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

Изобретение относится к электронной коммутационной технике и может быть использовано для коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока.
Известен одноканальный твердотельный контроллер нагрузки (патент РФ №2304343, МПК H02M 3/00), имеющий 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.
Наиболее близким к заявляемому устройству является многоканальный твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел гальванической развязки, выход которого соединен с входом буфера, узел управления и защиты, узел преобразования напряжения, первый вход которого подключен к внешнему источнику питания, 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, (N-1) узлов управления и защиты и (N-1) коммутаторов, 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 (патент RU 2414787, МПК7 H02M 3/08).
Однако известный контроллер имеет ограниченную область применения, обусловленную обеспечением коммутации только постоянного напряжения и тем, что значительная часть оборудования контроллера (узел гальванической развязки, узел преобразования напряжения, узел разделения потенциалов), используемая для формирования вторичного напряжения питания для узла интерфейса и узла управления и защиты, усложняет устройство, что приводит к увеличению габаритов и энергопотребления устройства.
Технический результат заявляемого изобретения выражается в упрощении устройства и расширении области применения за счет введения в состав коммутатора двунаправленного коммутационного элемента, обеспечивающего возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока, и введения в состав коммутатора бесконтактного датчика тока, исключающего необходимость во вторичном питании.
Для достижения указанного технического результата в твердотельный контроллер нагрузки, содержащий буфер, узел интерфейса, вторые входы и выходы которого подключены к первому входу и второму выходу узлов гальванической развязки и управления, N коммутаторов, первые входы и выходы которых являются входами и выходами силовой цепи устройства, а вторые входы и выходы соединены соответственно с первыми выходами и вторыми входами узлов гальванической развязки и управления, введены связи, подключающие вторые вход и выход буфера соответственно к третьим выходу и входу узла интерфейса, и введены в состав коммутатора двунаправленные коммутационные элементы, содержащие аналоговые коммутаторы, которые могут быть реализованы по схеме (см., например, Дьяконов В.П. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. - М.: Радио и связь, 1994 - С. 62-63.) с бесконтактным датчиком тока, реализованным, например, на измерительной технологической линии и датчика, например ДХК-0,5, магнитного поля, основанного на эффекте Холла (см. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - С. 75-78), обеспечивающие возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока и исключающие необходимость во вторичном питании.
На чертеже представлена структурная схема многоканального твердотельного контроллера нагрузки.
Многоканальный твердотельный контроллер нагрузки состоит из буфера 1, выполненного на базе микросхем согласования уровней, узла 2 интерфейса, который может быть построен на базе дискретных логических элементов, на БИС базового матричного кристалла или на микроконтроллере, N узлов 3 гальванической развязки и управления, выполненного на базе оптронов, трансформаторов и т.д., N коммутаторов 4, состоящих из включенных последовательно коммутируемой цепи двунаправленных коммутационных элементов (на основе силовых транзисторов) и токовой цепи бесконтактного датчика тока (на основе датчика, построенного на эффекте Холла).
Многоканальный твердотельный контроллер нагрузки работает следующим образом.
Для начала работы контроллера на третий вход буфера 1, на первый вход узла 2 интерфейса подается питание от внешнего источника питания. По внешним цепям контроллера (первый вход и первый выход буфера 1) осуществляется обмен данными, которые через буфер 1 поступают в узел 2 интерфейса или выдаются из него. Входными данными контроллера являются команды управления и параметры процесса управления (значения временных задержек включения/отключения канала, значения номинальных, допустимых и критичных токов в цепи нагрузки, значения времени аварийного отключения канала в зависимости от величины допустимых и критичных токов в цепи нагрузки для каждого из N каналов). Команды управления и параметры процесса управления задаются индивидуально для каждого канала. Выходными данными для каждого канала являются сигналы состояния, текущие значения токов N каналов. Узел 2 интерфейса осуществляет декодирование полученных данных и выдачу управляющих сигналов на соответствующие каналы (со вторых выходов на первые входы соответствующих узлов 3 гальванической развязки и управления), анализ выходов состояния каждого канала (приходящих на вторые входы со вторых выходов соответствующих узлов 3 гальванической развязки и управления) и установку времен задержки на управление отдельных каналов. Входные и выходные данные контроллера могут приниматься и передаваться по любому последовательному резервированному интерфейсу как стандартизованному, так и разработанному для конкретного применения контроллера.
При наличии во входных данных контроллера (первый вход буфера 1) команды на включение одного из N каналов, узел 2 интерфейса выдает сигнал включения со второго выхода на первый вход соответствующего узла 3 гальванической развязки и управления, который, в свою очередь, выдает отпирающий сигнал в коммутатор 4, что приводит к срабатыванию двунаправленного коммутационного элемента, подающего постоянное или переменное напряжение в цепь нагрузки. При этом через двунаправленный коммутационный элемент и токовую цепь датчика тока протекает входящий через первый вход и выходящий через первый выход коммутатора 4 ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки в коммутируемой устройством цепи. Напряжение, снимаемое с датчика тока и пропорциональное току нагрузки, выдается из коммутатора 4 в узел 3 гальванической развязки и управления, осуществляющий нормализацию сигнала, и передается со второго выхода узла 3 гальванической развязки и управления на соответствующие входы 2 узла интерфейса.
Узел 2 интерфейса производит анализ напряжения, пропорционального выходному току (с помощью АЦП), принимает решение о включении/отключении канала, в соответствии принятым набором параметров управления, и передает текущее состояние и значение выходного тока через буфер 1 на внешние цепи контроллера (первый выход буфера 1) в виде выходных данных.
Если ток, значение которого соответствует допустимому, протекает в цепи нагрузки в течение заданного ограниченного времени или значение тока превышает критическое значение (значения допустимого и критического токов, а также значение времени являются параметрами управления), ситуация оценивается как аварийная и узел 2 интерфейса выдает сигнал выключения со второго выхода на первый вход соответствующего узла 3 гальванической развязки и управления, который, в свою очередь, выдает запирающий сигнал в коммутатор 4, что приводит к выключению двунаправленного коммутационного элемента, размыкающего цепь нагрузки. Узел интерфейса 2 передает данные о величине перегрузки и времени ее продолжительности через буфер 1 на внешние цепи контроллера (первый выход буфера 1) в виде выходных данных.
После отключения канала, через его двунаправленный коммутационный элемент и токовую цепь датчика тока перестает протекать ток нагрузки, соответственно пропадает сигнал со второго выхода узла 3 гальванической развязки и управления. Если в параметрах управления определено повторное включение при обнаружении аварийной ситуации, то через определенное время автоматически выполняется повторное включение канала (повторной подачи сигнала включения на первый вход узла 3 управления и защиты, через время, определяемое входными данными контроллера). 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 2 интерфейса и изменяемой через входные данные контроллера), что предотвращает выход из строя цепи нагрузки и коммутирующего элемента.
Таким образом, введение в устройство двунаправленного коммутационного элемента с бесконтактным датчиком тока, обеспечивающего возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока с соответствующими связями, обеспечило возможность коммутации постоянного и переменного токов с одновременным упрощением структурной схемы устройства, что позволило расширить функциональные возможности и область применения контроллера при одновременном снижении стоимости, энергопотребления и массогабаритных характеристик в пересчете на один канал.