Устройство для автоматической коммутации нагрузки в вакууме Российский патент 2025 года по МПК H01H41/00 

Изобретение относится к автоматике, а именно к устройствам, предназначенным для автоматической коммутации нагрузки, находящейся в вакууме.

Из уровня техники известны различные способы контактной коммутации нагрузки. Так, в RU 2441296 предлагается схемное решение на основе электромагнитного триггера коммутации. Данная схема содержит коммутирующие контакты, замыкающую и размыкающую кнопки, катушку контактора. Для данного устройства характерна простая реализация с использованием малого количества элементов. Управление осуществляется с помощью кнопок. Коммутация нагрузки с использованием этого устройства возможна только в ручном режиме.

Известны также контактные способы коммутации нагрузки, осуществляемые в автоматическом режиме. В RU 2737123 предлагается релейная коммутация нагрузки с использованием микроконтроллера для управления электромагнитными реле. Для данного способа требуется разработка специального программного обеспечения. В SU 1003340 предлагается коммутировать нагрузку на основе электромагнитных реле без использования микроконтроллера. В данном устройстве управление ими осуществляется блоком временных задержек, включающим в себя времязадающие ячейки и ячейку регулируемой задержки. Эти ячейки содержат транзисторы, конденсатор и резисторы. Время коммутации нагрузки определяется временем перезарядки конденсатора. Время задержки регулируется переменным резистором. Для реализации этого способа автоматической коммутации, с одной стороны, необходима предварительная калибровка времязадающих ячеек, а с другой стороны, данный способ требует от оператора периодического выставления с помощью переменного резистора необходимого времени перезарядки конденсатора.

В настоящее время широко используются и бесконтактные способы коммутации нагрузки. Так, известно несколько вариантов их реализации с помощью силовых полупроводниковых ключей. В RU 2775297 предлагается электронная коммутация на двух парах КМОП-транзисторов с разными типами проводимости. В RU 2268545 представлен способ коммутации на основе тиристора и двух МОП-транзисторов. В RU 2119247 предлагается реализация узла коммутации нагрузки на основе трёх симисторов. В RU 2757214 предложена реализация коммутационного узла на основе твердотельного реле, включающего в себя два оптосимистора. Представленные разработки, на основе силовых полупроводниковых ключей, предназначены только для коммутации в нагрузке одного типа тока: постоянного или переменного.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является устройство, представленное в работе «Устройство для автоматического переключения источников питания нагрузки» / Д.В. Фомин, Д.О. Струков, А.В. Поляков // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. - 2022. - № 97. - С. 54-58. Данное устройство упоминается в работе «Модернизация устройства автоматического переключения источников питания образца» / Д.В. Фомин, А.В. Поляков, Д.О. Струков // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: Материалы XX региональной научной конференции, Хабаровск, 03 - 07 октября 2022 года / Под редакцией А.И. Мазура. - Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2022. - С. 153-155. Устройство предназначено для автоматического переключения источников питания нагрузки, находящейся в вакууме. В состав устройства входят следующие узлы: источник переменного тока (ЛАТР); источник постоянного тока; узел защиты от теплового пробоя нагрузки; узел коммутации на основе реле; узел гальванической развязки; фильтр; повторитель сигнала; компаратор и электронный ключ. Принцип работы устройства заключается в следующем. При включении ЛАТРа, напряжение прикладывается к последовательно соединённым нагрузке (кремниевой пластине в вакууме) и лампе, используемой как токовый шунт (для предотвращения теплового пробоя нагрузки). На изменение падения напряжения на лампе (вследствие вращения рукоятки ЛАТРа) реагирует гальваническая развязка на основе оптопары. При достижении порогового значения падения напряжения на лампе (вследствие электрического пробоя кремниевой пластины) увеличивается интенсивность свечения светодиода оптопары, что приводит к открыванию взаимодействующего с ним фототранзистора. Сигнал с него поступает на RC-цепочку через делитель напряжения, после прохождения которых претерпевает сглаживание. Далее сигнал подаётся через повторитель на вход компаратора, где сравнивается с опорным напряжением, равным полуразности напряжений полностью закрытого транзистора оптопары и его открытого состояния. Когда уровень напряжения входного сигнала и уровень опорного напряжения на компараторе сравняются, то он переключается в состояние, соответствующее логической «единице». В результате срабатывает электронный ключ, реализованный на силовом транзисторе, что в свою очередь приводит к срабатыванию двух реле. Одно из них переключает нагрузку с источника переменного тока на источник постоянного тока, а другое - шунтирует силовой транзистор, обеспечивая непрерывную работу первого реле. В качестве коммутируемой нагрузки используется пластина кремния, расположенная в вакуумной камере. Условием срабатывания коммутации с одного источника тока на другой является электрический пробой кремниевой нагрузки, который достигается постепенным увеличением прикладываемого к ней переменного напряжения путём вращения рукоятки ЛАТРа. Необходимость ручного управления процессом пробоя нагрузки увеличивает длительность проведения эксперимента. Прямое шунтирование коллектора и эмиттера силового транзистора приводит к его работе в режиме насыщения, что снижает надёжность функционирования транзистора, а, следовательно, сокращает сроки его эксплуатации.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в полной автоматизации процесса коммутации нагрузки и увеличении надёжности функционирования устройства.

Необходимость решения поставленной технической проблемы обусловлена тем, что полная автоматизация процесса коммутации кремниевой нагрузки приведёт к сокращению времени проведения научных экспериментов, осуществляемых в вакуумной камере. Увеличение надёжности функционирования устройства повысит срок его эксплуатации.

В предлагаемом нами изобретении автоматическая коммутация нагрузки осуществляется, когда последняя находится в вакуумной камере. Важным условием коммутации является обратимый электрический пробой нагрузки (кремниевой пластины). Пробой осуществляется путём изменения величины переменного напряжения, прикладываемого к нагрузке с помощью ЛАТРа в автоматическом режиме. Данный режим предлагается осуществлять путём передачи крутящего момента от вала электродвигателя к валу ЛАТРа вначале в прямом направлении до электрического пробоя кремниевой нагрузки и достижения затем максимального значения угла поворота вала ЛАТРа, далее в обратном (реверсивном) вращении вала ЛАТРа до положения, при котором происходит автоматическое выключение электродвигателя. Увеличения надёжности функционирования устройства достигается путём исключения шунтирования силового транзистора и введения в схему триггера задержки для управления режима работы транзистора.

Устройство состоит из следующих узлов: источник переменного тока (ЛАТР с узлом управления на основе электродвигателя); источник постоянного тока; узел защиты от теплового пробоя нагрузки; узел гальванической развязки; фильтр сигнала; повторитель сигнала; компаратор; узел управления блоком коммутации (на основе триггера задержки); электронный ключ; узел коммутации нагрузки; нагрузка.

Отличие от ближайшего аналога заключается:

1. Для вращения вала ЛАТРа используется электродвигатель, работающий в режимах прямого и реверсивного включения, с автоматическим выключением.

2. Для управления силовым транзистором, с целью удержания его в открытом состоянии, используется триггер задержки.

Сущность изобретения заключается в том, что данное устройство предназначено для коммутации как переменного, так и постоянного токов в кремниевой нагрузке, находящейся в вакууме. Позволяет полностью автоматизировать процесс электрического пробоя нагрузки путём автоматического вращения вала ЛАТРа электродвигателем с последующим срабатыванием узла коммутации. Увеличение надёжности функционирования устройства обеспечивается вводом в схему управления силовым транзистором триггера задержки.

Устройство представлено на следующих чертежах:

фиг. 1 - Структурная схема устройства для автоматической коммутации нагрузки в вакууме;

фиг. 2 - Принципиальная схема узла управления блоком коммутации нагрузки;

фиг. 3 - Принципиальная схема узла управления работой электродвигателя;

фиг. 4 - Схематическое изображение подключения электродвигателя к ЛАТРу;

фиг. 5 - Схематическое изображение узла управления работой электродвигателя;

фиг. 6 - Фотография лабораторного прототипа устройства для автоматической коммутации нагрузки в вакууме;

фиг. 7 - Фотография лабораторного прототипа узла управления электродвигателем ЛАТРа.

Структурная схема устройства для автоматической коммутации нагрузки в вакууме (см. фиг. 1) определяет основные узлы устройства и их связь между собой, функциональные особенности этих узлов и прибора в целом. Источнику переменного тока (ЛАТРу с электродвигателем) присвоен номер 1; источнику постоянного тока соответствует номер 2; узлу защиты от теплового пробоя нагрузки присвоен номер 3; узлу гальванической развязки соответствует номер 4; фильтру сигнала присвоен номер 5; повторителю сигнала соответствует номер 6; компаратору присвоен номер 7; узлу управления блоком коммутации (на основе триггера задержки) соответствует номер 8; электронному ключу присвоен номер 9; узлу коммутации нагрузки соответствует номер 10; нагрузке присвоен номер 11.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема узла управления блоком коммутации нагрузки, построенная на основе триггера задержки. В качестве силового транзистора используется транзистор, собранный по схеме Дарлингтона. Коммутация нагрузки построена на основе реле, обозначенного как K2.3. Подключение питания к узлу управления блоком коммутации нагрузки осуществляется замыканием ключа K2.2. Сброс триггера происходит в результате нажатия кнопки K2.1.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема узла управления работой электродвигателя, включающая в себя кнопки 12 и 13 (K3.1 и K3.2); тумблер 14 (K3.3), электродвигатель 20 (M1) и предохранитель F1. Кнопка 12 (K3.1) предназначена для пуска электродвигателя, 13 (K3.2) - для шунтирования 12 (K3.1). Тумблер 14 (K3.3) используется для переключения направления вращения вала электродвигателя. С помощью электродвигателя 20 (M1) осуществляется вращение вала ЛАТРа.

На схематическом изображении подключения электродвигателя к ЛАТРу (см. фиг. 4) компоненты обозначены следующим образом: 12 - кнопка K3.1; 13 - кнопка K3.2; 14 - тумблер K3.3; 15 - молоточек; 16 - диск; 17 - подшипник; 18 - вал ЛАТРа; 19 - корпус ЛАТРа; 20 - электродвигатель; 21 - плата с разъёмами; 22 - малые стойки; 23 - площадка для размещения электродвигателя; 24 - вал электродвигателя; 25 - верхняя переходная муфта; 26 - площадка для размещения подшипника; 27 - промежуточный вал; 28 - нижняя переходная муфта; 29 - большие стойки.

На схематическом изображении узла управления работой электродвигателя (см. фиг. 5) буквой А обозначено положение рычага тумблера 14, соответствующее вращению вала ЛАТРа против часовой стрелки, B - по часовой стрелке. Обозначение «start» соответствует начальному положению переключающего молоточка 15; «min» - положению вала ЛАТРа, при котором на его выходе присутствует 0 В; «max» - положению вала ЛАТРа, при котором на его выходе устанавливается максимальное значение переменного напряжения.

Принцип управления работой электродвигателя состоит из 4 этапов.

На I этапе, для включения электродвигателя необходимо нажать и удерживать кнопку 12 (см. фиг. 4). При этом тумблер 14 находится в положении А (см. фиг. 5 и далее). В результате вал электродвигателя 24 начинает вращаться против часовой стрелки до того момента, пока молоточек 15 из положения «start» не продвинется вместе с диском 16 и не переключит рычаг тумблера 14 в положение B, при котором вал электродвигателя начнёт вращаться из положения «min» в обратную сторону (по часовой стрелке). При этом кнопка 13 находится в отжатом состоянии.

На II этапе, при вращении диска 16 по часовой стрелке происходит фиксация кнопки 13 путём выхода ролика с прижимной пластиной этой кнопки на грань диска. Это приводит к шунтированию пусковой кнопки 12 (см. фиг. 4), после чего её можно не удерживать.

На III этапе молоточек 15 (см. фиг. 5 и далее) достигает положение «max», при котором он возвращает рычаг тумблера 14 из положения B в положение А. Это приводит к смене направления вращения вала электродвигателя 24 (против часовой стрелки). При этом кнопка 13 остаётся замкнутой.

На IV этапе вращение вала электродвигателя 24 против часовой стрелки приводит к тому, что молоточек 15 возвращается к положению «start». Одновременно с этим в выемку диска 16 попадает ролик с прижимной пластиной кнопки 13, в результате чего происходит её расфиксация. Это, в свою очередь, приводит к размыканию цепи питания электродвигателя, и его вал останавливается.

Принцип работы устройства для автоматической коммутации нагрузки в вакууме заключается в следующем. Вначале замыкается ключ К2.2 (см. фиг. 2 и далее) для подключения питания к схеме (+5В), при этом на входе R триггера DD2 формируется импульс сброса. Затем подключается к сети переменного тока ЛАТР и нажимается кнопка K3.1 (см. фиг. 3), которая удерживается в нажатом состоянии в течение 2 с. После прохождения I этапа (см. фиг. 5) управления работой электродвигателя, кнопка K3.1 шунтируется кнопкой K3.2. На стадии выполнения II этапа на выходе ЛАТРа происходит постепенное увеличение переменного напряжения, прикладываемого к кремниевой нагрузке, соединённой с ЛАТРом цепью, в которую также включена лампа накаливания (выполняющая роль токового шунта). В процессе этого в зависимости от удельного сопротивления нагрузки, при определённом значении переменного напряжения наступает её электрический пробой, в результате чего загорается лампа накаливания. На изменение падения напряжения на лампе реагирует светодиод гальванической развязки на основе оптопары, что приводит к открыванию взаимодействующего с ним фототранзистора (см. фиг. 1 и далее). Сигнал с него поступает на RC-цепочку, где претерпевает сглаживание. Далее сигнал подаётся через повторитель на вход компаратора, где сравнивается с опорным напряжением. Когда уровень напряжения входного сигнала и уровень опорного напряжения на компараторе сравняются, то он переключается в состояние, соответствующее логической «единице». Сигнал от компаратора поступает сначала на информационный вход D триггера DD2 (см. фиг. 2 и далее), затем через повторитель DD1 - на вход синхронизации C этого триггера. При этом на инверсных входах R и S присутствует сигнал высокого уровня, соответствующий логической «единице». В результате триггер изменяет своё состояние (на его выходе Q устанавливается логическая «единица»). Это приводит к переводу силового транзистора VT1 в открытое состояние. В результате через обмотку реле K2.3 начинает протекать ток, что приводит к замыканию его контактов, которые переключают кремниевую нагрузку с источника переменного тока (ЛАТРа) на источник постоянного тока. При размыкании цепи переменного тока на выходе компаратора появляется сигнал, соответствующий логическому «нулю», который далее поступает во входы триггера D и C. Однако на выходе Q останется логическая «единица», так как триггер изменяет своё состояние только по переднему фронту сигнала синхронизации. В результате силовой транзистор остаётся в открытом состоянии, что обеспечивает непрерывную работу реле K2.3. В этот момент времени завершается III этап управления работой электродвигателя (см. фиг. 5 и далее).

После переключения нагрузки с источника переменного тока на источник постоянного тока узел управления работой электродвигателя ЛАТРа из этапа III переходит на этап IV, по окончании которого электродвигатель автоматически отключается.

Отключение нагрузки от источника постоянного тока производится нажатием кнопки сброса K2.1 (см. фиг. 2 и далее). В результате на выходе триггера Q сформируется логический «ноль», что приведёт к закрыванию силового транзистора VT1 и размыканию контактов реле K2.3.

Технический результат использования изобретения заключается в том, что его реализация позволяет полностью автоматизировать процесс коммутации нагрузки, а также увеличивает надёжность функционирования устройства.

Список использованных источников:

1. Патент № 2441296.

2. Патент № 2737123.

3. Патент № 1003340.

4. Патент № 2775297.

5. Патент № 2268545.

6. Патент № 2119247.

7. Патент № 2757214.

8. Устройство для автоматического переключения источников питания нагрузки / Д.В. Фомин, Д.О. Струков, А.В. Поляков // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. - 2022. - № 97. - С. 54-58.

9. Модернизация устройства автоматического переключения источников питания образца / Д.В. Фомин, А.В. Поляков, Д.О. Струков // Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: Материалы XX региональной научной конференции, Хабаровск, 03-07 октября 2022 года / Под редакцией А.И. Мазура. - Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2022. - С. 153-155.

Изобретение относится к автоматике, а именно к устройствам, предназначенным для автоматической коммутации нагрузки, находящейся в вакууме. Технический результат заключается в увеличении надёжности функционирования устройства. Сущность изобретения заключается в том, что устройство предназначено для коммутации как переменного, так и постоянного токов в кремниевой нагрузке, находящейся в вакууме, и позволяет полностью автоматизировать процесс электрического пробоя нагрузки путём автоматического вращения вала ЛАТРа электродвигателем с последующим срабатыванием узла коммутации. Увеличение надёжности функционирования устройства обеспечивается вводом в схему управления силовым транзистором триггера задержки. 7 ил.

Устройство для автоматической коммутации нагрузки в вакууме, содержащее в своём составе источник переменного тока (ЛАТР); источник постоянного тока; узел защиты от теплового пробоя нагрузки; узел гальванической развязки; фильтр; повторитель сигнала; компаратор; электронный ключ; узел коммутации на основе реле; отличающееся наличием электродвигателя для вращения вала ЛАТРа, наличием узла управления электродвигателем, включающим в себя кнопку пуска электродвигателя, кнопку шунтирования, тумблер переключения направления вращения вала электродвигателя, переключающие молоточек и диск, а также наличием триггера задержки силового транзистора и реле для коммутации нагрузки.