КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к технике переключения сигналов повышенного напряжения и мощности и может быть использована в качестве формирователя разовых команд в цифровых управляющих системах.
Известны коммутационные устройства (см. Слепов Ю.В. Коммутационное устройство А.С. №1387065 А1, 1988) содержащие электромагнитное реле с замыкающим контактом, транзистор, ТТЛ-вентиль с открытым коллектором, причем выход ТТЛ-вентиля соединен с базой транзистора, коллектор которого через обмотку электромагнитного реле подключен к источнику питания и через контакт реле подключен к резистору, второй вывод которого подключен к нагрузке, эмиттер транзистора подключен к аноду первого диода, катод которого подключен к земле, база транзистора подключена к аноду второго диода, катод которого подключен к нагрузке.
Недостатком устройства является низкая надежность из-за отсутствия защиты от перегрузки по току.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является коммутационное устройство (см. Александр Зыбайло. Твердотельные реле производства International Rectifier. Журнал Компоненты и технологии, №3, 2004. рис.3, 2), содержащее твердотельное реле, анод входного светодиода которого подключен через резистор к шине цифрового напряжения питания, а катод подключен к шине земли, сток твердотельного реле является выводом подключения нагрузки, а исток покпючен к шине силового питания.
Недостатком устройства является малая надежность из-за отсутствия защиты от перегрузки по току.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение надежности за счет обеспечения защиты от перегрузки по току.
Сущность полезной модели состоит в том, что коммутационное устройство содержит твердотельное реле, анод входного светодиода которого подключен через резистор к шине цифрового напряжения питания, сток твердотельного реле является выходом устройства для подключения нагрузки.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что введены второй, третий, четвертый и пятый резисторы, конденсатор, транзистор, логическая схема НЕ и D-триггер, при этом первый вывод второго резистора подключен к эмиттеру транзистора и шине силового напряжения питания, второй вывод второго резистора подключен к стоку твердотельного реле и через третий резистор к базе транзистора, коллектор которого подключен к первым входам четвертого, пятого резисторов и конденсатора, вторые выводы четвертого резистора и конденсатора подключены к шине земли, а второй вывод пятого резистора через логическую схему НЕ подключен ко входу R D-триггера, инверсный выход которого подключен к катоду входного светодиода твердотельного реле, причем вход D D-триггера является входом управления, а вход С является входом импульсных сигналов.
Введение новых узлов и связей обеспечило защиту реле от перегрузки по току, что увеличило надежность устройства.
На Фиг.1 представлена схема коммутационного устройства.
Устройство содержит твердотельное реле 1, анод входного светодиода которого подключен через резистор 2 к шине цифрового напряжения питания, сток твердотельного реле является выводом подключения нагрузки, первый вывод второго резистора 3 подключен к эмиттеру транзистора 4 и шине силового напряжения питания, второй вывод второго резистора 3 подключен к стоку твердотельного реле 1 и через третий резистор 5 к базе транзистора 4, коллектор которого подключен к первым входам четвертого 6, пятого 7 резисторов и конденсатора 8, вторые выводы четвертого резистора 6 и конденсатора 8 подключены к шине земли, а второй вывод пятого резистора 7 через логическую схему НЕ 9 подключен ко входу R D-триггера 10, инверсный выход которого подключен к катоду входного светодиода твердотельного реле 1, причем вход D D-триггера 10 является входом управления, а вход С является входом импульсных сигналов.
Коммутационное устройство функционирует следующим образом.
При отсутствии перегрузки потоку через последовательно соединенные четвертый 6 и пятый 7 резисторы на вход логического элемента НЕ 9 поступает нулевое напряжение, формируя на его выходе напряжение единичного логического уровня, которое никак не сказывается на работе D-триггера 10.
Если на входе управления имеется сигнал нулевого логического уровня, D-триггер 10 устанавливается в нулевое состояние по переднему фронту импульса на импульсном входе. Высокий уровень с инверсного выхода D-триггера 10 запирает светодиод твердотельного реле 1 и оно находится в разомкнутом состоянии.
Если на входе управления имеется сигнал единичного логического уровня, D-триггер 10 устанавливается в единичное состояние по переднему фронту импульса на импульсном входе. Низкий уровень с инверсного выхода D-триггера 10 вызывает ток Iсд в цепочке «первый резистор 2 - светодиод твердотельного реле 1», оно включается, на выход устройства коммутируется напряжение Uc через второй резистор 3, которое поступает в нагрузку.
Ток через светодиод  Iсд определяется из соотношения:
где:
Uц - цифровое напряжение питания,
Uсд - прямое падение на включенном светодиоде,
R1 - сопротивление резистора 2.
Величина резистора 3 R2 выбирается из условий:
где:
Iраб, Iпер - рабочий и ток перегрузки устройства,
R2 - сопротивление резистора 2,
Uотс - напряжение отсечки транзистора 4.
Напряжение отсечки кремниевых транзисторов составляет порядка 0,6 В. Поэтому при рабочем токе транзистор 4 надежно закрыт, его коллекторный ток равен нулю, и не дает падения напряжения на резисторах 6 и 7.
Сопротивление резистора 5 R3 выбирается на порядок большим сопротивления резистора 3 R2.
Период следования импульсов на импульсном входе выбирается из условия максимально допустимой задержки переключения устройства.
При наличии перегрузки по току падение напряжения на резисторе 3 превышает напряжение отсечки транзистора 4, он отпирается, через резистор 6 протекает ток. При превышении порогового уровня логический элемент НЕ 9 срабатывает и сбрасывает D-триггер 10. Твердотельное реле 1 выключается. При поступлении очередного импульса при наличии единичного уровня на входе управления D-триггер 10 снова взводится, но, если перегрузка не снята, сбрасывается вновь. Номинал резистора 7 выбирается из условия, чтобы ток, протекающий через входную защитную цепь логического элемента НЕ 9 не превышал допустимого. Конденсатор 8 предотвращает срабатывание защиты при емкостной нагрузке устройства.
В системах управления реального времени период обновления разовых команд достигает 20 мс и более, а время выключения твердотельных реле менее 100 мкс, так что подобная защита от перегрузки легко обеспечивается, что увеличивает надежность устройства.