ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H03K17/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутируемых источниках питания, где требуется коммутация обеих шин питания электронным ключом, основные параметры которого - ток утечки и падение напряжения на открытом ключе - подлежат определению.

Известен электронный коммутатор напряжения [1], содержащий последовательно соединенные первую шину питания, электронный ключ, блок нагрузки, датчик тока и вторую шину питания.

Недостаток этого коммутатора состоит в том, что он имеет электронный ключ для коммутации одной шины питания, что снижает его надежность в случае отказа одного ключа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является электронный коммутатор напряжения [2], содержащий первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания.

Недостаток этого коммутатора напряжения состоит в том, что он обладает низкой функциональной надежностью на стадии изготовления, так как в нем отсутствует возможность определения исправного состояния ключей за счет измерения основных его параметров: падения напряжения на открытом ключе и тока утечки ключей в закрытом состоянии.

Задача изобретения - повышение функциональной надежности электронного коммутатора напряжения на стадии изготовления за счет определения исправного состояния ключей путем измерения основных его параметров: падения напряжения на ключе в открытом состоянии (сопротивления открытого ключа) и тока утечки ключей в закрытом состоянии.

Решение этой задачи достигается тем, что в электронный коммутатор напряжения, содержащий первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания, при этом первый вывод первого резистора подключен к общей точке первого ключа и блока нагрузки, дополнительно введены первая, вторая, третья и четвертая шины измерения, первый и второй мультиплексоры, первые сигнальные входы которых соединены с первой шиной питания, вторые сигнальные входы мультиплексоров соединены со второй шиной питания, а входы управления первого и второго мультиплексоров подключены соответственно к первому и второму технологическим входам, первый вывод первого резистора соединен с первой выходной шиной измерения, второй вывод первого резистора соединен со второй выходной шиной измерения и выходом первого мультиплексора, первый вывод второго резистора соединен с третьей выходной шиной измерения и общей точкой второго ключа и блока нагрузки, второй вывод второго резистора соединен с четвертой выходной шиной измерения и выходом второго мультиплексора.

На чертеже приведена блок-схема электронного коммутатора напряжения. На этой схеме: 1 - первая шина управления, 2 - вторая шина управления, 3 - первый ключ, 4 - блок нагрузки, 5 - второй ключ, 6 - первый мультиплексор, 7 - первый резистор, 8 - второй резистор, 9 - второй мультиплексор, 10 - первый технологический вход, 11 - второй технологический вход, 12 и 13 - соответственно первая и вторая выходные шины измерения, 14 и 15 - соответственно третья и четвертая выходные шины измерения, 16 и 17 - соответственно первая и вторая шины питания.

Первая шина управления 1 соединена с входом управления первого ключа 3, вторая шина управления 2 соединена с входом управления второго ключа 5. Соединены последовательно первая шина питания 16, первый ключ 3, блок нагрузки 4, второй ключ 5 и вторая шина питания 17. Общая точка первого ключа 3 и блока нагрузки 4 соединена с первым выводом первого резистора 7 и первой выходной шиной измерения 12, общая точка второго ключа 5 и блока нагрузки 4 соединена с первым выводом второго резистора 8 и третьей выходной шиной измерения 14. Второй вывод первого резистора 7 соединен со второй выходной шиной измерения 13 и выходом первого мультиплексора 6, второй вывод второго резистора 8 соединен с четвертой выходной шиной измерения 15 и выходом второго мультиплексора 9. Первые сигнальные входы первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены с первой шиной питания 16, вторые сигнальные входы первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены со второй шиной питания 16. Входы управления первого 6 и второго 9 мультиплексоров соединены соответственно с первым 10 и вторым 11 технологическими входами.

Электронный коммутатор напряжения работает следующим образом. Если на первую шину управления 1 подан сигнал В₁=0 (низкий уровень) и на вторую шину управления 2 подан сигнал В₂=0, то оба ключа 3 и 5 закрыты. Пусть сопротивление первого закрытого ключа 3 равно R_K1, а сопротивление второго закрытого ключа 5 равно R_K2, при этом ток утечки J_УТ1 первого ключа 3 и ток утечки J_УТ2 второго ключа 6 определим в виде

где U₁ и U₂ - соответственно напряжение на первом 3 и втором 5 ключах.

При подаче на первую шину управления 1 сигнала В₁=1 (высокий уровень) и на вторую шину управления 2 сигнала В₂=1 открываются первый 3 и второй 5 ключи и на блок нагрузки 4 поступает напряжение питания U_П=(Е₁-Е₂), где Е₁ - потенциал на первой шине питания 16, Е₂ - потенциал на второй шине питания 17. Сопротивление первого открытого ключа 3 обозначим r_К1, а сопротивление второго открытого ключа 5 обозначим r_К2. Если ток блока нагрузки 4 равен J_H, то падения напряжения на первом ключе 3 U_OK1 и на втором ключе 5 U_OK2 связаны соотношением

Будем считать, что при поступлении на вход управления первого 6 (второго 9) мультиплексора сигнала Т₁=0 (Т₂=0) выход F₁ первого мультиплексора (выход F₂ второго мультиплексора) подключается к первому сигнальному входу С₁(С₂). При поступлении на вход управления мультиплексоров сигналов Т₁=1 (Т₂=1) выход F₁(F₂) подключается ко второму сигнальному входу D₁(D₂).

Пусть требуется определить падение напряжения U_OK1 на первом 3 и U_0K2 на втором 5 ключах при токе в нагрузке J_H. Подадим на первый 10 и второй 11 технологические входы соответственно сигналы Т₁=0 (первый сигнальный вход С₁ первого мультиплексора 6 подключается к его выходу F₁) и Т₂=1 (второй сигнальный вход D₂ второго мультиплексора 9 подключается к его выходу F₂), а на входы управления первого 3 ключа сигнал В₁=1 и второго ключа 5 сигнал В₂=1. В этом случае падение напряжения U₁ на первом 7 резисторе R₁ будет равно падению напряжения U_OK1 на первом ключе 3 (первый 7 резистор R₁ включен параллельно первому ключу 3), а падение напряжения U₂ на втором 8 резисторе R₂ будет равно падению напряжения U_OK2 на втором ключе 5 (второй 8 резистор R2 включен параллельно второму ключу 5). Падение напряжения U_0K1 фиксируется на первой 12 и второй 13 выходных шинах измерения, падение напряжения U_0K2 фиксируется на третьей 14 и четвертой 15 выходных шинах измерения. При известном токе нагрузки J_H можно определить сопротивление первого открытого ключа 3 r_К1 и сопротивление второго открытого ключа 5 r_K2 в соответствии с (2).

Выберем сопротивления R₁ и R₂ из соотношений (3)

где R_H сопротивление нагрузки. В этом случае при открытых ключах 3 и 5 токи измерения J_И3M1 и J_И3M2, протекающие соответственно в цепи сопротивлений R₁ и R₂, много меньше тока в нагрузке J_H и токи измерения J_И3M1 и J_И3M2 можно не учитывать.

Определим ток утечки J_ут1, первого ключа 3. Сформируем сигналы В₁=О, В₂=О, Т₁=1, Т₂=1. В этом случае первый 3 и второй 5 ключи закрыты, вторые сигнальные входы D₁ первого мультиплексора 6 и D₂ второго мультиплексора 9 подключаются соответственно к выходам F₁ и F₂. Ток утечки J_ут1, первого ключа 3 будет протекать как по цепи первого 7 резистора R₁, так и по цепи второго 8 резистора R₂. Так как согласно (3) R_К2 » R₂, то в цепи второго ключа 5 протекание части тока утечки J_yт1 первого ключа 3 будет незначительным и этой частью тока можно пренебречь. Измерим напряжения U₁ на шинах 12 и 13 и U₂ на шинах 13 и 14. Ток в цепи первого 7 резистора R₁ обозначим J_ут11 ток в цепи второго 8 резистора R₂ обозначим J_ут12. Имеем соотношения

Соотношение (6) определяет значение тока утечки J_ут1 первого ключа 3. Таким образом, при входных сигналах В₁=0, В₂=0, Т₁=1, Т₂=1 путем измерения напряжений U₁ и U₂ на шинах 12 и 13 и на шинах 14 и 15 при известных сопротивлениях первого 7 резистора R₁ и второго 8 резистора R₂ можно определить значение тока утечки первого ключа 3 согласно (6).

Определим ток утечки J_ут2 второго ключа 5. Сформируем сигналы В₁=0, В₂=0, Т₁=0, Т₂=0. В этом случае первый 3 и второй 5 ключи закрыты, первые сигнальные входы С₁ первого мультиплексора 6 и С₂ второго мультиплексора 9 подключаются соответственно к выходам F₁ и F₂. Ток утечки J_yт2 второго ключа 5 будет протекать как по цепи первого 7 резистора R₁, так и по цепи второго 8 резистора R₂. Так как согласно (3) R_K1>>R₁, то в цепи первого ключа 3 протекание части тока утечки J_ут2 второго ключа 5 будет незначительным и этой частью тока можно пренебречь. Измерим напряжения U₁ на шинах 12 и 13 и U₂ на шинах 13 и 14. Ток в цепи первого 7 резистора R₁ обозначим J_ут21, ток в цепи второго 8 резистора R₂ обозначим J_ут22. Имеем соотношения

Соотношение (9) определяет значение тока утечки J_ут2 второго ключа 5. Таким образом, при входных сигналах В₁=0, В₂=0, Т₁=0, Т₂=0 путем измерения напряжений U₁ и U₂ на шинах 12 и 13 и на шинах 14 и 15 при известных сопротивлениях первого 7 резистора R₁ и второго 8 резистора R₂ можно определить значение тока утечки второго ключа 5 согласно (9).

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает измерение основных параметров ключей: падения напряжения на открытом ключе (сопротивления открытого ключа) и тока утечки ключей в закрытом состоянии.

Покажем, что возможность измерения основных параметров ключей повышает функциональную надежность электронного коммутатора напряжения на стадии его изготовления. Надежность каждого элемента на данный момент времени определяется технологией его изготовления и зависит от многих факторов. Вместе с тем, выходные параметры элемента характеризуют его состояние и по их значениям можно судить о его надежности. Если, например, какие - либо параметры элемента находятся на границе (или за границей) дозволенных значений, то такой элемент менее надежен (или ненадежен). В процессе изготовления электронного коммутатора напряжения такие элементы возможно выявить на любой стадии путем измерения основных параметров и заменить их на более надежные элементы. Если при изготовлении известного электронного коммутатора напряжения [2] установлено, например, два "ненадежных" элемента с надежностью Р₁ и четыре "надежных" элемента с надежностью Р₂, то надежность Р₃ такого устройства будет равна

При изготовлении предлагаемого электронного коммутатора напряжения за счет возможности измерения основных параметров ключей и выявления "ненадежных" элементов будут установлены все "надежные" элементы с надежностью Р₂. Надежность Р₄ предлагаемого устройства будет равна

При Р₁=0,9 и Р₂=0,99 надежность известного устройства Р₃=0,78, а надежность предлагаемого устройства Р₄=0,94.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, мультиплексоры, резисторы.

Литература

1. Патент Российской Федерации №2208292, Кл. Н03К 17/08, 2003 г.

2. Патент Российской Федерации №2210183, Кл. Н03К 17/08, 2003 г.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении функциональной надежности коммутатора. Электронный коммутатор содержит первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания, при этом первый вывод первого резистора подключен к общей точке первого ключа и блока нагрузки, кроме того, в него введены первая, вторая, третья и четвертая шины измерения, первый и второй мультиплексоры, первые сигнальные входы которых соединены с первой шиной питания, а вторые сигнальные входы - со второй шиной питания, входы управления первого и второго мультиплексоров подключены соответственно к первому и второму технологическим входам, первый вывод первого резистора соединен с первой выходной шиной измерения, второй вывод первого резистора соединен со второй выходной шиной измерения и выходом первого мультиплексора, первый вывод второго резистора соединен с третьей выходной шиной измерения и общей точкой второго ключа и блока нагрузки, второй вывод второго резистора соединен с четвертой выходной шиной измерения и выходом второго мультиплексора. 1 ил.

Электронный коммутатор напряжения, содержащий первый и второй резисторы и последовательно соединенные первую шину питания, первый ключ с первой шиной управления, блок нагрузки, второй ключ со второй шиной управления и вторую шину питания, при этом первый вывод первого резистора подключен к общей точке первого ключа и блока нагрузки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первая, вторая, третья и четвертая шины измерения, первый и второй мультиплексоры, первые сигнальные входы которых соединены с первой шиной питания, вторые сигнальные входы мультиплексоров соединены со второй шиной питания, а входы управления первого и второго мультиплексоров подключены соответственно к первому и второму технологическим входам, первый вывод первого резистора соединен с первой выходной шиной измерения, второй вывод первого резистора соединен со второй выходной шиной измерения и выходом первого мультиплексора, первый вывод второго резистора соединен с третьей выходной шиной измерения и общей точкой второго ключа и блока нагрузки, второй вывод второго резистора соединен с четвертой выходной шиной измерения и выходом второго мультиплексора.