СХЕМА И СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАГРУЗОЧНОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИЕЙ
CIRCUIT AND METHOD OF MONITORING LOAD CURRENT AND FIRE ALARM CONTROL DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к схеме и способу контроля нагрузочного тока и устройству управления противопожарной сигнализацией.
Предшествующий уровень техники
В устройстве управления противопожарной сигнализацией обычно имеются внутренние схемы для источника питания переменного тока/постоянного тока (AC/DC). Пользовательские устройства для взаимодействия с контроллером, с другой стороны, получают питание от отдельного источника питания, как показано на фиг. 1.
Пользователям желательно, чтобы часть тока из источника питания контроллера могла быть использована для их устройств, чтобы избегать необходимости в установке дополнительного источника энергии и экономить затраты (см. фиг. 2). Однако ввиду непредсказуемой нагрузки пользовательских устройств, если по месту отсутствует контроль тока перегрузки, то пользовательское устройство может вызвать перегрузку источника энергии, отрицательно воздействуя на нормальное энергоснабжение схем в контроллере.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является предоставить схему контроля нагрузочного тока, которая может использоваться для контроля состояния нагрузочного тока пользовательских устройств.
Для достижения этой цели настоящее изобретение раскрывает схему контроля нагрузочного тока для детектирования упомянутого нагрузочного тока, содержащую источник энергии, резистор восприятия нагрузочного тока для восприятия нагрузочного тока и главный переключатель для управления соединением и разъединением источника энергии и дополнительно содержащую
схему смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой для управления действиями главного переключателя,
схему усилителя для преобразования значения нагрузочного тока, проходящего через резистор восприятия нагрузочного тока, в значение напряжения,
операционную схему для отключения тракта энергопитания схемы и посылки сигнала, указывающего состояние тока перегрузки, когда значение напряжения превышает порог,
схему фиксации для удержания сигнала тока перегрузки.
Предпочтительным образом схема дополнительно содержит схему сброса для сброса схемы в исходное состояние из состояния фиксации тока перегрузки.
Предпочтительным образом схема дополнительно содержит схему индикации для указания, находится ли схема в состоянии тока перегрузки.
Предпочтительным образом схема смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой содержит конденсатор связи между источником энергии и главным переключателем, и упомянутая схема смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой контролирует действия главного переключателя путем управления напряжением затвора главного переключателя.
Предпочтительным образом главный переключатель является Р-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой или N- канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой.
Предпочтительным образом упомянутая схема усилителя содержит операционный усилитель с размахом, равным напряжению питания, для преобразования значения нагрузочного тока в значение напряжения в предопределенном отношении.
Предпочтительным образом упомянутая схема фиксации содержит операционный усилитель с размахом, равным напряжению питания, для сравнения значения напряжения с порогом и удерживания состояния тока перегрузки.
Предпочтительным образом упомянутая операционная схема содержит два полевых транзистора с МОП-структурой, которые имеют тот же самый тип канала, что и главный переключатель, и используются для отключения главного переключателя.
Предпочтительным образом упомянутая операционная схема дополнительно содержит светодиод (LED), указывающий состояние тока перегрузки, который светится при действии полевого транзистора с МОП-структурой в операционной схеме в случае состояния тока перегрузки.
Предпочтительным образом упомянутая схема сброса содержит переключатель 1 и переключатель 2, причем переключатель 1 является задействуемой вручную переключающей кнопкой, или переключателем на полевом транзисторе с МОП-структурой, управляемым логическим уровнем, или твердотельным реле, или оптроном, управляемым контроллером, так что если переключатель 2 электрически соединен с заземлением, переключатель 1 замкнут для сброса схемы; если переключатель 2 соединен перед этим с источником энергии, то переключатель 1 замыкается, чтобы разъединить тракт энергопитания.
Предпочтительным образом упомянутая схема индикации содержит микроконтроллерное устройство контроля тока перегрузки, чтобы указать, находится ли схема в состоянии тока перегрузки, путем обнаружения изменений в логическом уровне.
Настоящее изобретение также обеспечивает устройство управления противопожарной сигнализацией, содержащее любую их схем контроля тока перегрузки, описанных выше.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ контроля нагрузочного тока для обнаружения события тока перегрузки в схеме, причем способ содержит преобразование нагрузочного тока, проходящего через воспринимающий резистор, в значение напряжения в предопределенном отношении, сравнение значения напряжения с порогом, определение существования состояния тока перегрузки, когда значение напряжения достигает порога, отключение тракта энергопитания и удерживание состояния тока перегрузки.
Предпочтительным образом, если определено существование состояния тока перегрузки, то это состояние указывается посредством LED или устройства контроля тока перегрузки, управляемого микроконтроллером.
При использовании схемы контроля нагрузочного тока, способа и устройства управления противопожарной сигнализацией, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, так что если только нагрузочный ток превышает предопределенный порог, иными словами, если возникает событие тока перегрузки, то тракт энергоснабжения источника питания будет размыкаться и состояние тока перегрузки будет блокироваться в течение 50 мкс, чтобы избежать компрометации нормального энергоснабжения внутренних схем контроллера.
Описание чертежей
Следующие чертежи предназначены только для того, чтобы дать примерное описание и пояснение настоящего изобретения, но не огранивать объем настоящего изобретения.
Фиг. 1 - схематичная диаграмма, показывающая, что пользовательское устройство запитывается от отдельного источника питания, согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 2 - схематичная диаграмма, показывающая, что пользовательское устройство запитывается схемой контроля нагрузочного тока (встроенной в выходной порт источника питания DC) внутреннего источника питания контроллера противопожарной сигнализации;
Фиг. 3 - схематичная диаграмма, показывающая структуру схемы контроля нагрузочного тока, обеспечиваемой настоящим изобретением;
Фиг. 4 - схематичная диаграмма, показывающая структуру другой схемы контроля нагрузочного тока, обеспечиваемой настоящим изобретением;
Фиг. 5 - график формы колебания нагрузочного напряжения и тока в одном сценарии, где питание включено, нагрузка изменяется, и переключатель сброса работает;
Фиг. 6 - показывает детали части фиг. 5;
Фиг. 7 - график формы колебания нагрузочного напряжения и тока в другом сценарии, где питание включено, нагрузка изменяется, и переключатель сброса работает;
Фиг. 8 - график формы колебания нагрузочного напряжения и тока в третьем сценарии согласно изобретению, где питание включено, нагрузка изменяется, и переключатель сброса работает;
Фиг. 9 - блок-схема способа контроля нагрузочного тока, обеспечиваемого настоящим изобретением.
Конкретные варианты осуществления
Чтобы получить ясное понимание технических признаков, целей и результатов настоящего изобретения, ниже описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
Настоящее изобретение обеспечивает схему контроля нагрузочного тока, которая размыкает тракт энергопитания и блокирует состояние тока перегрузки в течение 50 мкс, после того как нагрузочный ток превышает предопределенный порог, то есть когда возникает событие тока перегрузки. Если необходимо, ток может быть сброшен в исходное состояние для возобновления энергопитания после устранения состояния тока перегрузки. На этапе начального включения питания и сброса источника питания также следует уделить внимание управлению скоростью, с которой напряжение возрастает в течение включения питания.
Схема контроля нагрузочного тока содержит нагрузки, источник питания, резистор восприятия нагрузочного тока для восприятия нагрузочного тока и главный переключатель для управления соединением и отключением источника энергии и дополнительно содержит схему 1 смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой, которая используется для управления действиями главного переключателя путем управления напряжением затвора главного переключателя.
Схема 2 усилителя, которая используется для преобразования значения нагрузочного тока, проходящего через резистор восприятия нагрузочного тока, в значение напряжения, поскольку, в отсутствие усиления, сравнение с порогом было бы более чувствительным к точности и может легко вызвать операционные ошибки ввиду температурного изменения или флуктуации напряжения.
Операционная схема 3 используется для отключения тракта энергопитания и посылки сигнала, указывающего состояние тока перегрузки, когда значение напряжения превышает порог, и, для настоящего раскрытия, схема, когда такой сигнал состояния появляется, упоминается как схема в «состоянии тока перегрузки».
Схема 5 фиксации, которая используется для удержания сигнала тока перегрузки посредством положительной обратной связи от операционного усилителя, для цели настоящего раскрытия, такая операция над сигналом тока перегрузки упоминается как «фиксация», и схема в таком состоянии упоминается как схема в «состоянии фиксации» или «состоянии фиксации тока перегрузки».
Кроме того, схема дополнительно содержит схему 4 сброса, которая используется для сброса схемы в исходное состояние из состояния фиксации, и дополнительно содержит схему 6 индикации, которая используется для информирования микроконтроллера, находится ли схема в состоянии тока перегрузки.
При этом упомянутая схема 1 смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой содержит конденсатор С1 связи между источником V1 энергии и главным переключателем M1.
Причем главный переключатель М1 является Р-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой или N-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой.
При этом упомянутая схема 2 усилителя содержит операционный усилитель U1 с размахом, равным напряжению питания, для преобразования значения нагрузочного тока в значение напряжения в предопределенном отношении.
При этом упомянутая схема 5 фиксации содержит операционный усилитель U2 с размахом, равным напряжению питания, для сравнения напряжений и блокирования состояния тока перегрузки.
При этом упомянутая операционная схема 3 содержит два полевых транзистора с МОП-структурой, М2 и М3, которые имеют тот же самый тип канала, что и главный переключатель, и используются для отключения главного переключателя М1 и включения LED D4, индицирующего состояние тока перегрузки.
При этом упомянутая схема 4 сброса содержит переключатель S1 и переключатель S2, причем переключатель S1 является ручной переключающей кнопкой, или переключателем на полевом транзисторе с МОП-структурой, управляемым логическим уровнем, или твердотельным реле, или оптроном, управляемым микроконтроллером, так что если переключатель S2 электрически соединен с заземлением, переключатель S1 замкнут для сброса схемы; если переключатель S2 соединен перед этим с источником питания, то переключатель S1 замыкается, чтобы отключить тракт энергопитания.
При этом упомянутая схема 6 индикации содержит микроконтроллерное устройство контроля тока перегрузки для обнаружения состояния тока перегрузки на основе изменений в логическом уровне.
При этом упомянутая операционная схема 3 содержит LED D4 для индикации состояния тока перегрузки.
Как показано на фиг. 3, вариант осуществления схемы согласно настоящему изобретению содержит источник V1 питания, резистор R1 восприятия нагрузочного тока для детектирования тока и соединения с источником V1 питания, главный переключатель М1 для управления соединением и отключением источника питания, и резистор RS2 ненагрузочного смещения, позволяющий избегать плавающего стока М1 в отсутствие нагрузки, и дополнительно содержит схему 1 смещения на полевом транзисторе с МОП-структурой для управления напряжением затвора М1, схему 2 усилителя для преобразования значения нагрузочного тока в пропорциональное значение напряжения, операционную схему 3 для отключения тракта энергопитания и индикации состояния тока перегрузки, схему 4 сброса для сброса из состояния фиксации в исходное состояние, схему 5 фиксации для удержания состояния защиты тока перегрузки, и схему 6 индикации, которая информирует микроконтроллер, находится ли схема в состоянии тока перегрузки. В варианте осуществления главный переключатель М1 может быть Р-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой или PMOS, или N-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой или NMOS.
Принцип работы схем в соответствии с настоящим изобретением описан ниже со ссылкой на полный вариант осуществления.
Когда питание включается, конденсатор С1 будет обеспечивать короткозамыкающий путь между затвором и истоком главного переключателя М1, чтобы поддерживать его в замкнутом состоянии. Как только источник питания становится стабильным, конденсатор С1 будет начинать разряжаться через резистор R5, и переключатель М1 источника питания будет плавно включаться. Эта особенность позволяет схеме соединяться с источником питания большой емкости. Обычно этот тип источника питания отличается очень медленной скоростью нарастания напряжения включения питания, например, 1 В/мс. Аналогичным образом, медленная скорость включения питания также позволяет схеме выдерживать большую емкостную нагрузку или холодную нить накала, не вызывая большого импульсного тока включения питания.
С помощью операционных усилителей U1 и U2 (операционные усилители характеризуются размахом, равным напряжению питания, и скоростью нарастания выходного напряжения 1 В/мкс) и быстрого действия переключателей М2 и М3 переключатель М1 может быть полностью замкнут в течение 50 мкс от возникновения состояния тока перегрузки.
Более конкретно, коллекторное напряжение триода Q1 прямо пропорционально току через М1 и меньше, чем предопределенный порог для R8 и D2 при нормальных условиях. Как только возникает событие тока перегрузки, на выходе операционного усилителя U2 будет создаваться верхнее напряжение размаха. В результате М3 отключается, напряжение затвора М2 снижается посредством R10 для соединения М2, напряжение затвора М1 увеличивается до того же самого уровня, что и напряжение истока, отсюда - отсоединение М1. Таким образом, на основе скорости отклика от входного изменения до выходного изменения U1 и U2, М1 может быть полностью заперт за 50 мкс от возникновения состояния тока перегрузки.
Для питания полевого транзистора с МОП-структурой номинальный импульсный ток за этот период 50 мкс является весьма высоким, например 100А, что будет уменьшать требование для сопротивления резистора RS8 ограничения тока и способствовать снижению выходного импеданса схемы.
Если переключатель S2 электрически соединен перед этим с заземлением, то, как только исчезает состояние тока перегрузки, состояние фиксации тока перегрузки схемы может быть сброшено в исходное состояние путем замыкания переключателя S1. Переключатель М1 может плавно включаться вновь без перезапуска источника питания. S1 может являться ручной переключающей кнопкой, или переключателем на полевом транзисторе с МОП-структурой, управляемым логическим уровнем, или твердотельным реле, или оптроном, управляемым микроконтроллером. Если сигнал сброса контролируется программируемым таймером, то после устранения состояния тока перегрузки схема может автоматически пытаться выполнить сброс в исходное состояние, чтобы автоматически перезапустить источник питания без какой-либо ручной операции. Если S2 перед этим соединен с источником питания, М1 будет принужден разъединяться, после того как переключатель S1 соединен.
Если в качестве главного переключателя использован PMOS, так что когда сопротивление нагрузки равно 8 Ом, емкость нагрузки равна 300 мкФ, напряжение источника питания увеличивается от 0 В до 24 В со скоростью нарастания напряжения включения питания 1 В/мс. Другой нагрузочный резистор на 8 Ом добавляется при 70 мс, чтобы увеличить нагрузочный ток, приводя к состоянию тока перегрузки. Добавленный последним нагрузочный резистор на 8 Ом выводится из нагрузки при 80 мс, переключатель S1 сброса включается при 90 мс и затем выключается при 100 мс. Короткое замыкание добавляется к нагрузке при 150 мс и затем удаляется при 160 мс. Фиг. 5 является графиком формы колебания напряжения и тока нагрузки, а фиг. 6 является детальным графиком формы колебания в течение короткого замыкания.
Аналогичным образом, если в качестве главного переключателя использован PMOS, когда возникает короткое замыкание нагрузки и S2 электрически соединяется с заземлением, напряжение источника питания увеличивается от 0 В до 24 В со скоростью нарастания напряжения включения питания 1 В/мс. Короткое замыкание устраняется с нагрузки, и нагрузочный резистор на 8 Ом и нагрузочная емкость на 300 мкФ добавляются при 100 мс, переключатель S1 сброса включается при 120 мс и затем выключается при 130 мс. Фиг. 7 показывает график формы колебания напряжения и тока нагрузки в этом сценарии.
В третьем сценарии нагрузочный резистор на 8 Ом добавляется первым, и затем переключатель S2 соединяется с источником питания на 24 В. Напряжение источника питания увеличивается от 0 В до 24 В со скоростью нарастания напряжения включения питания 1 В/мс, переключатель S1 сброса включается при 80 мс и затем выключается при 100 мс. Фиг. 8 показывает график формы колебания напряжения и тока нагрузки в этом сценарии.
Можно видеть, что, в приведенных выше трех различных сценариях, как только возникает состояние тока перегрузки, тракт энергопитания источника питания будет отключаться, и состояние тока перегрузки будет блокировано в течение 50 мкс состояния тока перегрузки.
В другом аспекте LED D4, показанный на фиг. 3, или изменение логического уровня в схеме индикации дает прямую индикацию тока перегрузки, чтобы информировать пользователей, находится ли схема в состоянии защиты от тока перегрузки. Как показано на фиг. 3, когда LED D4 светится, он дает прямую индикацию того, что схема находится в состоянии защиты от тока перегрузки.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает другой вариант осуществления, как показано на фиг. 4, где главный переключатель М1 является N-канальным мощным полевым транзистором с МОП-структурой или NMOS. Детальный принцип работы, по существу, тот же, что и в схеме, показанной на фиг. 3, так что он не повторяется здесь.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает устройство управления противопожарной сигнализацией, содержащее любую из схем контроля нагрузочного тока, описанных выше. Это устройство размыкает тракт источника питания и блокирует состояние тока перегрузки в течение 50 мкс от времени, когда ток перегрузки превышает предопределенный порог, то есть когда возникает состояние тока перегрузки. Если необходимо, схема может также быть сброшена в исходное состояние, чтобы возобновить включение источника питания после устранения состояния тока перегрузки. На этапе начального включения питания и сброса источника питания также следует уделить внимание управлению повышенной скоростью нарастания напряжения включения питания.
В другом аспекте настоящее изобретение также обеспечивает способ обнаружения нагрузочного тока, как показано на фиг. 9, который используется для обнаружения тока перегрузки пользовательских устройств, которые запитываются устройством управления противопожарной сигнализации. Как только источник питания включен (S100a), главный переключатель включается (S100b), нагрузочный ток, проходящий через резистор восприятия, преобразуется в значение напряжения согласно предопределенному отношению (S101), значение напряжения сравнивается с порогом (S102), нормальное состояние источника питания (S103) поддерживается, если значение напряжения меньше, чем пороговое значение, и принимается решение о состоянии тока перегрузки (S104), если значение напряжения достигает порога.
При этом тракт энергопитания размыкается, и состояние тока перегрузки блокируется, если имеет место событие тока перегрузки. Если определено состояние тока перегрузки, то это состояние может указываться (S105) посредством LED или устройства контроля тока перегрузки, управляемого микроконтроллером. Состояние фиксации схемы может быть сброшено в исходное состояние (S106) с помощью переключателя сброса, затем основной переключатель включается (S100b), и нагрузочный ток непрерывно контролируется.
Приведенное выше описание показывает только примерные варианты осуществления настоящего изобретения и не предназначено для ограничения объема защиты изобретения. Любые модификации, эквивалентные подстановки и усовершенствования, выполненные специалистом в данной области техники без отклонения от сущности и принципа изобретения должны входить в объем настоящего изобретения.