КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ
VOLTAGE SWITCH WITH OVERCURRENT PROTECTION

Изобретение относится к области электронной техники и предназначено для коммутации силовых цепей постоянного и переменного тока.
Известен коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току (Патент РФ №2240647 C1, H03K 17/08), содержащий датчик тока, средство исполнения, компаратор и источник опорного напряжения.
Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и область применения. В этом устройстве есть защита от перегрузки по току как в переходном, так и в установившемся режиме, но защита в переходном режиме правильно работает только при включении коммутатора, а когда коммутатор уже включен, источник опорного напряжения настроен на контроль тока в установившемся режиме, поэтому защита может срабатывать при накладывании даже незначительного броска тока на основной потребляемый ток. Кроме того нет защиты от перегрева силовых электронных компонентов. Также не предусмотрена возможность раздельного управления несколькими нагрузками и, тем более, дистанционно.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току (Патент РФ №2321164 C1, H03K 17/08), содержащий датчик тока, средство исполнения, связанное через датчик тока и блок нагрузки с источником коммутируемого напряжения, компаратор, индикатор, источник опорного напряжения и датчик температуры.
Недостатками этого устройства также являются ограниченные функциональные возможности и область применения. Здесь не предусмотрена возможность раздельного управления несколькими нагрузками и, тем более, дистанционно.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей и области применения, а также в упрощении выполнения защиты от перегрузки по току и по температуре, за счет наделения коммутатора напряжения способностью раздельного управления несколькими нагрузками, в том числе дистанционно, а также за счет применения микроконтроллера.
Указанный технический результат достигается тем, что в коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий датчик тока, средство исполнения, связанное через датчик тока и блок нагрузки с источником коммутируемого напряжения, компаратор, индикатор, источник опорного напряжения и датчик температуры, дополнительно введены микроконтроллер, связанная с ним энергонезависимая память данных, средство излучения кодированных сигналов, средство приема кодированных сигналов, источник автономного питания, источник питания внутренних цепей и датчик кратковременного прерывания питания, способный фиксировать момент отключения питания и момент его возобновления без прерывания питания внутренних цепей, кроме того, средство исполнения выполнено, как минимум, с одним органом исполнения для коммутации соответствующего количества нагрузок блока нагрузки, а средство излучения кодированных сигналов совместно с источником автономного питания конструктивно выполнено отдельно от основного модуля в виде пульта дистанционного управления, как минимум, с одним органом управления в виде кнопки, причем микроконтроллер связан с выходами средства приема кодированных сигналов, компаратора, датчика кратковременного прерывания питания и со входами органов исполнения средства исполнения, источника опорного напряжения и индикатора, кроме того, выход датчика тока совместно с выходом датчика температуры связан с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а вход датчика кратковременного прерывания питания связан с источником питания внутренних цепей, который, в свою очередь, связан с источником коммутируемого напряжения, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью:
1) после, как минимум, однократного нажатия на кнопку пульта дистанционного управления, в результате которого излучается соответствующее количество пачек кодированных сигналов, с учетом кода пачек, принятых средством приема кодированных сигналов, их количества, а также длительности завершающей пачки, соответствующей времени завершающего удержания кнопки пульта дистанционного управления в нажатом положении, записывать в энергонезависимой памяти данных информацию о коде и количестве принятых пачек, сравнивать принятую информацию с уже записанной и, в зависимости от результата сравнения, записывать новую информацию, стирать старую и изменять состояние соответствующих органов исполнения;
2) после, как минимум, однократного кратковременного отключения источника коммутируемого напряжения, например, ручным выключателем, с учетом количества отключений, фиксируемых датчиком кратковременного прерывания питания, изменять состояние соответствующих органов исполнения, причем, что касается, как минимум, двукратного отключения, то при первом отключении переключать все органы исполнения в разомкнутое состояние, а при окончательном включении источника коммутируемого напряжения устанавливать состояние органов исполнения с учетом количества произведенных отключений;
3) при срабатывании компаратора по выходному сигналу датчика тока, действующему на первом входе компаратора, в начале переходного процесса, заменять на втором входе компаратора установленный по умолчанию минимальный опорный уровень, контролирующий измеряемый ток в установившемся состоянии, на максимальный опорный уровень, контролирующий измеряемый ток в переходном процессе, на время, достаточное для реакции компаратора, а затем вновь устанавливать минимальный опорный уровень;
4) после срабатывания компаратора, переключать органы исполнения в разомкнутое состояние сразу, если сигнал на первом входе компаратора, определяемый выходным сигналом датчика тока, превысит установленный на втором входе компаратора максимальный опорный уровень, или через заданный интервал времени, если этот сигнал, определяемый выходным сигналом датчика температуры, либо выходным сигналом датчика тока в конце переходного процесса, после превышения установленного на втором входе компаратора минимального опорного уровня, не вернет компаратор в исходное состояние.
Длительность завершающей пачки кодированных сигналов, поступающих на средство приема кодированных сигналов, что соответствует времени завершающего удержания кнопки пульта дистанционного управления в нажатом положении, при записи или стирании информации в энергонезависимой памяти данных, должна быть более значения, выбранного из диапазона 1…7 секунд, а при управлении состоянием органов исполнения она должна быть менее этого значения, но более, в свою очередь, выбранного значения из диапазона 0,1…0,7 секунды допустимых значений остальных длительностей пачек и промежутков между ними.
Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью включать индикатор при подаче питания на коммутатор напряжения, выключать при нажатии на кнопку пульта дистанционного управления, кратковременно включать при достижении длительностью завершающей пачки кодированных сигналов заданного значения и окончательно включать при отпускании нажатой кнопки.
Длительность кратковременного отключения источника коммутируемого напряжения, например, ручным выключателем, а также длительности промежутков между отключениями при многократных кратковременных отключениях, выбираются из диапазона 0,1…0,7 секунды.
В коммутатор напряжения дополнительно может быть введен кнопочный переключатель, связанный с микроконтроллером, а микроконтроллер, при этом, следует выполнить с возможностью, после, как минимум, однократного нажатия на введенный кнопочный переключатель, с учетом количества нажатий, изменять состояние соответствующих органов исполнения, выбирая длительности нажатий и промежутков между нажатиями из диапазона 0,1…0,7 секунды.
Время, достаточное для реакции компаратора, на которое при его срабатывании необходимо заменять на втором входе компаратора установленный по умолчанию минимальный опорный уровень на максимальный опорный уровень, выбирается из диапазона 0,01…0,1 миллисекунды.
Длительность заданного интервала времени, по истечении которого органы исполнения переключаются в разомкнутое состояние после превышения сигналом на первом входе компаратора установленного на втором входе минимального опорного уровня, выбирается из диапазона 0,001…1 секунды с учетом предполагаемой длительности переходного процесса при возможных набросах нагрузки.
Микроконтроллер целесообразно выполнить с возможностью, при переключении органов исполнения в разомкнутое состояние, после срабатывания компаратора, одновременно переключать индикатор в мигающий режим.
В качестве индикатора целесообразно применить светодиод.
Компаратор, источник опорного напряжения и энергонезависимая память данных являются встроенными компонентами микроконтроллера.
Средство приема кодированных сигналов целесообразно выполнить в виде ИК-приемника, а в качестве пульта дистанционного управления применить пульт с инфракрасным излучением.
На чертеже представлена блок-схема коммутатора напряжения с защитой от перегрузки по току.
Коммутатор напряжения содержит датчик тока 1, средство исполнения 2, связанное через датчик тока 1, блок нагрузки 3 и ручной выключатель 4 с источником коммутируемого напряжения 5, компаратор 6, индикатор 7, источник опорного напряжения 8, датчик температуры 9, микроконтроллер 10, связанная с ним энергонезависимая память данных 11, средство излучения кодированных сигналов 12, средство приема кодированных сигналов 13, источник автономного питания 14, источник питания внутренних цепей 15, датчик кратковременного прерывания питания 16, способный фиксировать момент отключения питания и момент его возобновления, без прерывания питания внутренних цепей, и кнопочный переключатель 17, кроме того средство исполнения 2 выполнено с двумя органами исполнения 18 и 19 для коммутации двух нагрузок 20 и 21 блока нагрузки 3, а средство излучения кодированных сигналов 12 совместно с источником автономного питания 14 конструктивно выполнено отдельно от основного модуля в виде пульта дистанционного управления 22 с тремя органами управления в виде кнопок 23, 24, 25, причем микроконтроллер 10 связан с выходами средства приема кодированных сигналов 13, компаратора 6, датчика кратковременного прерывания питания 16, кнопочного переключателя 17 и со входами органов исполнения 18 и 19 средства исполнения 2, источника опорного напряжения 8 и индикатора 7, кроме того выход датчика тока 1 совместно с выходом датчика температуры 9 связан с первым входом компаратора 6, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 8, а вход датчика кратковременного прерывания питании 16 связан с источником питания внутренних цепей 15, который, в свою очередь, связан с источником коммутируемого напряжения 5 через датчик тока 1 и ручной выключатель 4.
Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току работает следующим образом.
В предложенном коммутаторе напряжения для осуществления управления органами исполнения 18 и 19, предусмотрен пульт дистанционного управления 22, который целесообразно выбирать из числа выпускаемых серийно с инфракрасным излучением при одновременном выполнении средства приема кодированных сигналов 13 в виде ИК-приемника.
Для реализации такого управления органами исполнения 18 и 19 микроконтроллер 10 выполнен с возможностью, после, как минимум, однократного нажатия на одну из кнопок 23…25 пульта дистанционного управления 22, в результате которого излучается соответствующее количество пачек кодированных сигналов, с учетом кода пачек, принятых средством приема кодированных сигналов 13, их количества, а также длительности завершающей пачки, соответствующей времени завершающего удержания выбранной кнопки 23…25 пульта дистанционного управления 22 в нажатом положении, записывать в энергонезависимой памяти данных 11 информацию о коде и количестве принятых пачек, сравнивать принятую информацию с уже записанной и, в зависимости от результата сравнения, записывать новую информацию, стирать старую и изменять состояние соответствующих органов исполнения 18 и 19.
При этом следует учитывать, что полная информация о коде кодированного сигнала гарантированно содержится только в первом командном слове пачки, причем командное слово может быть разным при четных и нечетных нажатиях на кнопки 23…25 пульта дистанционного управления 22.
В коммутаторе напряжения, изображенном на чертеже, двукратное нажатие на кнопки 23…25 пульта дистанционного управления 22 принято для управления органом исполнения 18, а трехкратное - для управления органом исполнения 19.
Учитывая выше изложенное, после двукратного нажатия на кнопку 23 пульта дистанционного управления 22 излучаются две пачки кодированных сигналов, которые принимаются средством приема кодированных сигналов 13. При этом микроконтроллером 10 в энергонезависимой памяти данных 11 производится запись информации о коде и количестве пачек, которое в данном случае равно двум, после завершающего удержания кнопки 23 в нажатом положении более 5 секунд.
Таким же образом, после трехкратного нажатия на кнопку 24 пульта дистанционного управления 22 излучаются три пачки кодированных сигналов, которые принимаются средством приема кодированных сигналов 13. При этом микроконтроллером 10 в энергонезависимой памяти данные 11 производится запись информации о коде и количестве пачек, которое в данном случае равно трем, после завершающего удержания кнопки 24 в нажатом положении более 5 секунд.
Аналогично предыдущему, используя кнопку 25 пульта дистанционного управления 22, сначала производится запись информации о коде и количестве пачек после двукратного нажатия на указанную кнопку 25 с завершающим удержанием в нажатом положении более 5 секунд, а затем - после трехкратного нажатия на эту же кнопку 25 и также с завершающим удержанием в нажатом положении более 5 секунд.
Теперь орган исполнения 18 реагирует на двукратное нажатие на кнопки 23 и 25 пульта дистанционного управления 22 после завершающего удержания в нажатом положении более 0,5 секунды, но менее 5 секунд, а орган исполнения 19 - на трехкратное нажатие на кнопки 24 и 25, также после завершающего удержания в нажатом положении более 0,5 секунды, но менее 5 секунд.
Записанная в энергонезависимой памяти данных 11 информация может быть стерта.
При двукратном нажатии на кнопку 23 или 25 пульта дистанционного управления 22 с завершающим удержанием выбранной кнопки 23 или 25 в нажатом положении более 5 секунд, излучаются две пачки кодированных сигналов, которые принимаются средством приема кодированных сигналов 13. При этом микроконтроллер 10 сравнивает принятую информацию с записанной в энергонезависимой памяти данных 11 и, при положительном результате, стирает в энергонезависимой памяти данных 11 информацию о числе нажатий, связанную с записанным кодом, после чего орган исполнения 18 перестает управляться кнопкой 23 или 25, соответственно.
Точно также стирается информация в энергонезависимой памяти данных 11 при трехкратном нажатии на кнопку 24 или 25 пульта дистанционного управления 22, после чего орган исполнения 19 перестает управляться кнопкой 24 или 25, соответственно.
Кроме этого предусмотрена также возможность использования однократного нажатия на кнопки 23…25 пульта дистанционного управления 22 для управления состоянием органов исполнения 18 и 19, а также для стирания, записанной в энергонезависимой памяти данных 11 информации.
Таким образом, после однократного нажатия на кнопку 23 или 24 пульта дистанционного управления 22 на время более 0,5 секунды, но менее 5 секунд, изменяет свое состояние на противоположное орган исполнения 18 или 19, соответственно, а после однократного нажатия на кнопку 25 также на время более 0,5 секунды, но менее 5 секунд, изменяют свое состояние на противоположное одновременно оба органа исполнения 18 и 19.
При этом однократное нажатие на любую кнопку 23…25 пульта дистанционного управления 22 на время более 5 секунд стирает всю записанную ранее информацию в энергонезависимой памяти данных 11.
В предложенном коммутаторе напряжения энергонезависимая память данных 11 способна хранить кодированную информацию от нескольких источников. Например, если их заложено четыре, то информация от пятого источника записывается на место первой и так по кругу.
Предложенный коммутатор напряжения обладает также возможностью управлять органами исполнения 18 и 19, используя ручной выключатель 4.
В изображенном на чертеже коммутаторе напряжения двукратное или трехкратное кратковременное отключение источника коммутируемого напряжения 5 ручным выключателем 4, с длительностью отключения и промежутков между отключениями 0,1…0,7 секунды, формирует на выходе датчика кратковременного прерывания питания 16 соответствующие сигналы, поступающие на микроконтроллер 10, который изменяет состояние исполнительного органа 18 или 19, соответственно. Причем при первом отключении органы исполнения 18 и 19 переключаются в разомкнутое состояние, а при окончательном включении источника коммутируемого напряжения 5 приобретают состояние в соответствии с произведенным количеством отключений.
Кроме того, после однократного кратковременного отключения источника коммутируемого напряжения 5 ручным выключателем 4 на время 0,1…0,7 секунды, микроконтроллер 10 изменяет состояния обоих органов исполнения 18 и 19 на противоположные.
Управлять состоянием органов исполнения также можно кнопочным переключателем 17. После двукратного или трехкратного нажатия на кнопочный переключатель 17, с длительностью нажатия и промежутков между нажатиями 0,1…0,7 секунды, микроконтроллер 10 управляет стоянием органов исполнения 18 или 19, соответственно, а после однократного нажатия на кнопочный переключатель 17 на время 0,1…0,7 секунды, микроконтроллер 10 изменяет состояния обоих органов исполнения 18 и 19 на противоположные.
В предлагаемом коммутаторе напряжения предусмотрена защита от превышения допустимых значений током, измеряемым датчиком тока 1, и температурой, измеряемой датчиком температуры 9, выходы которых действуют на первом входе компаратора 6. При этом защита по измеряемому току является двухуровневой: по значению в установившемся состоянии и по максимальному значению в переходном процессе. Для контроля тока в установившемся состоянии предусмотрен минимальный опорный уровень, действующий на втором входе компаратора 6 по умолчанию. Для контроля максимального значения тока в переходном процессе предусмотрен максимальный опорный уровень, который подключается микроконтроллером 10 ко второму входу компаратора 6 взамен установленного по умолчанию минимального опорного уровня.
Защита работает следующим образом.
Переключение органов исполнения 18 и/или 19 в замкнутое состояние вызывает переходный процесс.
Если выходной сигнал датчика тока 1, действующий на первом входе компаратора 6, в начале переходного процесса превысит установленный по умолчанию на втором входе компаратора 6 минимальный опорный уровень, и компаратор 6 изменит свое состояние, то микроконтроллер 10 установит на втором входе компаратора 6 максимальный опорный уровень. Если, при этом, выходной сигнал датчика тока 1 превысит установленный на втором входе компаратора 6 максимальный опорный уровень и компаратор 6 изменит свое состояние, то микроконтроллер 10 переключит органы исполнения 18 и 19 в разомкнутое состояние с одновременным переключением индикатора 7 в мигающий режим, который снимается при попытке изменить состояние органов исполнения 18 и/или 19 и при условии отсутствия перегрузки по току.
Если выходной сигнал датчика тока 1, действующий на первом входе компаратора 6, в течение времени, необходимом для реакции компаратора 6 не превысит установленный на втором входе максимальный опорный уровень и компаратор 6 находится в исходном состоянии, то микроконтроллер 10 установит на втором выходе компаратора 6 минимальный опорный уровень. Если, при этом, выходной сигнал датчика тока 1, действующий на первом входе компаратора 6, продолжает превышать установленный на втором входе минимальный опорный уровень, и компаратор 6, изменив свое состояние, не переходит в исходное, например, в течение заданного интервала времени 0,12 секунды, взятого из диапазона 0,001…1 секунды возможных длительностей переходных процессов, то микроконтроллер 10 переключит органы исполнения 18 и 19 в разомкнутое состояние с одновременным переключением индикатора 7 в мигающий режим, который снимается при попытке изменить состояние органов исполнения 18 и/или 19 и при условии отсутствия перегрузки по току.
Если после превышения выходным сигналом датчика температуры 9, действующим на первом входе компаратора 6, установленного на втором входе минимального опорного уровня, компаратор 6 изменив свое состояние, не переходит в исходное, например, в течение интервала времени 0,12 секунды, взятого из диапазона 0,001…1 секунды возможных значений, то микроконтроллер 10 переключит органы исполнения 18 и 19 в разомкнутое состояние с одновременным переключением индикатора 7 в мигающий режим, который снимается при попытке изменить состояние органов исполнения 18 и/или 19 и при условии отсутствия перегрузки по температуре.
Таким образом, в рассматриваемом коммутаторе напряжения, по сравнению с известным, достаточно простыми средствами реализованы широкие функциональные возможности при наличии двухуровневой защиты от перегрузки по току и защиты от перегрузки по температуре органов исполнения, выполненных на электронных компонентах, за счет способности раздельного управления несколькими нагрузками, в том числе дистанционно, а также за счет применения микроконтроллера.
Простота использования, удобный способ управления несколькими нагрузками, а также возможность применения пультов дистанционного управления серийно выпускаемой радиоэлектронной аппаратуры с прямым использованием их кодирующих свойств, делают рассматриваемый коммутатор напряжения весьма привлекательным для серийного производства и массового применения, особенно в бытовой сфере, например, для управления светильниками, вентиляторами и другими электроприборами.