МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР НАГРУЗКИ
MULTI-CHANNEL SOLID-STATE LOAD CONTROLLER

Многоканальный твердотельный контроллер нагрузки относится к электронной коммутационной технике и может быть использован для коммутации силовых энергетических цепей постоянного тока.
Известен твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к внешнему источнику питания, а выход соединен с первым входом узла управления и защиты, коммутатор, второй вход которого соединен с первым выходом узла управления и защиты, а первые вход и выход являются входом и выходом силовой цепи устройства, второй выход узла управления и защиты соединен со входом узла гальванической развязки, выход узла гальванической развязки соединен со входом буфера, выход которого является выходом состояния устройства, узел временной задержки, вход которого соединен с выходом узла преобразования напряжения, а выход соединен со вторым входом узла управления и защиты, третий вход которого соединен со вторым выходом коммутатора, второй вход узла преобразования напряжения является входом управления устройства, а третий вход - входом сброса устройства (патент РФ №2304343, МПК Н02М 3/00).
Однако известный контроллер имеет ограниченную область применения, обусловленную невозможностью управлять коммутацией нескольких независимых силовых энергетических цепей постоянного тока, а объединение нескольких таких контроллеров в многоканальный контроллер приводит к пропорциональному увеличению стоимости, габаритов и энергопотребления такого устройства.
Технический результат заявляемого изобретения выражается в расширении области применения за счет обеспечения возможности управления коммутацией нескольких независимых силовых энергетических цепей постоянного тока и снижении стоимости, энергопотребления и массогабаритных характеристик в пересчете на один канал.
Для достижения указанного технического результата в твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, выход которого соединен с входом буфера, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к внешнему источнику питания, узел управления и защиты, коммутатор, первые вход и выход которого являются входом и выходом силовой цепи устройства, а вторые вход и выход соединены соответственно с первым выходом и третьим входом узла управления и защиты, введены (n-1) узлов управления и защиты, (n-1) коммутаторов, образуя при этом n независимых коммутационных каналов, узел разделения потенциалов и узел интерфейса, причем первые входы узла гальванической развязки, первый вход узла интерфейса и третий вход буфера подключены к внешнему источнику питания, выход узла преобразования напряжения соединен с входом узла разделения потенциалов, n выходов которого соединены со вторыми входами соответствующих узлов управления и защиты, первые входы каждого из n узлов управления и защиты соединены с соответствующими вторыми выходами узла интерфейса, а вторые выходы - с соответствующими вторыми входами узла интерфейса, первый выход которого соединен со вторым входом узла преобразования напряжения, а третьи вход и выход - соответственно со вторыми выходом и входом узла гальванической развязки, третий вход которого соединен со вторым выходом буфера, первый вход и первый выход которого являются входом и выходом цепей управления устройства.
Узел гальванической развязки соединен с узлом интерфейса и буфером последовательным интерфейсом, например стандартизованным или разработанным для конкретного применения контроллера.
На чертеже представлена структурная схема твердотельного контроллера нагрузки.
Твердотельный контроллер нагрузки состоит из буфера 1, выполненного на базе микросхем согласования уровней, узла 2 гальванической развязки, выполненного на базе оптронов, трансформаторов и т.д., n узлов 3 управления и защиты, каждый из которых состоит из схемы управления выходным ключом (транзисторный усилитель тока) и схемы сравнения напряжения с эталонными значениями (на основе компараторов), который может быть реализован как на базе дискретных элементов, так и на БИС базового матричного кристалла, узла 4 преобразования напряжения, состоящего из последовательно включенных генератора импульсов (на базе микросхем), повышающего трансформатора с гальванически не связанными с общим проводом схемы обмотками и выпрямителя (на базе диодов и стабилитронов), n коммутаторов 5, состоящих из включенных последовательно коммутируемой цепи ключа (на основе силовых транзисторов) и датчика тока (например, преобразователя ток-напряжение на низкоомном резисторе), узла 6 интерфейса, который может быть построен на базе дискретных логических элементов, на БИС базового матричного кристалла или на микроконтроллере, узла 7 разделения потенциалов (например, на базе дискретных развязывающих диодов, диодных сборок и т.п.).
Каждая пара, состоящая из узла 3 управления и защиты и коммутатора 5, образует независимый коммутационный канал.
Первый вход коммутатора 5 каждого из n каналов подключен к внешнему источнику напряжения, питающего нагрузку, а первый выход коммутатора 5 каждого из n каналов предназначен для подключения нагрузки, коммутируемой данным каналом.
Твердотельный контроллер нагрузки работает следующим образом.
Для начала работы контроллера на третий вход буфера 1, на первый вход узла 2 гальванической развязки, на первый вход узла 4 преобразования напряжения и на первый вход узла 6 интерфейса подается питание от внешних цепей. При этом узел 6 интерфейса подает сигнал включения с первого выхода на второй вход узла 4 преобразования напряжения. Узел 4 преобразования напряжения формирует напряжение питания, поступающее с его выхода на вход узла 7 разделения потенциалов, который разделяет это напряжение для каждого из n каналов. Разделенные напряжения с выходов узла 7 разделения потенциалов поступают на соответствующие вторые входы узлов 3 управления и защиты каждого из каналов. Разделение питающих напряжений предотвращает влияние каждого из n каналов друг на друга при их включениях/отключениях.
По внешним цепям контроллера (первый вход и первый выход буфера 1) осуществляется обмен данными, которые через буфер 1 и узел 2 гальванической развязки поступают в узел 6 интерфейса или выдаются из него. Входными данными контроллера являются команды управления и значения временных задержек отключения для каждого из n каналов; выходными данными являются сигналы состояния n каналов. Входные и выходные данные контроллера могут приниматься и передаваться по любому последовательному интерфейсу, как стандартизованному, так и разработанному для конкретного применения контроллера.
Узел 6 интерфейса осуществляет декодирование полученных данных и выдачу управляющих сигналов на соответствующие каналы (со вторых выходов на первые входы соответствующих узлов 3 управления и защиты), анализ выходов состояния каждого канала (приходящих на вторые входы со вторых выходов соответствующих узлов 3 управления и защиты) и установку времени задержки на отключение отдельных каналов.
При наличии во входных данных контроллера (первый вход буфера 1) команды на включение одного из n каналов, узел 6 интерфейса выдает сигнал включения со второго выхода на первый вход соответствующего узла 3 управления и защиты, который, в свою очередь, выдает отпирающий сигнал в коммутатор 5, что приводит к срабатыванию ключа, замыкающего цепь нагрузки. При этом через ключ и датчик тока протекает входящий через первый вход и выходящий через первый выход коммутатора 5 ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки в коммутируемой устройством цепи. Напряжение, снимаемое с датчика тока и пропорциональное току нагрузки, выдается из коммутатора 5 на схему сравнения узла 3 управления и защиты. При превышении током нагрузки максимально допустимого значения (а, соответственно, и напряжением, получаемым с датчика тока, пороговой величины) узел 3 управления и защиты выдает на втором выходе сигнал перегрузки. Состояние сигналов со вторых выходов узла 3 управления и защиты всех каналов передается из узла 6 интерфейса через узел 2 гальванической развязки и буфер 1 на внешние цепи контроллера (первый выход буфера 1) в виде выходных данных.
Если при превышении током нагрузки предельных значений в каком-либо из n каналов требуется максимально быстрое размыкание коммутируемой цепи (запирание коммутатора 5 канала), то во входных данных контроллера должна присутствовать соответствующая команда. При этом узлом 6 интерфейса обеспечивается минимальная задержка отключения канала (снятие сигнала включения с соответствующего первого входа узла 3 управления и защиты), ограничиваемая лишь быстродействием схемы.
После отключения канала, через его выходной ключ и датчик тока перестает протекать ток нагрузки, соответственно пропадает сигнал со второго выхода узла 3 управления и защиты, что автоматически приводит к попытке повторного включения канала (повторной подачи сигнала включения на первый вход узла 3 управления и защиты). Таким образом, при токовой перегрузке в цепи коммутации циклически повторяются процессы включения/отключения канала. При этом время нахождения коммутируемой цепи под током на два порядка меньше, чем время обесточенного состояния (за счет задержки включения, обеспечиваемой узлом 6 интерфейса), что предотвращает выход из строя цепи нагрузки и коммутирующего элемента.
Из-за переходных процессов по включению (емкостная нагрузка) или в случае изменения величины сопротивления нагрузки какого-либо из каналов (например, включение на холодную нить накала), начальные значения коммутируемого тока могут значительно (на порядок) превышать величину тока установившегося режима. В таких случаях можно увеличить задержку отключения данного канала до стабилизации параметров цепи нагрузки. Значения временных задержек для каждого из независимых коммутационных каналов, также как и команд на их включение, задаются во входных данных, передаваемых в контроллер от внешней управляющей системы (первый вход буфера 1).
Сигнал включения с первого выхода узла 6 интерфейса на второй вход узла 4 преобразования напряжения также используется для перехода многоканального контроллера в режим пониженного энергопотребления. Такой режим может быть включен, когда все управляющие сигналы со вторых выходов узла 6 интерфейса находятся в состоянии «Выключено» (ни один из каналов включать не требуется).
Таким образом, введение в известный контроллер узла 7 разделения потенциалов, узла 6 интерфейса, (n-1) узлов 3 управления и защиты, (n-1) коммутаторов 5 с соответствующими связями обеспечило возможность реализации в контроллере нескольких независимых коммутационных каналов и управления ими, что позволило расширить область применения контроллера и снизить стоимость, энергопотребление и массогабаритные характеристики в пересчете на один канал.