Коммутатор напряжения питания

Область техники
Полезная одель относится к области резервированных систем электронной техники и может быть использована в схемах, где требуется коммутация напряжения с гальванической развязкой общего первичного источника питания от двух выходных шин устройства в каждом резерве системы в выключенном состоянии. Например, устройство может быть использовано в составе электронных приборов «холодного» резервирования с обеспечением его функционирования в целом при отказе одного любого элемента или связи в тракте какого-либо резерва.
Уровень техники
Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1]. В рамках рассмотрения в качестве аналога его части согласно цели предлагаемого технического решения коммутатор напряжения питания содержит вход включения коммутатора напряжения питания, вход выключения коммутатора напряжения питания, триггер, электронный ключ, блок нагрузки, две шины напряжения питания.
Коммутатор напряжения обеспечивает подключение блока нагрузки по импульсным сигналам на входах включения или выключения коммутатора напряжения. Недостаток коммутатора напряжения состоит в том, что он не обеспечивает полную гальваническую развязку блока нагрузки от шин напряжения питания при поступлении импульсного сигнала на вход выключения коммутатора напряжения. Другим недостатком этого коммутатора является низкая надежность вследствие потери работоспособности при отказе любого элемента коммутатора напряжения. Также недостатком является потребление энергии при выключенном состоянии коммутатора.
Прототип
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности является часть устройства [2], которая представляет собой коммутатор напряжения питания. Устройство содержит шину включения, две шины выключения, общую цепь включения и дублирующую входную шину, плюсовую и минусовую входные шины, плюсовую и минусовую выходные шины, два реле, два ключа, четыре диода, при этом минусовая входная шина последовательно соединена с первой цепью коммутации первого реле, первой цепью коммутации второго реле, минусовой выходной шиной, также устройство содержит последовательно соединенные вторые цепи коммутации второго реле, первый вывод последовательно соединенных вторых цепей коммутации соединен с плюсовой входной шиной, а второй - с плюсовой выходной шиной. Шина включения соединена с первыми выводами обмоток включения первого и второго реле, и входами ключей, коммутационные выводы которых соединены с вторыми выводами обмоток включения первого и второго реле соответственно. Общие выводы ключей соединены с общими выводами шин включения и выключения и с дублирующей входной шиной. Параллельно выводам обмоток включения первого и второго реле включены в обратном смещении первый и второй диоды соответственно. Шины выключения соединены с первыми выводами обмоток выключения первого и второго реле, вторые выводы которых соединены с общими выводами шин включения и выключения. Параллельно выводам обмоток выключения первого и второго реле включены в обратном смещении третий и четвертый диоды соответственно. Первое и второе реле поляризованного типа.
Коммутатор напряжения питания обеспечивает подключение нагрузки по импульсным сигналам на входах включения и обеспечивает полную гальваническую развязку нагрузки от шин источника первичного напряжения питания при поступлении импульсного сигнала на вход выключения. При этом в выключенном состоянии устройство не потребляет энергии.
Недостаток коммутатора напряжения состоит в наличии поляризованного электромагнитного реле. Вследствие этого имеют место дребезг контактов с возникновением мощных помех, низкая надежность и ресурс, большие габариты при больших токах нагрузки. Количество включений/выключений в пределах ресурса реле существенно ограниченно. Другим недостатком является отсутствие защиты от токов перегрузки. Цель полезной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей.
Поставленная цель достигается за счет того, что в качестве первого и второго реле использованы оптореле, содержащие первые цепи коммутации, введены третье и четвертое оптореле, содержащие вторые цепи коммутации, формирователь тока, два резистора, два формирователя импульса защиты, схема соединения светодиодов оптореле, второй вывод последовательно соединенных вторых цепей коммутации через первый резистор соединен с плюсовой входной шиной и с дублирующей входной шиной, главный вход схемы соединения светодиодов оптореле соединен с вторым выводом вторых цепей коммутации оптореле, шина включения соединена с катодом первого диода, анод которого соединен с катодом второго диода, анод которого соединен через формирователь тока с главным выходом схемы соединения светодиодов оптореле, другие входы и выходы которой соединены соответственно с анодами и катодами светодиодов всех оптореле, последовательно включенные первый и второй диоды являются первой цепью элемента ИЛИ, вторая цепь которого включена между минусовой выходной шиной и анодом второго диода, первая шина выключения соединена с первым входом первого ключа, вторая шина выключения соединена с первым входом второго ключа, общий вывод первого ключа соединен с дублирующей входной шиной, общий вывод второго ключа соединен с плюсовой входной шиной, второй вход первого ключа соединен с выходом первого формирователя импульса защиты, вход которого соединен с входом второго формирователя импульса защиты и с точкой соединения двух резисторов, общие цепи формирователей импульса защиты соединены с плюсовой входной шиной, второй вход второго ключа соединен с выходом второго формирователя импульса защиты, коммутационные выводы первого и второго ключей соединены с главным выходом схемы соединений светодиодов оптореле.
Сущность полезной модели
Устройство иллюстрируется фиг. 1 - схема для каждого резерва коммутатора напряжения питания. На фиг. 1 последовательно соединены минусовая входная шина 1, цепь коммутации первого оптореле 2, цепь коммутации второго оптореле 3, минусовая выходная шина 4. Плюсовая входная шина 5 через резистор 6 последовательно соединена с цепью коммутации третьего оптореле 7, цепью коммутации четвертого оптореле 8, плюсовой выходной шиной 9. Плюсовая входная шина 5 также соединена с дублирующей входной шиной 5*. Шина включения 10 соединена катодом диода 11, анод которого соединен с катодом диода 12, анод которого через формирователь тока 13 соединен с выходом схемы 14 соединения светодиодов оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16, первый вход которой соединен с точкой соединения резистора 6 с силовой цепью оптореле 7. Анод диода 12 также через последовательно соединенные цепи коммутации оптореле 15 и 16 соединен с минусовой выходной шиной 4. Диоды 11 и 12 представляют собой пассивную первую цепь 11* аналогового элемента ИЛИ, активная вторая цепь 12* которого представлена на фиг.1 цепями коммутации оптореле 15 и 16.
Аноды и катоды светодиодов оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 обозначены соответственно «а» и «к». Вариант (последовательного) соединения в прямом «смещении» светодиодов оптореле приведен пунктиром внутри схемы 14 соединения светодиодов оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16. При этом главный вход схемы 14 соединения светодиодов оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 внутри ее соединен с ее вторым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 7. Катод светодиода оптореле 7 соединен с третьим входом схемы 14, который внутри схемы 14… соединен с ее четвертым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 8. Катод светодиода оптореле 8 соединен с пятым входом схемы 14, который внутри схемы 14… соединен с ее шестым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 3. Катод светодиода оптореле 3 соединен с седьмым входом схемы 14,который внутри схемы 14… соединен с ее восьмым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 2. Катод светодиода оптореле 2 соединен с девятым входом схемы 14, который внутри схемы 14… соединен с ее десятым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 16. Катод светодиода оптореле 16 соединен с одиннадцатым входом схемы 14, который внутри схемы 14… соединен с ее двенадцатым входом, который соединен с анодом светодиода оптореле 15. Катод светодиода оптореле 15 соединен с тринадцатым входом схемы 14, который внутри схемы 14… соединен с ее главным выходом. Первая шина выключения 17 соединена с первым входом ключа 18, общий вывод которого соединен с дублирующей входной шиной 5*, а коммутационный вывод ключа 18 соединен с выходом схемы 14…. Вторая шина выключения 19 соединена с первым входом ключа 20, общий вывод которого соединен с плюсовой входной шиной 5, а коммутационный вывод ключа 20 соединен с выходом схемы 14…. Между входом и выходом схемы 14… включен резистор 21. Точка соединения резистора 6 с коммутационной цепью оптореле 7 соединена с информационными входами формирователей 22 и 23 импульса защиты от тока перегрузки. Выходы формирователей 22 и 23 импульса защиты от тока перегрузки соединены соответственно с вторыми входами ключей 18 и 20 соответственно. Выводы общей цепи формирователей 22 и 23 импульса защиты от тока перегрузки соединены с плюсовой входной шиной 5.
Ключи 18 и 20 в простейшем случае соответственно содержат p-n-p транзистор 24 и 25, а также соответственно резистор 26 и 27. Первый вход ключа 18 через резистор 26 соединен с базой p-n-р транзистора 24, которая соединена с вторым входом ключа 18. Общий вывод ключа 18 соединен с эмиттером p-n-р транзистора 24. Коммутационный вывод ключа 18 соединен с коллектором p-n-р транзистора 24. Первый вход ключа 20 через резистор 27 соединен с базой p-n-р транзистора 25, которая соединена с вторым входом ключа 20. Общий вывод ключа 20 соединен с эмиттером p-n-р транзистора 25. Коммутационный вывод ключа 20 соединен с коллектором p-n-р транзистора 25.
В качестве формирователя тока 13 может быть использован резистор или стабилизатор тока. Резистор 21 предназначен для устранения ложного срабатывания оптореле от воздействия помех в выключенном состоянии устройства. Его необходимость определяется наличием или отсутствием шунтирующих светодиоды оптореле элементов во внутренней структуре схемы 14… и помехоустойчивостью светодиодов оптореле. Наличие или отсутствие резистора 21 обусловлено необходимостью обеспечения помехоустойчивости одним внешним резистором по фиг. 1 или внутренними резисторами параллельно каждому светодиоду оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 согласно рекомендации завода-изготовителя, например, как в работе [3]. Выбор варианта соединений во внутренней структуре схемы 14… и установки помехоподавляющего резистора (резисторов) определяет разработчик устройства.
Формирователи 22 и 23 импульса защиты от тока перегрузки могут быть выполнены с использованием активных или пассивных элементов. Формирователь 22 (23) импульса защиты с использованием активных элементов иллюстрируется фиг. 2а. При этом выводы питания формирователей 22 и 23 импульса защиты на фиг. 1 соединены с анодом диода 12. Формирователь 22 (23) импульса защиты содержит p-n-р транзистор 28, между базой и эмиттером которого включен конденсатор 29. Между базой и эмиттером n-p-n транзистора 30 включен резистор 31. Эмиттер n-p-n транзистора 30 является выводом питания формирователя 22 (23) импульса защиты. Коллектор p-n-р транзистора 28 через резистор 32 соединен с базой n-p-n транзистора 30. Коллектор n-p-n транзистора 30 соединен с первым выводом резистора 33. Параллельно последовательно соединенным резисторам 34 и 35 подключен конденсатор 36. Вывод общей цепи формирователей 22 (23) импульса защиты, соединен с эмиттером p-n-p транзистора 28 и с точкой соединения резистора 35 с конденсатором 36. Точка соединения резисторов 34 и 35 является выходом формирователя 22 (23) импульса защиты. Между базой p-n-р транзистора 28 и информационным входом формирователя импульса защиты 22 (23) включен резистор 37. Анод диода 38 соединен с эмиттером n-p-n транзистора 30. Катод диода 38 соединен с коллектором n-p-n транзистора 30. Возможны и иные варианты исполнения формирователя импульса защиты 22 (23), например, с использованием операционных усилителей, триггерных устройств, элементов задержки….
Формирователь 22 (23) импульса защиты с использованием пассивных элементов иллюстрируется фиг. 2б и содержит между информационным входом формирователя 22 (23) импульса защиты и общей цепью формирователя 22 (23) импульса защиты последовательно соединенные резистор 40 и конденсатор 41. Точка соединения резистор 40 и конденсатор 41 соединена с выходом формирователя 22 (23) импульса защиты.
Управление устройствами в составе резервированной рабочей системы иллюстрируется фиг. 3, где представлены коммутатор напряжения питания 42 первого резерва, коммутатор напряжения питания 43 второго резерва, электронный прибор 44, первый резерв 45 электронного прибора 44, второй резерв 46 электронного прибора 44, общая, например нерезервированная, нагрузка 47, система управления и первичного питания 48, система телеметрии 49. Цифровые обозначения входных и выходных шин коммутаторов напряжения питания 42 и 43 соответствуют цифровым обозначениям фиг. 1.
На фиг. 4 представлен вариант коммутатора напряжения питания с исполнением второй цепи 12* аналогового элемента ИЛИ аналогично первой цепи 11* по фиг. 1 - на последовательно соединенных диодах 15 и 16.
Функционирование этого пассивного аналогового элемента ИЛИ подробно представлено в многочисленной литературе и дополнительного пояснения не требуется. Также вторая цепь 12* аналогового элемента ИЛИ может быть реализована, например, на паре последовательно включенных маломощных транзисторах. Вариант этого исполнения активной второй цепи 12* аналогового элемента ИЛИ в материалах патента не представлен, так как его реализация доступна инженеру средней квалификации.
Работа коммутатора напряжения питания по фиг. 1 в составе резервированной системы по фиг. 3 осуществляется следующим образом. Подача напряжения от системы управления 48 на минусовую и плюсовую входные шины 1 и 5 осуществляется одновременно для каждого коммутатора напряжения питания 42 и 43. При этом p-n-р транзисторы 24 и 25 ключей 18 и 20 находятся в закрытом состоянии, ток формирователя тока 13 отсутствует и цепь коммутации оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 - разомкнута. Соответственно первый резерв 45 и второй резерв 46 электронного прибора 44 обесточены.
10
4_9
min
10
4_9
min
При подаче сигнала от системы управления 48 на шину включения 10 коммутатора напряжения питания 42 первого резерва 45 в виде импульса отрицательного напряжения U относительно плюсовых входных шин 5 и 5* через цепь главный вход - главный выход схемы 14 соединения светодиодов оптореле, формирователь тока 13 и диоды 12 и 11 до шины включения 10 согласно фиг. 1 и далее до источника сигнала включения системы управления 48 фиг. 3 протекает ток заданной величины (соответственно через светодиоды оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16). При этом силовые цепи коммутации оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 переходят в замкнутое состояние, и на минусовой выходной шине 4 относительно плюсовой выходной шины 9 появляется напряжение U питания первого резерва 45 электронного прибора 44. По окончании импульса сигнала включения на шине включения 10 ток цепи главный вход - главный выход схемы 14… проходит от плюсовой входной шины 5 (5*) через цепь главный вход - главный выход схемы 14 … (соответственно через светодиоды оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16), формирователь тока 13, через замкнутые коммутационные цепи оптореле 15 и 16, замкнутые силовые цепи оптореле 3 и 2 до минусовой входной шины 1. При этом должно выполняться |U|<|U|<|U|, где величина U должна обеспечивать с учетом параметров элементов 11, … 14 формирование тока светодиодов оптореле согласно их документации. Данное включенное состояние коммутатора напряжения питания 42 сохраняется до поступления сигнала выключения хотя бы на одну из его шин выключения 17 или 19. Первый резерв 45 электронного прибора 44 при этом отрабатывает алгоритм функционирования нагрузки 47 (например, поворот вала) по алгоритму сигналов системы управления 48. Длительность импульса включения должна быть больше времени перехода коммутационных цепей оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 из разомкнутого состояния в замкнутое и обеспечивать окончание переходного процесса установления выходного напряжения коммутатора напряжения питания 42.
При наличии напряжения на первом (втором) резерве 45 (46) электронного прибора 44 в случае обнаружения системой управления 48 в некоторый момент времени по данным системы телеметрии 49 нештатной работы нагрузки 47 система управления 48 формирует сигналы в виде импульсов отрицательного напряжения, которые одновременно поступают по двум линиям на первую и вторую шины выключения 17 и 19 относительно плюсовой входной шины 5 и дублирующей входной шины 5* соответственно, например, коммутатора напряжения 42 (43) первого (второго) резерва 45 (46). При этом p-n-р транзисторы 24, 25 при их исправном состоянии открываются и шунтируют ток цепи главный вход - главный выход схемы 14…. Соответственно силовые коммутационные цепи оптореле 2, 3, 7, 8 и 15, 16 размыкаются и первый (второй) резерв 45 (46) электронного прибора 44 обесточивается.
При наличии одного отказа какого-либо элемента в ключе 18 или 20 шунтирование тока цепи главный вход - главный выход схемы 14… осуществляется другим (исправным по условию допустимости одного отказа в резервированной системе - фиг. 3) ключом 20 или 18. Соответственно при поступлении хотя бы одного из сигналов выключения силовые коммутационные цепи оптореле 2, 3, 7, 8 и 15, 16 размыкаются и первый (второй) резерв 45 (46) электронного прибора 44 обесточивается, не смотря на наличие одной неисправности в коммутаторе напряжения питания 42 (43).
В коммутаторе напряжения по фиг. 4 аналогично обесточивается цепь второй цепи 12* элемента аналогового ИЛИ. Ток по цепи главный вход - главный выход схемы 14 соединения светодиодов оптореле 2, 3, 7, 8 прекращается и далее сохраняется выключенное состояние силовых коммутационных цепей оптореле 2, 3, 7, 8 с отсутствием напряжения на первом и втором резервах 45 и 46 электронного прибора 44.
Длительность импульсов выключения должна быть больше времени перехода силовой коммутационной цепи оптореле 2, 3, 7, 8 и 15, 16 из замкнутого в разомкнутое состояние и обеспечивать окончание переходного процесса спада выходного напряжения коммутатора напряжения питания 42 (43).
Описанный процесс выключения коммутатора напряжения 42 первого резерва 43 системы может произойти в любой момент времени как вследствие отказа первого резерва 45, так и при отказе коммутатора напряжения питания 42, в том числе непосредственно после подачи сигнала включения на шину включения 10 этого резерва. Например, вследствие по крайней мере одной неисправности какого-либо элемента 11, 12, 13, 2, 3, 7, 8, 15, 16 и тому подобной цепи.
Для обеспечения функционирования нагрузки 47 с обнаруженным системой управления 48 отказом в первом резерве 45 или в коммутаторе напряжения питания 42 система управления 48 выключает коммутатор напряжения 42 и затем подает сигнал на шину включения 10 коммутатора напряжения питания 43, который как описано выше для коммутатора напряжения питания 42, обеспечивает напряжением питания второй резерв 46 электронного прибора 44. При этом обеспечивается требование функционирования нагрузки 47 при одной неисправности электронного прибора 44, частью которого являются коммутаторы напряжения питания 42 и 43 - фиг. 3. Аналогично осуществляется переключение функционирования электронного прибора 44 с второго резерва 46 на первый 45. Также переключение резервов электронного прибора 44 возможно по тестовому требованию системы управления 48 при отсутствии признаков несоответствия алгоритма функционирования нагрузки 47.
6
доп
бэ
доп
6
бэ
Резистор 6 выполняет функцию датчика тока нагрузки коммутатора напряжения питания. Величину сопротивления резистора 6 выбирают согласно выражению R=Uбэ/K⋅I, где U - напряжение между базой и эмиттером p-n-р транзистора, I - допустимый рабочий ток нагрузки, K - коэффициент защиты (определяет величину тока срабатывания защиты). При величине напряжения на резисторе R равном U формирователь 22 и 23 вырабатывают импульс отрицательного напряжения, который переводит p-n-р транзисторы 24 и 25 ключей 18 и 20 в открытое состояние. Соответственно шунтируется ток светодиодов всех оптореле как описано выше и силовые коммутационные цепи оптореле переходят в разомкнутое состояние.
н
доп
4-9
н
доп
4-9
4-9
н
34_35
36
37
29
36
34_35
29
опто
н
опто
н
4-9
34
34
14
бн
14
бн
Формирование импульса токовой перегрузки по фиг. 2а осуществляется следующим образом. При токе I<K⋅I транзисторы 28 и 30 в закрытом состоянии, напряжение на выходах формирователей 22 и 23 импульса защиты от тока перегрузки равно нулю, что обеспечивает возможность включения коммутатора напряжения питания. При наличии напряжения U и увеличении тока до I>K⋅I транзисторы 28 и 30 открываются, конденсатор 36 быстро заряжается до U. На выходах формирователя 22 и 23 импульса защиты появляется напряжение практически равное U. При этом p-n-p транзисторы 24 и 25 при их исправном состоянии открываются и шунтируют ток цепи главный вход - главный выход схемы 14…. Соответственно силовые коммутационные цепи оптореле 2, 3, 7, 8, 15 и 16 размыкаются и первый (второй) резерв 43 (44) электронного прибора 42 обесточивается. Условием надежной защиты от токов перегрузки является выполнение соотношения τ≤R⋅С≥R⋅C, где С, R, С - номиналы соответствующих элементов, τ<τ, где, τ - время изменения сопротивления коммутационной цепи оптореле, τ - постоянная времени спада напряжения U при срабатывании защиты от токов перегрузки. Величину сопротивления R выбирают из соотношения R≤U/I, где U - величина напряжения между выводами главный вход - главный выход схемы 14… при включенном состоянии коммутатора напряжения питания, I - величина тока насыщения базы p-n-р транзистора 24 (25), обеспечивающая его надежное открытое состояние. Диод 38 предназначен для защиты транзистора 30 от переполюсовки при разряде конденсатора 36 через низкоомную нагрузку коммутатора напряжения питания в процессе его выключения. Диод 39 предназначен для предотвращения быстрого разряда конденсатора 36 через диод 38, резистор 33 и нагрузку коммутатора напряжения питания в момент срабатывания защиты от тока перегрузки. Назначение конденсатора 29 - предотвращение влияния помех и действия защиты от пусковых токов.
4-9
н
доп
бэ
бэ
опто
40_41
опто
40_41
Формирование импульса токовой перегрузки по фиг. 2б осуществляется следующим образом. При наличии напряжения U и увеличении тока до I>K⋅I конденсатор 41 заряжается до U. При величине напряжения на конденсаторе 41, равном U p-n-р транзисторы 24 и 25 ключей 18 и 20 открываются. Соответственно шунтируется ток светодиодов всех оптореле, как описано выше, и силовые коммутационные цепи оптореле переходят в разомкнутое состояние. При этом устройство по фиг. 2б следует применять с осторожностью вследствие возможного неблагоприятного сочетания параметров τ, постоянной времени τ цепи резистор 40 и конденсатор 41, постоянной времени разряда емкости нагрузки коммутатора, характера нагрузки (емкостной, индуктивный, активный, с «отрицательным» сопротивлением и прочее). При неблагоприятном сочетании параметров возможно самовозбуждение устройства в режиме срабатывания токовой защиты. Например, это возможно при τ>τ. Рекомендуется проверять на реальном макете устройства.
Технический результат
Техническим результатом является повышение надежности коммутатора напряжения питания за счет замены электромеханических реле на оптореле. При этом устранено вредное влияние на электронный прибор (ЭП) дребезга контактов электромеханических реле. Надежность подачи напряжения питания на какой-либо резерв ЭП без отказа его элементов (функционирование нагрузки ЭП) обеспечивается одним из двух коммутаторов напряжения питания в каждом резерве ЭП за счет системы управления. Данная структурная организация (фиг. 1, фиг. 4) обеспечивает выполнение требования минимизации количества элементов устройства при сохранении работоспособности резервированного ЭП 44 с отказом одного любого элемента. Управление p-n-р транзисторами 24, 25 с использованием монтажного ИЛИ обеспечивает функционирование устройства как при его штатном выключении, так и в дополнительном (аварийном) режиме токовой защиты. За счет этого устройство обеспечивает расширение функциональных возможностей - резервированная защита от превышения тока нагрузки более допустимого с минимизацией элементной базы. Энергопотребление коммутатора напряжения питания в выключенном состоянии определяется токами утечки оптореле. Количество включений/выключений в пределах ресурса оптореле его документацией не ограничено в отличие от электромеханических реле, что в этом аспекте также расширяет функциональные возможности.
Источники информации
1. Описание изобретения к патенту RU 2208292, МПК: H03K 17/08, 10.07.2003 г.
2. Прибор ЭП-59.029, Схема электрическая принципиальная ИНАЯ.461259.029 ЭЗ, 2017 г. (Приложение 1).
3. Прибор ЭП-59.055, Схема электрическая принципиальная ИНАЯ.30 1229.219 Э3, 2019 г. (Приложение 2).