КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК H03K17/78 B67D5/06 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для коммутации исполнительных элементов автоматики (электромагнитов, клапанов и т.д.) в определенной последовательности с необходимыми временными задержками и самоблокировками, например, в дозирующих устройствах с кнопочным включением (пуском).

Широко известны простейшие коммутационные устройства, используемые, например, в системах лифтового хозяйства или дозирующих автоматах для продажи жидких пищевых продуктов (например, растительных масел, молочных продуктов) или прохладительных напитков. При всем огромном разнообразии вариантов выполнения эти устройства включают нормально разомкнутую контактную кнопку, пусковой электромагнит с цепью самоблокировки, устройства временной задержки (реле времени) и дозирующий клапан, при открытии которого в выходной патрубок из накопительной емкости проливается за фиксированное время определенное количество жидкого продукта. Лифтовая автоматика обычно строится по типу шаговых искателей, с переключателями ограничения скорости движения и герконовыми датчиками положения, выключающими привод кабины лифта при достижении ею заданной позиции. Для введения необходимых издержек времени используются специальные электронные реле времени с задержкой до 30 с [1].

Указанные системы коммутации автономны, могут длительно эксплуатироваться без вмешательства человека, достаточно просты и дешевы, однако допускают значительные неточности в позиционировании исполнительного элемента (лифтовой кабины) или сравнительно большую погрешность в объеме розданного жидкого продукта, а также не допускают оперативного контроля и управления.

Указанные недостатки вполне терпимы для систем названного назначения, однако для систем повышенной точности такие коммутационные устройства использовать уже затруднительно. К тому же надежность их работы невелика из-за большого количества коммутационных элементов.

Значительно более лучшими точностными характеристиками обладают коммутационные устройства, управляемые микропроцессорными системами. Они позволяют достаточно точно задавать временные задержки и интервалы времени работы коммутационных элементов, что в итоге обеспечивает относительно высокую точность дозирования, и допускают текущий контроль рабочего процесса с широкими функциональными возможностями.

Типичным представителем такого устройства является пульт дистанционного управления "Имипульс-1", используемый для дистанционного управления топливораздаточной колонкой (ТРК) с литровой дозировкой и автоматическим отключением колонки после отпуска заданного на пульте оператором количества топлива [2]. При этом обеспечивается цифровая индикация количества топлива, подлежащего отпуску, а в конце отпуска требуемого объема топлива автоматически осуществляется снижение расхода.

Основой указанного пульта является большая интегральная схема К145ВХ205 (микроконтроллер), выполняющая функции арифметико-логического устройства (АЛУ), производящего операции по обработке вводимых данных, арифметические операции над данными, выработку последовательностей разрядных и сегментных импульсов, а также вывод данных на индикацию. Последовательность работы устройства заключается в следующем.

С помощью специальных цифровых клавиш оператор вводит данные об объеме требуемого к раздаче количества топлива на пульте. Потребитель вставляет раздаточный кран, например, в горловину бака автомобиля, и нажимает нормально разомкнутую кнопку "Пуск" топливораздаточной колонки, включая тем самым перекачивающий насос. Начинается отпуск топлива.

При этом от расходомера раздаточного устройства в АЛУ начинают поступать импульсы литрового расхода, которые вычитаются по одному из заданного числа. Когда количество оставшегося топлива станет равным нулю, АЛУ формирует сигнал, по которому отключается насос колонки и прекращается отпуск топлива.

Кроме того, по переднему фронту последнего счетного импульса расходомера подается команда на снижение расхода топлива через раздаточную колонку. При этом подается напряжение питания на дополнительный клапан снижения расхода и отпуск последнего литра топлива осуществляется при сниженном расходе за значительно большее время, что позволяет более точно осуществить отпуск потребителю последнего литра.

Электронная часть указанного коммутационного устройства содержит значительное количество цифровых микросхем (в основном триггеров и логических элементов), производящих подсчет импульсов расходомера, формирование требуемых временных задержек и т.п., времязадающий элемент (зарядную емкость), определяющую задержку на включение ключевых транзисторов и открытие симисторов, управляющих работой насоса и клапанов расхода топливораздаточной колонки. В варианте 2 исполнения коммутационного устройства используется оптоэлектронная гальваническая развязка между цепью управления и исполнительной цепью (оптотиристор с использованием в качестве фотоприемника симистора), что обеспечивает существенно более высокую надежность работы устройства (см. прилагаемую электрическую принципиальную схему пульта "Импульс-1").

Основные технические характеристики этого коммутационного устройства:
1. Количество обслуживаемых колонок - 1 шт.

2. Дискретность задания дозы - 1 л.

3. Частота поступления литровых счетных импульсов от топливораздаточной колонки, не более - 3 имп/с.

4. Максимальное значение раздаваемого количества топлива - 999 л.

5. Длительность сигнала на снижение расхода топлива в конце выдачи последнего литра - 200-500 мс.

6. Потребляемая мощность без учета мощности потребителя по цепям управления, не более - 7 Вт.

Анализ технических параметров этого устройства четко показывает его недостатки: на каждую колонку требуется отдельный пульт, что весьма неудобно для оператора и создает предпосылки для ошибок, так как обычное число ТРК, например, на АЗС легковых автомобилей, составляет 12...16; структура электронной части устройства ограничивает быстродействие топливоперекачивающей аппаратуры 3 л/с, что весьма неудобно при перекачке больших объемов, например, 1000 л можно перекачать лишь за 330 с, т.е. 5,5 мин; максимальное значение раздаваемого за один цикл количества топлива не превышает 1000 л, что иногда явно недостаточно; устройство сложное, надежность и помехоустойчивость его низки.

Указанные недостатки еще более заметны, если управление работой ТРК производить на базе персонального компьютера (ПК), позволяющего управлять одновременно работой минимум 8 колонок с одного пульта (клавиатуры) и монитора. Достаточно высокое быстродействие ПК при этом практически не может быть использовано из-за низкого быстродействия коммутационного устройства, а сопряжение ПК с коммутационным устройством осуществляется достаточно сложно.

В то же время переход на ПК является неизбежностью, т.к. безналичные расчеты по кредитным карточкам, ускорение обслуживания клиентов, взаиморасчеты между организациями возможны только при использовании вычислительных сетей.

Указанное устройство "Импульс-1" [2] принято за прототип.

Предлагаемое соединение элементов известного коммутационного устройства [2] и дополнительно введенных элементов в известной доступной литературе не обнаружено. Это позволяет считать, что оно имеет элементы новизны. Построение заявляемого устройства с введением схемы дозирования энергии питания управляющей части, обеспечением необходимых временных задержек для организации жесткого цикла последовательного срабатывания подготовительных цепей, цепей временных задержек, цепей защиты и самоблокировки, цепей включения клапана снижения расхода, а также с использованием коммутирующего узла на слаботочных маломощных элементах вместе с силовыми оптотиристорами для гальванической развязки управляющей и исполнительной частей приводит к появлению сверхсуммарного технического эффекта в виде дополнительного увеличения надежности работы устройства, повышения точности раздачи топлива и снижения эксплуатационных затрат. Использование для построения цепей самоблокировки и включения клапана снижения расхода топлива известных аналоговых таймеров и дополнительного слаботочного оптотиристора в новых взаимосвязях также обеспечивает появление сверхсуммарного эффекта.

В предлагаемом коммутационном устройстве устранены почти все отмеченные недостатки прототипа.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого коммутационного устройства приведена на фиг. 1. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства (штриховыми линиями показаны соответствующие изменения токов и напряжении в схеме при повторном нажатии кнопки ТРК (пуск) при работающем топливном насосе).

Предлагаемое устройство содержит (см. фиг. 1):
- цепь дозирования энергии питания, включающую в себя резистор 1 (R1), второй резистор 2 (R2), первый биполярный транзистор 3 p-n-p типа (VT1), первый выпрямительный диод 4 (VD1) и первый зарядный конденсатор 5 (C1);
- времязадающий элемент задержки, включающий в себя третий резистор 6 (R3), четвертый резистор 7 (R4), однопереходный транзистор 8 (VT2), пятый резистор 9 (R5), первый полевой транзистор 10 с управляющим p-n переходом и каналом p-типа (VT3), входную цепь 11 первого оптотиристора UT1 (светодиод UT1.1), первый времязадающий конденсатор 12 (C2), шестой резистор 13 (R6), седьмой резистор 14 (R7) и второй выпрямительный диод 15 (VD2);
- токоограничительный восьмой резистор 16 (R8);
- цепь подготовки включения и защиты, включающую в себя второй полевой транзистор 17 с управляющим p-n переходом и каналом p-типа (VT4), входную цепь 18 второго оптотиристора UT2 (светодиод UT2.1), выходную цепь 19 второго оптотиристора UT2 (оптотиристор UT2.2), девятый резистор 20 (R9), десятый резистор 21 (R10), второй времязадающий конденсатор 22 (C3), третий выпрямительный диод 23 (VD3), одиннадцатый резистор 24 (R11), двенадцатый резистор 25 (R12), выходную цепь 26 первого оптотиристора UT1 (оптотиристор UT1.2), ключевой биполярный пятый транзистор 27 n-p-n типа (VT5);
- силовой оптотиристор UT3, включающий входную цепь 28 (светодиод UT3.1) и выходную цепь 29 (оптотиристор UT3.2);
- выносную нормально разомкнутую кнопку 30 управления (пуска) ТРК;
- цепь самоблокировки, включающую первый аналоговый таймер 31 (DA1), тринадцатый резистор 32 (R13), четырнадцатый резистор 33 (R14), пятнадцатый резистор 34 (R15), шестнадцатый резистор 35 (R16), четвертый конденсатор 36 (C4), пятый конденсатор 37 (C5), четвертый выпрямительный диод 38 (VD4), ключевой биполярный шестой транзистор 39 n-p-n типа (VT6), семнадцатый резистор 40 (R17);
- цепь включения клапана снижения расхода, включающую второй аналоговый таймер 41 (DA2), восемнадцатый резистор 42 (R18), девятнадцатый резистор 43 (R19), двадцатый резистор 44 (R20), двадцать первый резистор 45 (R21), двадцать второй резистор 46 (R22), двадцать третий резистор 47 (R23), шестой конденсатор 48 (C6), седьмой конденсатор 49 (C7), пятый выпрямительный диод 50 (VD5), ключевой биполярный седьмой транзистор 51 n-p-n типа (VT7), входную цепь 52 четвертого оптотиристора UT4 (светодиод UT4.1) и выходную цепь 53 четвертого оптотиристора UT4 (оптотиристор UT4.2);
- шестой выпрямительный диод 54 (VD6).

Кроме того, на фиг. 1 обозначены не входящие в состав заявленного устройства, но управляемые им элементы: первый силовой диодный выпрямительный мост 55 (ZU1) и пусковая обмотка 56 магнитного пускателя (контактора) (ПМЕ1), который управляет включением-выключением топливного насоса (на фиг. 1 не обозначен); второй силовой диодный выпрямительный мост 57 (ZU2) и пусковая обмотка 58 магнитного пускателя (контактора) (ПМЕ2), который управляем включением-выключением клапана снижения расхода при раздаче последнего литра (единичного объема) продукта, например, топлива (на фиг. 1 не показан); электронно-механическое отсчетное устройство 59 для топливо-раздаточных колонок, например, ЭТЦ-1/5 или ЭТЦ-2/5 и им подобные.

На фиг. 1 обозначены также земляная шина 60, клеммы 61 и 62 подключения фазного провода питающего силового напряжения (например, ~220 В, 50 Гц), клемма 63 подключения управляющего напряжения U_упр от ПК и клемма 64 подключения питающего устройство напряжения +15 В.

Кнопка 30 управления (пуска) ТРК и силовой тиристор 28 (UT3) могут находиться на значительном (до 50 м) удалении от коммутационного устройства и от ПК, который управляет его работой.

В качестве аналоговых таймеров 31 (DA1) и 41 (DA2) в заявленном устройстве использованы отечественные микросхемы К1006ВИ1 [4,3]. Конденсаторы 37 (C5) и 49 (C7) рекомендуемой емкостью 0,001...0,1 мкФ для данного типа таймеров являются вспомогательными, обеспечивающими помехозащищенность и при использовании других типов аналоговых таймеров могут отсутствовать. В связи с этим заявитель считает наличие этих конденсаторов несущественным признаком, однако на схеме фиг. 1 они изображены в типовом включении таймеров К1006ВИ1. Присутствие остальных элементов на схеме фиг. 1 необходимо для обеспечения нормальной работоспособности коммутационного устройства с требуемыми характеристиками.

Коммутационное устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на схему подано напряжение питания, например, +15 В (определяется максимально допустимым напряжением питания аналоговых таймеров К1006ВИ1 [4] ), а на исполнительную часть, включающую диодные мостовые выпрямители 55 (ZU1) и 57 (ZU2) с фототиристорами 29 (UT3.2) и 54 (UT4.2), а также обмотки пусковых контактов 56 (ПМЕ1) и 58 (ПМЕ2), подано силовое напряжение ~220 В, 50 Гц (или другое переменное напряжение, обеспечивающее работу исполнительной части). Различие в подключении обмоток контакторов 56 (ПМЕ1) и 58 (ПМЕ2) и диодных мостовых выпрямителей 55 (ZUI) и 57 (ZU2) к зажимам ~220 В, 50 Гц (клеммы 61 и 62) и земляной шине 60 обусловлено только требованиями к снижению электромагнитных помех и удобством монтажа на месте. В принципе, подключение этих элементов к питающему силовому напряжению может быть симметричным (одинаковым).

Кроме того, при включении напряжения питания оно подается непосредственно на выводы 04 и 08 аналоговых таймеров 31 (DA1) и 41 (DA2), через четырнадцатый 33 (R14) и девятнадцатый 43 (R19) резисторы на выводы 02 и 06 первого аналогового таймера 31 (DA1) и вывод 06 второго аналогового таймера 41 (DA2), а также на анод светодиода 52 (входная цепь четвертого оптотиристора UT4.1). При этом четвертый конденсатор 36 (C4) и шестой конденсатор 48 (C6) заряжаются соответственно через четырнадцатый резистор 33 (R14) и девятнадцатый резистор 43 (R19) практически до напряжения питания. Заряд идет по экспоненте и при выбранных значениях номиналов элементов время заряда составляет 1-2 мс.

Аналоговый таймер (см. фиг. 1), например, К1006ВИ1, [3-5], состоит из двух компараторов; резистивного делителя, который с высокой точностью задает опорные напряжения компараторов относительно значения напряжения источника питания: нижний порог - 1/3 U_пит, верхний порог - 2/3 U_пит; асинхронного потенциального RS-триггера, входами которого управляют выходы компараторов; мощного выходного каскада и выходного каскада с открытым коллектором. В связи с этим аналоговый таймер можно рассматривать как асинхронный потенциальный триггер с двумя аналоговыми входами: прямым C (вывод 06), инверсным (вывод 02), на которые можно подавать аналоговые сигналы от нуля до +U_пит, и одним инверсным цифровым входом (вывод 04), на который подаются либо 0, либо напряжение питания +U_пит. Реализуемая этим асинхронным потенциальным триггером функция

где Q - обозначение состояния выходов аналогового таймера в предыдущий момент (выход Q - вывод 03, выход R - вывод 07),
Q⁺ - состояние выходов аналогового таймера после подачи управляющих перепадов напряжения.

Выход Q (вывод 03) - низкоомный, выход R (вывод 07) - высокоомный (коллектор выходного транзистора).

В соответствии с логикой работы аналоговых таймеров [4, 5] первый аналоговый таймер 31 (DA1) после этого устанавливается в состояние выводов (выходов) 03 и 07, близкое к нулю (на входах 04, 06 и 02 высокий уровень, почти равный напряжению питания). Второй аналоговый таймер 41 (DA2) устанавливается в состояние, при котором на выводе (выходе) 03 устанавливается напряжение +15 В (напряжение питания): на входах 04 и 06 второго аналогового таймера 41 (DA2) высокий уровень, а на входе 02 - низкий. Состояние выхода 07 второго аналогового таймера 41 (DA2) - высокое, так как параллельно ему подключен заряженный до +15 В шестой конденсатор 48 (C6). При этом третий ключевой транзистор 51 n-p-n типа (VT7) остается закрытым, так как анод пятого выпрямительного диода 50 (VD1) подключен к выходу 07 первого аналогового таймера 31 (DA1) - низкий уровень, - и диод 50 (VD5) закрыт.

Закрыт также второй ключевой транзистор 39 (VT6) - на выходе 03 первого аналогового таймера 31 (DA1) низкий уровень и четвертый выпрямительный диод 38 (VD4) закрыт. Соответственно не включено электронно-механическое отсчетное устройство 59 (ЭТЦ- 1/5, ЭТЦ-2/5 или им подобное).

Одновременно на аноде входной цепи 11 (светодиод UT1.1) первого оптотиристора UT1 присутствует близкое к нулю напряжение, так как он соединен через семнадцатый резистор 40 (R17) с выводом (выходом) 03 первого аналогового таймера 31 (DA1). Поэтому входная цепь 11 (светодиод UT1.1) закрыта.

Напряжение U_упр, поступающее на клемму 63 от ПК, в исходном состоянии близко к нулю.

При раздаче продукта оператор набирает объем отпускаемого топлива на ПК для соответствующей топливораздаточной колонки, при этом U_упр принимает значение +15 В и начинается подготовительный этап (момент времени t₁ на фиг. 2). Через одиннадцатый резистор 24 (R11) и открытый второй выпрямительный диод 23 (VD3) второй времязадающий конденсатор 22 (C3) заряжается почти до уровня U_упр. Снимаемое с делителя 20, 21 (R9, R10) напряжение подается на затвор p-канального второго полевого транзистора 17 (VT4) с управляющим p-n переходом и закрывает его, подготавливая тем самым к работе цепи включения колонки. Оптотиристоры 19 (UT2.2) и 26 (UT1.2) при этом закрыты. Соответствующие диаграммы изменения напряжений U_упр, U_UT2.2 (анод) и тока через одиннадцатый резистор 24 (I_R11) при заряде второго времязадающего конденсатора 22 (C3) приведены на фиг. 2.

Одновременно U_упр подается на вывод (вход) 02 второго аналогового таймера 41 (DA2) и его выходы 03 и 07 устанавливаются в нулевое напряжение (на управляющих входах 04, 06 и 02 - высокое напряжение). При этом шестой конденсатор 48 (C6) разряжается до нуля через двадцатый резистор 44 (R20) и выход 07 второго аналогового таймера 41 (DA2). На входе 06 второго аналогового таймера 41 (DA2) напряжение становится равным нулю. Время разряда шестого конденсатора 48 (C6) определяется номиналом двадцатого резистора 44 (R20) и составляет несколько микросекунд.

На этом подготовительный этап заканчивается.

Затем при нажатии покупателем выносной нормально разомкнутой кнопки управления (пуска) 30 (ТРК) (момент времени t₂ на фиг. 2) второй резистор 2 (R2) соединяется через кнопку 30 (ТРК) с земляной шиной 60. На биполярном транзисторе 3 p-n-p типа (VT1) появляется необходимое смещение, он открывается и обеспечивает заряд зарядного конденсатора 5 (C1) через первый выпрямительный диод 4 (VD1). Одновременно через первый выпрямительный диод 4 (VDI) и третий резистор 6 (R3) заряжается первый времязадающий конденсатор 12 (C2).

Время полного заряда зарядного конденсатора 5 (C1) до некоторого напряжения определяется выходным сопротивлением биполярного транзистора 3 p-n-p типа (VT1) и сопротивлением открытого первого выпрямительного диода 4 (VD1) и составляет несколько микросекунд, поэтому зарядный конденсатор 5 (C1) заряжается практически мгновенно еще до того, как покупатель отпускает кнопку управления (пуска) 30 (ТРК). Время же нарастания напряжения на первом времязадающем конденсаторе 12 (C2) до некоторого значения, почти равного напряжению на C1 (или напряжению пробоя эмиттерного перехода однопереходного транзистора 8 (VT2)), определяется постоянной времени τ₃ = R3•C2. При выбранных номиналах сопротивления третьего резистора 6 (R3) и емкости первого времязадающего конденсатора 12 (C2) время нарастания напряжения составляет 5-8 мс, а само изменение напряжения на конденсаторе 12 (C2) происходит по экспоненте (см. фиг. 2).

Одновременно с началом процесса заряда конденсаторов 5 (C1) и 12 (C2) напряжение с коллектора биполярного транзистора 3 p-n-p типа (VT1) через делитель 13, 14 (R6, R7) подается на затвор p- канального первого полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом (VT3), обеспечивая принудительное закрытие канала. Поэтому, когда напряжение на конденсаторе 12 (C2) достигнет значения пробоя эмиттерного перехода однопереходного транзистора 8 (VT2), пробоя как такового не происходит (p-канальные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом 10 (VT3) и 17 (VT4) закрыты) и первый времязадающий конденсатор 12 (C2) заряжается далее почти до значения напряжения на зарядном конденсаторе 5 (C1).

После отпуска покупателем кнопки 30 управления (пуска) (ТРК) в исходное (разомкнутое) положение (момент времени t₃ на фиг. 2) смещение с базы биполярного транзистора 3 p-n-p типа (VT1) снимается и он запирается. Напряжение на коллекторе биполярного транзистора 3 (VT1) резко снижается, соответственно уменьшается напряжение на затворе p-канального первого полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом (VT3) и его канал открывается. По образовавшейся замкнутой цепи - пятый резистор 9 (R5), канал первого p-канального полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом (VT3), второй выпрямительный диод 15 (VD2) и светодиод 11 (UT1.1) - происходит резкое увеличение тока через эмиттерный переход однопереходного транзистора 8 (VT2) и пробой соответствующего перехода. При этом первый времязадающий конденсатор 12 (C2) быстро разряжается по указанной цепочке. При этих процессах напряжение питания на каскаде с однопереходным транзистором 8 (VT2) задается напряжением на зарядном конденсаторе 5 (C1), отделенном от биполярного транзистора 3 p-n-p типа (VT1) первым выпрямительным диодом 4 (VD1).

Таким образом, учитывая, что заряд первого времязадающего конденсатора 12 (C2) происходит через третий резистор 6 (R3) и через него же идет разряд зарядного конденсатора 5 (C1), то для нормальной работоспособности устройства достаточно выполнить условие C1≥C2. В этом случае τ_заряда зарядного конденсатора 5 (C1) будет всегда меньше τ_заряда первого времязадающего конденсатора 12 (C2), а τ_{разряда} конденсатора 5 (C1) будет всегда больше τ_{разряда} конденсатора 12 (C2).

Ток разряда первого времязадающего конденсатора 12 (C2) практически не протекает на вывод 03 первого аналогового таймера 31 (DA1), так как отделен от катода второго выпрямительного диода 15 (VD2) семнадцатым резистором 40 (R17). Номинал семнадцатого резистора 40 (R17) составляет единицы кОм и определяется нагрузочной способностью первого аналогового таймера 31 (DA1). Это значение сопротивления семнадцатого резистора 40 (R17) всегда много больше (в сотни раз) сопротивления входной цепи 11 (светодиод UT1.1) оптотиристора UT1 в открытом состоянии.

Протекание броска разрядного тока через входную цепь 11 (светодиод UT1.1) оптотиристора UT1, определяемого значениями номиналов резисторов 7, 9 (R4, R5), сопротивлением открытого канала p- канального полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом (VT3) и открытого второго выпрямительного диода 15 (VD2), приводит к отпиранию оптотиристора (выходной цепи 26 (UT1.2)). При этом на базу ключевого биполярного транзистора 27 n-p-n типа с делителя 24, 25 (R11, R11) подается отпирающее напряжение. Транзистор 27 (VT5) открывается, в результате чего четвертый конденсатор 36 (C4) быстро (за несколько микросекунд) разряжается через тринадцатый резистор 32 (R13) и открытый переход коллектор-эмиттер транзистора 27 (VT5). Как только напряжение на четвертом конденсаторе 36 (C4) снизится до 1/3 напряжения питания +15 В (т.е. приблизительно до +5 В), первый аналоговый таймер 31 (DA1) переключается и напряжение на его выходе 03 скачком устанавливается почти равным напряжению питания +15 В. Четвертый выпрямительный диод 38 (VD4) открывается, появляется смещение на базе второго ключевого биполярного транзистора 39 (VT6), который отпирается и замыкает на земляную шину 60 источник питания +12 В электронно-механического отсчетного устройства 59. С задержкой в 1,6-2,5 с отсчетное устройство 59 включается, замыкая входную цепь 28 (светодиод UT3.1) оптотиристора UT3 на земляную шину. Протекающий по входной цепи 28 ток, значение которого ограничивается восьмым резистором 16 (R8) и составляет около 100 мА, включает выходную цепь 29 (оптотиристор UT3.2) оптотиристора UT3. При этом запитывается обмотка 56 пускателя топливного насоса ПМЕ1 и производится отпуск топлива потребителю.

Открытие первого оптотиристора UT1 приводит к существенному "просаживанию" напряжения на аноде второго выпрямительного диода 23 (VD3) (определяется соотношением номиналов резисторов 24 (R11) и и его запиранию (напряжение на втором времязадающем конденсаторе 22 (C3),т.е. на катоде второго выпрямительного диода 23 (VD3), больше напряжения на его аноде). Подпитка второго времязадающего конденсатора 22 (C3) от U_упр при этом невозможна, поэтому конденсатор 22 (C3) начинает разряжаться через резисторы делителя 20, 21 (R9, R10). Напряжение на затворе второго полевого транзистора 17 с управляющим p-n переходом (VT4) при этом уменьшается. При достижении некоторого порогового значения напряжения на затворе второго полевого транзистора 17 (VT4) последний открывается, подготавливая тем самым цепь выключения первого оптотиристора UT1 при повторном случайном или намеренном нажатии кнопки 30 управления (пуска) (ТРК). Второй времязадающий конденсатор 12 (C2) должен успеть разрядиться до открытия p-канала второго полевого транзистора 17 с управляющим p-n переходом (VT4), в этом случае ток через входную цепь 18 второго оптотиристора UT2 (светодиод 18 (UT2.1)) не протекает и второй оптотиристор UT2 не влияет на работу перекачивающего насоса колонки.

Соответственно, для предотвращения ложного выключения колонки при многократном нажатии кнопки 30 управления (пуска) (ТРК) в момент пуска значения номиналов второго времязадающего конденсатора 22 (C3) и резисторов 20, 21 (R9, R10) выбираются таким образом, чтобы полученная задержка с момента включения первого оптотиристора UT1 до отпирания p-канала второго полевого транзистора 17 с управляющим p-n переходом (VT4) составляла 4-5 с. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы τ_{разряда} второго времязадающего конденсатора 22 (C3) была бы, как минимум, в 10 раз больше, чем τ_{разряда} первого времязадающего конденсатора 12 (C2).

Кроме того, при открытии оптотранзистора (АОТ110А) внутри электронно-механического отсчетного устройства 59 (см. фиг. 1) открывается дополнительно введенный шестой выпрямительный диод 54 (VD6). Это происходит при условии, что напряжение на десятом резисторе 21 (R10) больше напряжения открытия этого диода (0,7- 0,8 В). Второй времязадающий конденсатор 22 (C3) быстро разряжается по цепочке девятый резистор 20 (R9) - шестой выпрямительный диод 53 (VD6). Напряжение на затворе второго полевого транзистора 17 с управляющим p-n переходом и каналом p-типа резко снижается и становится равным падению напряжения на открытом шестом выпрямительном диоде 54 (VD6), транзистор 17 открывается, подготавливая цепь выключения первого оптотиристора UT1 при повторном случайном или намеренном нажатии кнопки 30 управления (пуска) ТРК.

Таким способом форсируется (ускоряется) процесс вывода в рабочее состояние цепи подготовки включения и защиты и производится ее дублирование. Одновременно снижаются требования к соотношению постоянных времени paзpядa (τ_{разряда}) втopoгo 22 (C3) и первого 12 (C2) времязадающих конденсаторов (см. выше) и повышается надежность работы указанной цепи.

При этом цепь дозирования энергии питания на все время включения силового оптотиристора UT3 практически остается обесточенной, что существенно повышает пожаро- и взрывобезопасность топливораздаточной колонки.

Одновременно, при установке на выводе 03 первого аналогового таймера 31 (DA1) высокого выходного напряжения +15 В через семнадцатый резистор 40 (R17) осуществляется самоблокировка включенного состояния оптотиристора UT1 (светодиода UT1.1), так как закрытие по каким-либо причинам первого полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом и каналом p-типа (VT3) не приводит к изменению состояния оптотиристора UT1 (светодиода UT1.1). Это дополнительно повышает надежность устройства. Второй выпрямительный диод 15 (VD2) выполняет при этом защитную функцию: предотвращает попадание напряжения с выхода 03 первого аналогового таймера 31 (DA1) на сток первого полевого транзистора 10 с управляющим p-n переходом и каналом p-типа (VT3).

Одновременно с этим также снимается запрещающий сигнал с выхода 07 первого аналогового таймера 31 (DA1) на включение третьего ключевого биполярного транзистора 51 n-p-n типа (VT7), который управляет работой пускателя 58 (ПМЕ2) клапана снижения расхода топлива. Однако транзистор VT7 при этом остается в закрытом состоянии, так как на выходе 03 второго аналогового таймера 41 (DA2) присутствует нулевой уровень напряжения.

Такое состояние схемы остается до прихода в ПК счетного импульса расходомера ТРК (на фиг. 1 не показан) отпуска предпоследнего литра набранной оператором дозы. При этом программно ПК снимает на время 55 мс напряжение управления U_упр = +15 В с клеммы 63 (т.е. U_упр становится равным нулю - см. фиг. 2), а затем программно вновь восстанавливает его до U_упр = +15 В до конца отпуска всего набранного оператором на ПК объема топлива.

При указанном снятии высокого U_упр с клеммы 63 выходная цепь 26 (оптотиристор UT1.2) оптотиристора UT1 закрывается (снято анодное напряжение), закрывается соответственно и первый ключевой биполярный транзистор 27 n-p-n типа (VT5). Четвертый конденсатор 36 (C4) начинает вновь заряжаться от питающего напряжения +15 В через четырнадцатый резистор 33 (R14). Пока нарастающее по экспоненте напряжение на четвертом конденсаторе 36 (C4) не достигнет значения 2/3 U_пит, первый аналоговый таймер 31 (DA1) не переключается и напряжение на его выходе 03 остается без изменений. При выбранных номиналах четырнадцатого резистора 33 (R14) и четвертого конденсатора 36 (C4) обеспечивается задержка срабатывания первого аналогового таймера 31 (DA1), равная примерно 80 мс. Поэтому после окончания программного прерывания U_упр на клемме 63, происходит самовключение выходной цепи 26 (оптотиристор UT1.2) оптотиристора UT1. Таким образом, программное прерывание U_упр не приводит к изменениям в работе пускателя электронасоса топлива ПМЕ1.

С другой стороны, снятие U_упр с восемнадцатого 42 (R18) и вывода (входа) 02 второго аналогового таймера 41 (DA2) приводит к его перебросу, и на выходе 03 устанавливается высокое напряжение (приблизительно +15 В). Это приводит к отпиранию пятого выпрямительного диода 50 (VD5) и третьего ключевого биполярного транзистора 51 (VT7). При этом через входную цепь 52 (светодиод UT4.1), двадцать третий резистор 47 (R23) и открытый транзистор 51 (VT7) протекает ток, значение которого определяется, в основном, номиналом двадцать третьего резистора 47 (R23). Оптотиристор UT4 включается (выходная цепь 53 (UT4.2)), запитывая обмотку 58 пускателя клапана снижения расхода топлива ПМЕ2. Клапан закрывается и отпуск топлива производится с меньшим расходом, что в конечном итоге позволяет точнее дозировать последний литр отпускаемого объема топлива.

Время нахождения третьего ключевого биполярного транзистора 51 (VT7) в открытом состоянии и установившегося состояния выходов 03 и 07 второго аналогового таймера 41 (DA2) определяется номиналами девятнадцатого резистора 43 (R19) и шестого конденсатора 48 (C6) и задается в диапазоне 0,2-0,5 с.

Отпуск топлива покупателю происходит до тех пор, пока ПК поддерживает высокий уровень U_упр на клемме 63. Это продолжается до тех пор, пока число счетных импульсов расходомера колонки (эквивалент литров) не совпадает с набранным оператором на ПК числом литров отпускаемого топлива.

После окончания отпуска топлива разрешающий сигнал ПК высокого уровня U_упр снимается с клеммы 63 (см. фиг. 2). Тиристор UT1 и первый ключевой биполярный транзистор 27 (VT5) закрываются, а напряжение на выходе 03 первого аналогового таймера 31 (DA1) примерно через 80 мс устанавливается равным нулю. В итоге второй ключевой биполярный транзистор 39 (VT6) закрывается, размыкается оптронная связь в электронно-механическом отсчетном устройстве 59, разрывается цепь протекания тока через входную цепь 28 (светодиод UT3.1) силового оптрона UT3. Последний выключается и обесточивает обмотку пускателя 56 (ПМЕ1), который отключает топливный насос. На этом отпуск заданного объема топлива в штатном режиме заканчивается. Схема возвращается в исходное состояние.

Если по каким-либо причинам во время отпуска топлива снова будет нажата кнопка 30 управления (пуска) (ТРК), то сработает цепь защиты на основе второго оптотиристора UT2.

Происходит это следующим образом: при повторном открытии биполярного транзистора 3 p-n-p типа (VT1) снова заряжаются конденсаторы 5 и 12 (C1 и C2) (момент времени t₄-t₅ на фиг. 2). Как только напряжение на втором времязадающем конденсаторе 12 (C2) достигнет напряжения пробоя эмиттерного перехода однопереходного транзистора 8 (VT2) (оно приблизительно в 2 раза меньше напряжения на зарядном конденсаторе 5 (C1)), последний отпирается (момент времени t₆ на фиг. 2) и через цепь эмиттерный переход транзистора 8 (VT2) - пятый резистор 9 (R5) - открытый p-канал (сток-исток) второго полевого транзистора 17 с управляющим p-n переходом (VT4) - входная цепь (светодиод 18 (UT2.1)) оптотиристора UT2 начинается быстрый разряд первого времязадающего конденсатора 12 (C2). Протекающий по этой цепи ток отпирает второй оптотиристор UT2 (выходную цепь 19 (UT2.2)), в результате чего ток через выходную цепь 26 (UT1.2) снижается ниже критического значения и он запирается. Это приводит к закрытию первого ключевого биполярного транзистора 27 n-p-n типа (VT5), приблизительно через 80 мс состояние выходов 03 и 07 первого аналогового таймера 31 (DA1) изменяется на низкий уровень, после этого обесточивается входная цепь 11 (светодиод UT1.1) первого оптотиристора UT1 и закрывается второй ключевой транзистор 39 (VT6), разрывается оптронная связь внутри электронно-механического отсчетного устройства 59 и закрывается оптотранзистор (на фиг. 1 не обозначен) внутри его. Ток через входную цепь 28 (светодиод UT3.1) третьего силового оптотиристора UT3 прерывается и он закрывается, обесточивая обмотку 56 пускателя топливоперекачивающего насоса ПМЕ1. Отпуск топлива прекращается. Одновременно закрывается шестой выпрямительный диод 54 (VD6).

Останов топливоперекачивающего насоса (на фиг. 1 не показан) приводит к программному снятию управляющего напряжения U_упр на клемме 63 и переходу схемы в исходное состояние. Повторный запуск ТРК возможен только при участии оператора с новым набором остатка нерозданного топлива на ПК.

Таким путем исключается возможность непреднамеренного или недобросовестного нарушения цикла работы ТРК и получения излишнего количества топлива.

Таким образом, заявляемое коммутационное устройство обеспечивает по сравнению с прототипом дополнительные преимущества:
1) реализуется режим снижения расхода при раздаче последнего литра продукта (топлива), что обеспечивает более точное выдерживание раздаваемого объема продукта (топлива) и отсутствие перелива, а также снижение связанных с этим потерь;
2) осуществляется самоблокировка включения первого оптотиристора UT1 (входной цепи 11 - светодиода UT1.1), что повышает надежность работы устройства;
3) осуществляется форсирование цепи подготовки включения и защиты с помощью дополнительного шестого выпрямительного диода 54 (VD6), что также повышает надежность работы устройства;
4) сохраняется возможность использования прежнего программного обеспечения управляющего ПК с вложением кратковременного цикла прерывания (снятия напряжения управления с клеммы 63).

Некоторое усложнение аппаратной части заявленного устройства по сравнению с прототипом несущественно с точки зрения получения дополнительных преимуществ.

Ориентировочная потребность в такого рода устройствах на автозаправочных станциях (АЗС) России (как государственных, так и ведомственных) составляет по экспертной оценке около 60 тыс. штук.

Источники информации
1. Лифт пассажирский ПП-427. Паспорт и техническое описание 427.00.00.000 ПС. Самаркандский лифтостроительный завод им. 50-летия СССР.

2. Пульт дистационного управления "Импульс-1". Паспорт АЗТ 2.391.166.00 ПС. - Концерн "Роснефтепродукт". НПО Автозаправочной техники - прототип.

3. Коломбет Е.А. Таймеры. - М.: Радио и связь, 1983.

4. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991.

5. Пухальский Г. И. , Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для коммутации силовых элементов автоматики (электромагнитов, клапанов и т.д.) по определенной программе с необходимыми временными задержками и самоблокировками, например, в дозирующих устройствах, топливораздаточных колонках с кнопочным управлением. Устройство содержит цепь дозирования энергии питания, времязадающий элемент задержки, цепь подготовки включения и защиты, цепь включения и самоблокировки, цепь включения клапана снижения расхода. Технический результат: надежная электрическая изоляция управляющей и силовой исполнительных цепей - оптронная развязка, повышенная максимально допустимая скорость раздачи топлива, упрощенное подключение к управляющему компьютеру-контроллеру, повышенная надежность и увеличенный ресурс работы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Коммутационное устройство исполнительных элементов дозирующих устройств, содержащее выносную нормально разомкнутую кнопку управления, времязадающий элемент задержки, силовой оптотиристор, выходная цепь которого подключена к нагрузке в виде обмотки пускателя переключающего насоса, и ограничительный восьмой резистор, первый вывод которого подключен к положительному выводу источника питания, а второй вывод - к аноду светодиода входной цепи силового оптотиристора, отличающийся тем, что введено электронно-механическое отсчетное устройство с оптронной связью, предназначенное для замыкания светодиода входной цепи силового оптотиристора на общую шину, введена цепь дозирования энергии питания, содержащая биполярный транзистор р-n-р типа, первый и второй резисторы, первый выпрямительный диод и зарядный конденсатор, причем первый вывод первого резистора и эмиттер биполярного транзистора р-n-р типа подключены к положительному выводу источника питания, второй вывод первого резистора и первый вывод второго резистора подключены к базе биполярного транзистора р-n-р типа, второй вывод второго резистора подключен к одному из выводов выносной нормально разомкнутой кнопки управления, другой вывод которой подключен к общей шине, анод первого выпрямительного диода подключен к коллектору биполярного транзистора р-n-р типа, катод первого выпрямительного диода подключен к первому выводу зарядного конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, времязадающий элемент задержки содержит третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы, однопереходный транзистор, первый полевой транзистор с управляющим р-n переходом и каналом р-типа, первый времязадающий конденсатор, второй выпрямительный диод, а также светодиод входной цепи первого оптотиристора, причем первые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с катодом первого выпрямительного диода цепи дозирования энергии питания, второй вывод третьего резистора подключен к эмиттеру однопереходного транзистора и первому выводу первого времязадающего конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, второй вывод четвертого резистора подключен ко второй базе однопереходного транзистора, а его второй вывод - к истоку первого полевого транзистора, между стоком которого и анодом светодиода входной цепи первого оптотиристора включен второй выпрямительный диод, катод этого светодиода подключен к общей шине, первый вывод шестого резистора подключен к коллектору биполярного транзистора р-n-р типа цепи дозирования энергии питания, второй вывод шестого резистора соединен с затвором первого полевого транзистора и первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого подключен к общей шине, дополнительно введена цепь подготовки включения и защиты, содержащая девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый резисторы, второй времязадающий конденсатор, третий выпрямительный диод, второй полевой транзистор с управляющим р-n переходом и каналом р-типа, второй оптотиристор, первый ключевой биполярный транзистор n-р-n типа, а также выходная цепь первого оптотиристора, причем к первому выводу девятого резистора подключены первый вывод второго времязадающего конденсатора и катод третьего выпрямительного диода, ко второму выводу девятого резистора подключены затвор второго полевого транзистора и первый вывод десятого резистора, исток второго полевого транзистора подключен к истоку первого полевого транзистора и второму выводу пятого резистора, а сток второго полевого транзистора - к аноду светодиода входной цепи второго оптотиристора, первый вывод одиннадцатого резистора подключен к клемме подключения управляющего напряжения, его второй вывод соединен с анодом третьего выпрямительного диода, с анодом фототиристора выходной цепи первого оптотиристора и анодом фототиристора выходной цепи второго оптотиристора, катод фототиристора выходной цепи первого оптотиристора подключен к первому выводу двенадцатого резистора и базе первого ключевого биполярного транзистора, при этом катод светодиода входной цепи второго оптотиристора, вторые выводы десятого резистора и второго времязадающего конденсатора, катод фототиристора выходной цепи второго оптотиристора, второй вывод двенадцатого резистора и эмиттер первого ключевого биполярного транзистора подключены к общей шине, дополнительно введена цепь включения и самоблокировки, содержащая первый аналоговый таймер, тринадцатый, четырнадцатый, пятнадцатый, шестнадцатый и семнадцатый резисторы, четвертый конденсатор, четвертый выпрямительный диод и второй ключевой биполярный транзистор n-р-n типа, при этом первый вывод тринадцатого резистора подключен к коллектору первого ключевого биполярного транзистора, второй вывод тринадцатого резистора подключен к первому выводу четвертого конденсатора, первому выводу четырнадцатого резистора, а также к первому и второму инверсному аналоговым входам первого аналогового таймера, второй вывод четырнадцатого резистора и инверсный цифровой вход первого аналогового таймера подключены к положительному выводу источника питания, первый вывод пятнадцатого резистора и первый вывод семнадцатого резистора подключены к низкоомному выходу первого аналогового таймера, второй вывод семнадцатого резистора подключен к аноду светодиода входной цепи первого оптотиристора времязадающего элемента задержки, второй вывод пятнадцатого резистора подключен к аноду четвертого выпрямительного диода, катод которого подключен к базе второго ключевого биполярного транзистора и к первому выводу шестнадцатого резистора, эмиттер второго ключевого биполярного транзистора и вторые выводы четвертого конденсатора и шестнадцатого резистора подключены к общей шине, а коллектор второго ключевого биполярного транзистора подключен к электронно-механическому отсчетному устройству для его включения-выключения, также дополнительно введена цепь включения клапана снижения расхода. содержащая второй аналоговый таймер, восемнадцатый, девятнадцатый, двадцатый, двадцать первый, двадцать второй и двадцать третий резисторы, шестой конденсатор, пятый выпрямительный диод, третий ключевой биполярный транзистор n-р-n типа и четвертый оптотиристор, при этом первый вывод восемнадцатого резистора, с которого снимается управляющее напряжение, подключен ко второму инверсному аналоговому входу второго аналогового таймера и аноду третьего выпрямительного диода цепи подготовки включения и защиты, первый вывод девятнадцатого резистора и инверсный цифровой вход второго аналогового таймера подключены к положительному выводу источника питания, второй вывод девятнадцатого резистора соединен с первым аналоговым входом второго аналогового таймера и первым выводом шестого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, высокоомный выход второго аналогового таймера подключен к первому выводу двадцатого резистора, второй вывод которого подключен к первому аналоговому входу второго аналогового таймера, низкоомный выход которого подключен к первому выводу двадцать первого резистора, второй вывод которого соединен с анодом пятого выпрямительного диода и высокоомным выходом первого аналогового таймера цепи включения и самоблокировки, катод пятого выпрямительного диода соединен с первым выводом двадцать второго резистора и базой третьего ключевого биполярного транзистора, эмиттер которого, второй вывод двадцать второго резистора и общие выводы первого и второго аналоговых таймеров подключены к общей шине, коллектор третьего ключевого биполярного транзистора подключен ко второму выводу двадцать третьего резистора, первый вывод которого подключен к катоду светодиода входной цепи четвертого оптотиристора, анод светодиода входной цепи которого и выводы питания первого и второго аналоговых таймеров подключены к положительному выводу источника питания, причем выходная цепь четвертого оптотиристора подключена к нагрузке в виде обмотки пускателя управления клапаном снижения расхода при раздаче последнего единичного объема продукта. 2. Коммутационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в состав цепи подготовки включения и защиты дополнительно введен шестой выпрямительный диод, причем анод этого диода подключен к затвору второго полевого транзистора с управляющим р-n переходом и каналом р-типа, а катод соединен с катодом светодиода входной цепи силового оптотиристора. 3. Коммутационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость зарядного конденсатора цепи дозирования энергии питания выбирают равной или большей емкости первого времязадающего конденсатора времязадающего элемента задержки. 4. Коммутационное устройство по п.1, отличающееся тем, что постоянная времени разряда второго времязадающего конденсатора цепи подготовки включения и защиты выбирается, не менее чем в 10 раз большей постоянной времени разряда первого времязадающего конденсатора времязадающего элемента задержки.