КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01H9/54 

Изобретение относится к переключающей схеме для создания и размыкания емкостной, индуктивной и резистивной нагрузки.

Электрические переключающие устройства известны в различных примерах, известных под названием "релейных схем". Имеются известные электромагнитные реле, но для них требуется много пространства, энергии и, кроме того, они создают электрический шум при замыкании и размыкании. Для таких устройств также требуется относительно большая мощность управления, а поэтому они противопоказаны для ряда задач, например, когда управление осуществляется от компьютера.

Другой тип электрических переключающих схем основан только на электронике, т. е. замыкание и размыкание осуществляется без механических контактов, а наоборот используется полупроводниковая технология. Эти так называемые "SSR-реле" (твердотельные реле) обладают большими тепловыми потерями при больших нагрузках, особенно при нагрузках индуктивных. Поэтому их необходимо охлаждать, для чего они исключаются из ряда задач, в частности для использования в течение длительного периода времени.

Наиболее близким к заявленному является коммутационное устройство, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющим входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала.

Недостатком известного устройства является то, что оно содержит относительно сложную схему, включающую в себя множество относительно сложных схемных элементов.

Целью изобретения является создание переключающего средства для замыкания и размыкания различных типов нагрузки с любой схемой переменного тока, особенно в случаях, когда любое возникновение теплового эффекта или высокочастотного шума при замыкании и размыкании является нежелательным или неприемлемым, или же когда имеется риск возникновения взрыва. К этому присовокупляется важность создания переключающего средства, которое является компактным, простым, надежным и недорогим при изготовлении.

Для достижения положительного эффекта в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, включенного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющими входом силиcторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Коммутирующее устройство содержит входные выводы 1 для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки 2, электромагнитное реле 3, контакт 4 которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь 6 управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем 7 в цепи управляющего входа, выходом светочувствительного элемента 8, подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора 5, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, цепь управления 9 бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5 выполнен с управляющим входом силисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента 8 оптической связи (светочувствительный элемент) включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора 5. Цепь 6 управления электромагнитным реле выполнена на резисторе 10 и конденсаторе 11, соединенных последовательно, в которую может быть дополнительно введен усилитель на транзисторе 12. Цепь управления бесконтактным коммутатором 5 выполнена в виде последовательно соединенных резисторе 13 и конденсаторе 14 (2-я RC-цепь), один вывод которой подключен к общей точке соединенных последовательно диода 15 и резистора 16.

Работа данного примера реализации заключается в том, что напряжение управления подается для замыкания и размыкания схемы. Если используется напряжение переменного тока, оно должно выпрямляться. При наличии напряжения управления ток пойдет через диод 15, резистор 16 и светоизлучатель 7 оптического элемента связи. Это, в свою очередь, обеспечит запуск светочувствительного элемента 8. Оптический элемент сопряжения выполнен таким, какое применяется для управления бесконтактным коммутатором 5 силисторного типа, и в дополнение задерживает замыкание до тех пор, пока фазовый угол не будет нулевым. Оптический элемент сопряжения соединен с управляющим входом бесконтактного коммутатора 5, который подключает нагрузку. Эта нагрузка может быть индуктивной, емкостной или чисто резистивной.

Одновременно с запуском бесконтактного коммутатора, через контакт 4 управляющим напряжением то же напряжение запускает выработку электрического поля в конденсаторе 11 через резистор 10. Конденсатор 11 создает вместе с резистором 10 схему задержки (RC-цепочку), которая будет в течение промежутка времени, определенного выбранными величинами резистора 10 и конденсатора 11, вырабатывать напряжение между базой транзистора 12 и землей, так что резистор 12 будет проводить ток по управляющей обмотке электромагнитного реле 3, которое шунтирует контакт 4 реле замыкания нагрузку 2. При использовании транзистора 12 для усиления уровня напряжения RC-цепочка развитие большого заряда в RC-цепочке стремится к избыточному, а следовательно, конденсатор может иметь существенно меньшую емкость.

Поскольку управляющее напряжение запускает силистор и запускает заряд конденсатора 11, то же управляющее напряжение начинает заряжать конденсатор 14 через резистор 13. Резисторы 13 и 16 являются вместе с конденсатором 14 составляющими схемами задержки. Эта схема задержки используется при размыкании соединения нагрузки.

Как только происходит отсечка управляющего напряжения, RC-цепочка, образованная из резисторов 12 и 16 и конденсатора 14, подает ток на оптический элемент на период времени, определенный этой RC-цепочкой. С другой стороны, транзистор 12 сразу же выключится, размыкая электромагнитное реле. Однако, соединение с нагрузкой будет поддерживаться посредством коммутатора 5 до тех пор, пока полностью не исчезнет управляющее напряжение, когда конденсатор 14 существенно разряжен. Для того, чтобы коммутатор 5 разомкнул схему при пересечении нулевого напряжения, постоянная времени RC-цепочки, образованной элементами 16, 13 и 14, должна соответствовать по меньшей мере половине периода нагрузки 2. Однако, она может быть больше, поскольку именно определяющий фазу оптический соединитель задает размыкание, возникающее точно при пересечении нулевого напряжения. Это подразумевает, что малый допуск составляющих не является критическим и можно использовать недорогие компоненты для получения того же результата, что и с более точными и дорогими компонентами.

За счет использования оптического элемента для замыкания и размыкания коммутатора 9 можно также получить гальваническое разделение между управляющей схемой и нагрузкой.

Использование в переключающих схемах для создания и размыкания емкостной индуктивной и резистивной нагрузки. Сущность изобретения коммутационное устройство содержит электромагнитное реле, контактом и двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, способный замыкать и размыкать емкостную, индуктивную или чисто резистивную нагрузки без образования дуги и без существенных тепловых потерь. Замыкание нагрузки осуществляется посредством напряжения, которое подается по фазодетектирующему оптическому элементу, на двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор. То же самое напряжение подают на RC-цепь задержки времени, например RC-цепочку, которая на определенный период времени запитывает электромагнитное реле. При размыкании эта последовательность является обратной. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемент оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, отличающееся тем, что в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазодетектирующим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющим входом симисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора и является измерительным входом детектора пересечения нуля нагрузки, при этом цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой заднего фронта его выходного сигнала относительно заднего фронта входного сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде первой RC-цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и конденсатора, включенных между входными выводами этой цепи управления, при этом обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в первую RC-цепь введен транзистор, база которого соединена с общей точкой резистора и конденсатора первой RC-цепи, коллектор с другим выводом этого резистора, а обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи через база-эмиттерный переход транзистора. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде второй RC-цепи, один вывод которой подключен к общей точке последовательно соединенных диода и второго резистора, другой вывод которого соединен с первым выходным выводом цепи управления бесконтактным коммутатором, вторым выходным выводом которой является второй вывод RC-цепи. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что постоянная времени разряда конденсатора второй RC-цепи выбрана большей или равной половине периода переменного напряжения на выходных выводах устройства.