25 D, модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого коммутатора напряжения 21 равны нулю. По той же причине в силу равенства сигналов B и B и сигналы D второго коммутатора напряжения 22 равны нулю. Тогда выходной сигнал R второго элемента ИЛИ 26 модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого коммутатора напряжения 21 и выходной сигнал R4 второго элемента ИЛИ 26 второго коммутатора напряжения 22 также равны нулю. В этом случае выходной сигнал S третьего элемента исключающее ИЛИ 28 модели - подобия устройства формирования сигналов управления 3 первого коммутатора напряжения 21 и выходной сигнал S второго коммутатора напряжения 22 равны нулю.
m
m
1
m
1
m
m
1
1
2
m
1
1
1
2
1
2
1
2
1
1
Ток I, протекающий в цепи коммутаторов, регистрируется датчиком тока 13, выходной сигнал которого поступает на вход компаратора с гистерезисом 11. Компаратор 11 представляет собой релейный элемент с гистерезисом, включение которого происходит при входном сигнале I=I, а выключение при входном сигнале I<0 за счет гистерезиса, равного сигналу I. Установка компаратора в единичное состояние l=1 происходит при входном сигнале I≥I, установка компаратора в нулевое состояние I=0 происходит при входном сигнале I<0. В исходном состоянии компаратор 11 устанавливается в нулевое состояние, что достигается подачей на его вход сигнала I<0. Если ток I<I (I - некоторое заданное значение), выходной сигнал компаратора I=0 (I - для первого коммутатора напряжения 21, I- для второго коммутатора напряжения 22). Если ток I≥I, переключается компаратор 11 и его выходной сигнал I=1, при этом за счет гистерезиса компаратор 11 удерживается в этом положении до момента формирования исходного состояния. При исправной работе коммутатора напряжения сигнал I=0. Если S=0 (S=0), I=0 (I=0), выходной сигнал первого элемента ИЛИ 10 F=0 (для второго коммутатора напряжения 22 F=0). Считаем, что при I=0 и F=0 формируется управляющий сигнал первого 6 и второго 7 ключей, третьего 16 и четвертого 17 ключей, при котором они замкнуты. Таким образом, при исправной работе обоих коммутаторов напряжения задаваемая входной шиной 1 программа управления нагрузкой будет реализовываться синхронно в обоих каналах.
1
3
1
1
1
2
4
2
2
2
Сформулируем условия формирования выходных сигналов R, R, S, I и F первого коммутатора напряжения 21 и сигналов R, R, S, I и F второго коммутатора напряжения 22. С учетом сказанного имеем
00
1
2
11
00
Рассмотрим возможные случаи отказа элементов в каждом из коммутаторов напряжения. Под отказом будем понимать несанкционированное поведение любого элемента схемы, при котором состояние элемента не соответствует состоянию входных сигналов. К типичным отказам относятся отказы типа "обрыв", когда выходной сигнал отказавшего элемента отсутствует, несмотря на наличие его входного сигнала, и отказы типа "замыкание", когда на выходе отказавшего элемента присутствует выходной сигнал, несмотря на отсутствие входного сигнала. Пусть, например, входной сигнал U=U (U=0, U=0) и отказало устройство формирования сигналов управления 2 в первом коммутаторе напряжения 21 таким образом, что оно формирует ложную команду В=1, что не соответствует входному сигналу U=U. В этом случае будет включен коммутатор положительного 4 и коммутатор отрицательного 9 потенциала напряжения и как следствие будет сформирован сигнал
11
1
С=1 индикатора 12 и сигнал R=0 второго элемента ИЛИ 26 (фиг.2)
12
12
11
11
3i
11
3
1
32
12
31
12
1
1
1
(В=C=0, В=С=1). В силу исправности модели - подобия устройства формирования 3 выходные сигналы формирователя управляющих сигналов 23 В=0, а так как С=1, то из (2) и (3) имеем R=1, S=1 (В=C=0, В=0, С=1, R=0). Выходной сигнал модели - подобия устройства формирования 3 S=1 первого коммутатора напряжения 21 поступает на вход первого элемента ИЛИ 10 и его выходной сигнал F=1 производит размыкание третьего 16 и четвертого ключа 17, что приводит к отключению неисправного канала.
00
1
2
11
12
00
10
1
2
11
12
01
1
2
11
12
m
1
1
1
Пусть отказал, например, коммутатор 4 (отказ типа «замыкание»). В этом случае при входном сигнале U=U (U=0, U=0) нагрузка 20 будет отключена, так как разомкнуты коммутаторы 5, 8 и 9 (В=B=0), т.е. состояние нагрузки 20 соответствует входному сигналу U. При входном сигнале U=U (U=1, U=0) включаются коммутаторы 4 и 9 (В=1, B=0) и нагрузка 20 подключается в заданное входным сигналом состояние (отказавший коммутатор 4 находится в нужном состоянии). При входном сигнале U=U (U=0, U=1) включаются коммутаторы 5 и 8 (B=0, B=1). Так как коммутаторы 4 и 8 оказываются замкнутыми, то в цепи этих коммутаторов протекает ток I>I, вследствие чего происходит переключение компаратора 11 и его выходной сигнал I=1 производит размыкание первого 6 и второго 7 ключей. Вместе с тем, сигнал I=1 поступает на вход первого элемента ИЛИ 10 и формирует его выходной сигнал F=1, который производит размыкание третьего 16 и четвертого ключа 17, что приводит к отключению неисправного канала.
1
1
1
Пусть отказала модель - подобие устройства формирования сигналов управления 3. Если этот отказ не приводит к формированию выходного сигнала S=1, то такой отказ не влияет на работоспособность первого коммутатора напряжения 21. Если этот отказ приводит к формированию выходного сигнала S=1, то этот сигнал поступает на вход первого элемента ИЛИ 10 и устанавливает его выходной сигнал F=1, который производит размыкание третьего 16 и четвертого ключа 17, что приводит к отключению неисправного канала.
1
1
Пусть отказал в первом коммутаторе напряжения 21 компаратор 11 таким образом, что на его выходе формируется сигнал I=1. В этом случае происходит размыкание первого 6 и второго 7 ключей, а так как выходной сигнал первого элемента ИЛИ 10 F=1, то этот сигнал размыкает также третий 16 и четвертый 17 ключи, что приводит к отключению неисправного канала.
Как следует из приведенного анализа, любой единичный отказ приводит к исключению из управления неисправного коммутатора напряжения и система управления продолжает исправно функционировать с вторым исправно работающим коммутатором напряжения.
1
2
Оценим надежность известного [2] и предлагаемого устройства. Пусть надежность известного устройства равна P. По сравнению с известным устройством каждый канал предлагаемого коммутатора напряжения дополнительно содержит модель - подобие устройства формирования сигналов управления 3, компаратор 11, первый элемент ИЛИ 10. Пусть надежность этих элементов равна Р. Надежность предлагаемого устройства Р можно оценить в виде
1
Коэффициент повышения надежности Q определим в виде отношения вероятности отказа q известного решения и вероятности отказа q предлагаемого решения. В этом случае
2
Оценим коэффициент повышения надежности Q для Р=0,9, P=0,95. В этом случае
1
2
1
2
1
2
1
2
Р=(P·Р)+2Р·Р(1-Р·P)=0,979, q=0,0121, q=0, 1
Q=0,1/0,0121=8,26
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, элементы равнозначности, световые индикаторы, компараторы, элементы ИЛИ, управляемые коммутаторы.
Литература
1. Патент Российской Федерации №2210182, кл. Н03К 17/08, 2003 г.
2. Патент Российской Федерации №2214041, кл. Н03К 17/08, 2003 г.