РЕЛЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H01H47/32 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для управления с помощью маломощных управляющих сигналов, например, формируемых с помощью датчиков сопротивления, напряжения и др. различной активной нагрузкой, например, нагревательных элементов, осветительных приборов и т.п.

Известно релейное устройство, содержащее выводы для подключения питания, три диода, компаратор, измерительный мост, первый транзистор, четыре резистора, выводы для подключения нагрузки, стабилитрон, три конденсатора, первый и второй тиристоры, причем первый вход измерительного моста подключен к первой обкладке первого конденсатора и к первому выводу для подключения питания компаратора, второй вход измерительного моста подключен к второй обкладке первого конденсатора, к второму выводу для подключения питания компаратора, к первому выводу первого резистора, к эмиттеру первого транзистора, аноду первого диода и катоду первого и аноду второго тиристоров, первый и второй выходы измерительного моста подключены к первому и второму входам компаратора, выход компаратора подключен к первому выводу второго резистора, второй вывод второго резистора подключен к второму выводу первого резистора и к базе первого транзистора, первый вывод для подключения питания соединен с первой обкладкой второго конденсатора и с первым выводом для подключения нагрузки, а через включенные последовательно второй диод, третий резистор и третий конденсатор с вторым выводом для подключения нагрузки, анодом первого и катодом второго тиристоров, вторая обкладка подключена к аноду третьего диода, катод которого соединен с первой обкладкой первого конденсатора, управляющий электрод второго тиристора соединен с первым выводом четвертого резистора [1]
Известная схема сравнительно сложна и потребляет значительную мощность в цепях управления тиристоров.

Наиболее близким к предложенному является релейное устройство, содержащее последовательно соединенные управляющий, пороговый, согласующий и транзисторный ключевой элементы, последовательно соединенные нагрузку и симистор, а также выпрямительный мост, диод, балластный элемент, встречно включенных два стабилитрона, первый и второй конденсаторы, причем первый конденсатор включен параллельно входам управляющего элемента, один из которых соединен с первым выходом выпрямительного моста и одним из выходных электродов ключевого транзисторного элемента, одна из клемм для подключения сети переменного тока соединена с выходным электродом симистора и первым входом выпрямительного моста, а другая клемма для подключения к сети переменного тока подключена к нагрузке и одному из выводов второго конденсатора, причем второй вход выпрямительного моста соединен с управляющим электродом симистора через встречно включенные стабилитроны, другой вывод второго конденсатора соединен через диод с другим входом управляющего элемента, выполненного в виде термочувствительного моста, через балластный элемент в виде стабилитрона с вторым входом выпрямительного моста, второй вход которого подключен к другому выходному электроду ключевого транзисторного элемента [2]
Известное устройство сравнительно сложно и недостаточно надежно в работе, потребляет относительно большую мощность на последовательно включенных стабилитронах и не обеспечивает световую индикацию состояния устройства.

Целью изобретения является упрощение схемы, повышение надежности работы, снижение потребляемой мощности и повышение удобства обслуживания за счет индикации состояния устройства.

Для достижения цели в релейное устройство, содержащее управляющий, пороговый и согласующий элементы, первый транзистор, симистор, первый и второй конденсаторы, балластный элемент, первый диод, клеммы для подключения к сети переменного тока и клеммы для подключения нагрузки, причем вход порогового элемента подключен к выходу управляющего элемента, а выход к входу согласующего элемента, к выходу которого подключена база первого транзистора, при этом первый силовой вывод симистора соединен с первой клеммой для подключения к сети переменного тока, а его второй силовой вывод с первой клеммой для подключения нагрузки, вторая клемма для подключения которой соединена с второй клеммой для подключения к сети переменного тока и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом балластного элемента и через первый диод с первым выводом второго конденсатора, к первому и второму выводам которого подключены соответственно первый и второй выводы питания порогового элемента, введены второй транзистор, второй и третий диоды, второй вывод балластного элемента через две параллельные цепи, первая из которых включает в себя второй, а вторая третий диоды, соединен с управляющим выводом симистора, причем второй и третий диоды обращены к управляющему выводу симистора своими разноименными выводами, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым силовым выводом симистора, эмиттер второго транзистора соединен с коллектором первого транзистора, вторым выводом балластного элемента и вторым выводом второго конденсатора, база второго транзистора соединена с базой первого транзистора.

Согласующий элемент выполнен на стабилитроне и резисторе, которые включены последовательно между входом и выходом согласующего элемента.

Согласующий элемент выполнен на третьем транзисторе и двух резисторах, причем между входом и выходом согласующего элемента включены последовательно соединенные эмиттерно-коллекторный переход третьего транзистора и первый резистор, а база третьего транзистора через второй резистор соединена с вторым выводом второго конденсатора.

Балластный элемент выполнен в виде резистора, параллельно которому подключен дополнительный диод.

В одну из двух упомянутых параллельных цепей, соединяющих второй вывод балластного элемента с управляющим выводом симистора, согласно-последовательно второму или третьему диоду включен светодиод.

Управляющий элемент выполнен в виде термочувствительного моста, вход которого подключен к второму конденсатору, а выход является выходом управляющего элемента, при этом пороговый элемент выполнен в виде компаратора.

Согласующий элемент выполнен на третьем транзисторе и двух резисторах, причем вход согласующего элемента через первый резистор соединен с базой третьего транзистора, а выход согласующего элемента через последовательно соединенные второй резистор и коллекторно-эмиттерный переход третьего транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора.

В устройство введены четвертый и пятый диоды, два дополнительных резистора и светодиод индикации, вышеупомянутое соединение эмиттера первого транзистора с коллектором второго транзистора выполнено через четвертый диод, коллектор второго транзистора через последовательно соединенные пятый диод и первый дополнительный резистор соединен с первым выводом светодиода индикации, второй вывод которого подключен к первому выводу балластного элемента, первый вывод светодиода индикации через второй дополнительный резистор подключен к второму выводу балластного элемента, четвертый и пятый диоды включены согласно коллекторно-эмиттерному переходу второго транзистора, а первый диод и светодиод индикации обращены к первому выводу балластного элемента своими одноименными выводами.

Схема устройства с согласующим элементом в виде стабилитрона и резистора приведена на фиг. 1. В релейном устройстве, приведенном на фиг. 2, согласующий элемент выполнен в виде транзистора, а балластный элемент составлен резистором с параллельно включенным диодом и обеспечивается световая индикация состояния симистора. В релейном устройстве (фиг. 3) обеспечивается световая индикация напряжения питания устройства и состояния симистора и нагрузки, а балластный элемент представлен в виде стабилитрона.

Релейное устройство содержит управляющий 1, пороговый 2 и согласующий 3 элементы, первый транзистор 4, симистор 5, первый 6 и второй 7 конденсаторы, балластный элемент 8, первый диод 9, клеммы 10, 11 для подключения к сети переменного тока и клеммы 12, 13 для подключения нагрузки 14. Вход порогового элемента 2 подключен к выходу управляющего элемента 1, а выход к входу согласующего элемента 3, к выходу которого подключена база первого транзистора 4. Первый силовой вывод симистора 5 соединен с первой клеммой 10 для подключения к сети переменного тока, а его второй силовой вывод с первой клеммой 12 для подключения нагрузки 14, вторая клемма 13 для подключения которой соединена с второй клеммой 11 для подключения к сети переменного тока и первым выводом первого конденсатора 6. Второй вывод конденсатора 6 соединен с первым выводом балластного элемента 8 и через первый диод 9 с первым выводом второго конденсатора 7, к первому и второму выводам которого подключены соответственно первый и второй выводы питания порогового элемента 2. Устройство содержит также второй транзистор 15, второй 16 и третий 17 диоды. Второй вывод балластного элемента 8 через две параллельные цепи, первая из которых включает в себя второй 16, а вторая третий 17 диоды, соединен с управляющим выводом симистора 5, причем второй 16 и третий 17 диоды обращены к управляюшему выводу симистора 5 своими разноименными выводами. Эмиттер первого транзистора 4 соединен с коллектором второго транзистора 15 и первым силовым выводом симистора 5, эмиттер второго транзистора 15 соединен с коллектором первого транзистора 4, вторым выводом балластного элемента 8 и вторым выводом второго конденсатора 7, база второго транзистора соединена с базой первого транзистора 4.

Согласующий элемент 3 выполнен на стабилитроне 18 и резисторе 19, которые включены последовательно между входом и выходом согласующего элемента 3.

Согласующий элемент 3 на фиг. 2 выполнен на третьем транзисторе 20 и двух резисторах 19, 21, причем между входом и выходом согласующего элемента включены последовательно соединенные эмиттерно-коллекторный переход третьего транзистора 20 и первый резистор 19, а база третьего транзистора 20 через второй резистор 21 соединена с вторым выводом второго конденсатора 7.

Балластный элемент 8 на фиг. 2 выполнен в виде резистора 22, параллельно которому подключен дополнительный диод 23.

В одну из двух упомянутых параллельных цепей, соединяющих второй вывод балластного элемента 8 с управляющим выводом симистора 5, согласно-последовательно второму 16 или третьему 17 диоду включен светодиод 24 с параллельно включенным резистором 25, снижающим силу тока через светодиод.

Управляющий элемент 1 на фиг. 3 выполнен в виде составленного резисторами 26-28 и терморезистором 29 термочувствительного моста, вход которого подключен к второму конденсатору 7, а выход является выходом управляющего элемента 1. Пороговый элемент 2 выполнен в виде компаратора 30 на операционном усилителе и с резистором 31 положительной обратной связи. Согласующий элемент 3 выполнен на третьем транзисторе 20 и двух резисторах 32, 19, причем вход согласующего элемента через первый резистор 32 соединен с базой третьего транзистора 20, а выход согласующего элемента через последовательно соединенные второй резистор 19 и коллекторно-эмиттерный переход третьего транзистора 20 соединен с первым выводом второго конденсатора 7.

Устройство (фиг. 3) также содержит четвертый 33 и пятый 34 диоды, два дополнительных резистора 35 и 36 и светодиод 24 индикации. Соединение эмиттера первого транзистора 4 с коллектором второго транзистора 15 выполнено через четвертый диод 33, коллектор второго транзистора через последовательно соединенные пятый диод 34 и первый дополнительный резистор 35 соединен с первым выводом светодиода 24 индикации, второй вывод которого подключен к первому выводу балластного элемента 8. Первый вывод светодиода 24 индикации через второй дополнительный резистор 36 подключен к второму выводу балластного элемента 8, четвертый 33 и пятый 34 диоды включены согласно коллекторно-эмиттерному переходу второго транзистора, а первый диод 9 и светодиод 24 индикации обращены к первому выводу балластного элемента 8 своими одноименными выводами.

Работает устройство следующим образом.

Когда на выходе управляющего элемента 1 потенциал ниже порога срабатывания порогового элемента 2, при подаче напряжения питания на клеммы 10, 11 через последовательную цепь, образованную первым конденсатором 6, балластным элементом 8, диодами 16, 17 и переходом управляющий электрод-катод симистора 5 протекает переменный ток, вызывающий отпирание симистора 5 по силовой цепи и включение нагрузки 14. Через диоды 9, 17 и переход управляющий электрод-катод симистора 5 под действием напряжения сети заряжается второй конденсатор 7 до падения напряжения на балластном элементе 8, выполненном, например, в виде резистора (фиг. 1). От конденсатора 7 питается пороговый элемент 2, а также элемент 1 управления (фиг. 2).

Когда на выходе управляющего элемента 1 появляется потенциал, превышающий порог отпирания порогового элемента 2, пороговый элемент переключается, и на его выходе напряжение приближается к потенциалу верхнего вывода конденсатора 7. Под действием этого потенциала протекает через связывающий пороговый элемент 2 с транзисторами 4 и 15 согласующий элемент 3, образованный стабилитроном 18 и резистором 19, ток, вызывающий отпирание транзисторов 4 и 15, которые шунтируют цепь управления симистора 5. Последний закрывается, отключая нагрузку 14.

Диоды 16, 17 обеспечивают надежное шунтирование цепи управления симистора 5 транзисторами 4, 15, даже если симисторы имеют высокую чувствительность и отпираются при незначительном напряжении сигнала управления, поскольку падение напряжения на транзисторах 4 и 15 заведомо меньше, чем на диодах 16, 17. Стабилитрон 18 выбирается с опорным напряжением, превышающим сумму падения напряжения на диоде 17, переходе управляющий электрод-катод симистора 5 и остаточного напряжения на выходе порогового элемента 2. За счет этого стабилитрона исключается отпирание транзистора 4 под действием падения напряжения на диоде 17 и управляющих переходах симистора 5 и остаточного напряжения на выходе порогового элемента 2, когда отсутствует включающий сигнал на управляющем элементе 1.

В релейном устройстве (фиг. 2) для снижения потребляемой мощности балластный элемент 8 выполнен в виде резистора 22, параллельно которому подсоединен диод 23. В этом случае ток разогревает резистор 22 лишь в один полупериод напряжения сети. В качестве балластного элемента может быть применен и стабилитрон 8 (фиг. 3).

В релейном устройстве (фиг. 2) в качестве согласующего элементе 3 использован транзистор 20, коллекторный вывод которого через резистор 19 подключен к базам транзисторов 4 и 15. При появлении потенциала на выходе порогового элемента 2 по цепи эмиттер-база транзистора 20 и резистор 21 протекает ток, вызывающий отпирание транзистора 20 по эмиттер-коллекторной цепи и отпирание транзисторов 4 и 15.

Для индикации отпертого состояния симистора 5 и включенного состояния нагрузки 14 служит светодиод 24. Когда транзистор 15 заперт, через светодиод 24 протекает ток, и он, излучая свет, сигнализирует о включении нагрузки. При отпирани транзистор 15 цепи светодиода шунтируется и он гаснет. Для снижения тока через светодиод служит резистор 25.

Элемент 1 управления может быть выполнен в виде термочувствительного моста, составленного из резисторов 26-28 и терморезистора 29 (фиг. 3), установленного на входе порогового элемента 2, образованного операционным усилителем 30 и резистором 31. Согласующий элемент 3 выполнен в виде транзистора 20, база которого соединена с выходом порогового элемента 2 резистором 32.

Когда температура в зоне установки терморезистора 29 ниже заданной, компаратор на операционном усилителе 30 переключается таким образом, что потенциал на его выходе приближается к потенциалу на верхнем выводе конденсатора 7. Транзистор 20 заперт и заперты транзисторы 4 и 15. Следовательно, симистор 5 открыт и нагрузка 14 включена. При прогреве терморезистора 29 отпираются транзисторы 20, 4 и 15 и, следовательно, симистор 5 и нагрузка 14 отключаются. При подключении светодиода 24 по схеме фиг. 3, когда на устройство подается напряжение сети, светодиод оказывается подключенным к балластному элементу 8 через резистор 36. Через него протекает минимальный ток, который вызывает минимальную яркость свечения светодиода. При отпирании транзистора 15 параллельно резистору 36 через диод 34 подключается резистор 35, и ток через светодиод 24 увеличивается, что приводит к увеличению яркости свечения светодиода. Таким образом, яркостью светодиода индицируются три состояния устройства: подано или отсутствует напряжение сети на клеммах 10, 11 устройства, а также включена или выключена его нагрузка 14.

В устройстве в качестве управляющего элемента 1 помимо термочувствительного моста могут использоваться различные формирователи импульсов тока, в том числе и кнопочные. В качестве переключающего элемента помимо компараторов могут быть применены различные триггеры, таймеры и др.

Так как ток управления симистором 5 ограничивается в основном конденсатором 6, он опережает анодный ток тиристора на 90 эл.град. что позволяет надежно отпирать симистор 5 по цепи управления меньшим по значению действующим током, чем постоянный или активный ток, уменьшить мощность, потребляемую предложенной схемой. Кроме того, симистор 5 отпирается в начале каждого полупериода сети, и все напряжение сети выделяется в нагрузке. При этом исключаются радиопомехи в сети. Одновременно питание управляющего 1 и порогового 2 элементов осуществляется от источника тока, от которого питается и цепь управления симистора 5. Причем весь ток питания этих элементов проходит через цепь управления симистора, что также позволяет уменьшить мощность устройства и повысить стабильность его работы.

Устройство обеспечивает высокий КПД за счет снижения мощности, выделяемой на балластном элементе 8. Простота и надежность устройства, возможность коммутировать большую мощность с высоким КПД позволяют применять его в различных устройствах автоматики и в быту.

Использование: в схемах управления активной нагрузкой. Сущность изобретения: в релейное устройство, содержащее управляющий 1, пороговый 2 и согласующий 3 элементы, первый транзистор 4, симистор 5, первый 6 и второй 7 конденсаторы, балластный элемент 8, первый диод 9, введены второй транзистор 15, второй 16 и третий 17 диоды, что позволяет упростить схему, снизить потребляемую мощность и повысить надежность и удобства обслуживания за счет индикации состояния устройства. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. РЕЛЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее управляющий, пороговый и согласующий элементы, первый транзистор, симистор, первый и второй конденсаторы, балластный элемент, первый диод, клеммы для подключения к сети переменного тока и клеммы для подключения нагрузки, причем вход порогового элемента подключен к выходу управляющего элемента, а выход к входу согласующего элемента, к выходу которого подключена база первого транзистора, при этом первый силовой вывод симистора соединен с первой клеммой для подключения к сети переменного тока, а его второй силовой вывод с первой клеммой для подключения нагрузки, вторая клемма для подключения которой соединена с второй клеммой для подключения к сети переменного тока и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом балластного элемента и через первый диод с первым выводом второго конденсатора, к первому и второму выводам которого подключены соответственно первый и второй выводы питания порогового элемента, отличающееся тем, что в устройство введены второй транзистор, второй и третий диоды, второй вывод балластного элемента через две параллельные цепи, первая из которых включает в себя второй, а вторая третий диоды, соединен с управляющим выводом симистора, причем второй и третий диоды обращены к управляющему выводу симистора своими разноименными выводами, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и первым силовым выводом симистора, эмиттер второго транзистора соединен с коллектором первого транзистора, вторым выводом балластного элемента и вторым выводом второго конденсатора, база второго транзистора соединена с базой первого транзистора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что согласующий элемент выполнен на стабилитроне и резисторе, которые включены последовательно между входом и выходом согласующего элемента. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что согласующий элемент выполнен на третьем транзисторе и двух резисторах, причем между входом и выходом согласующего элемента включены последовательно соединенные эмиттерно-коллекторный переход третьего транзистора и первый резистор, а база третьего транзистора через второй резистор соединена с вторым выводом второго конденсатора. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что балластный элемент выполнен в виде резистора, параллельно которому подключен дополнительный диод. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в одну из двух упомянутых параллельных цепей, соединяющих второй вывод балластного элемента с управляющим выводом симистора, согласно последовательно второму или третьему диоду включен светодиод. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий элемент выполнен в виде термочувствительного моста, вход которого подключен к второму конденсатору, а выход является выходом управляющего элемента, при этом пороговый элемент выполнен в виде компаратора. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что согласующий элемент выполнен на третьем транзисторе и двух резисторах, причем вход согласующего элемента через первый резистор соединен с базой третьего транзистора, а выход согласующего элемента через последовательно соединенные второй резистор и коллекторно-эмиттерный переход третьего транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены четвертый и пятый диоды, два дополнительных резистора и светодиод индикации, упомянутое соединение эмиттера первого транзистора с коллектором второго транзистора выполнено через четвертый диод, коллектор второго транзистора через последовательно соединенные пятый диод и первый дополнительный резистор соединен с первым выводом светодиода индикации, второй вывод которого подключен к первому выводу балластного элемента, первый вывод светодиода индикации через второй дополнительный резистор подключен к второму выводу балластного элемента, четвертый и пятый диоды включены согласно коллекторно-эмиттерному переходу второго транзистора, а первый диод и светодиод индикации обращены к первому выводу балластного элемента своими одноименными выводами.