Многоканальное резервированное аналоговое устройство Советский патент 1982 года по МПК H05K10/00 G05B19/33 H03K19/23 

Изобретение относится к области приборостроения и автоматики и может I быть использовано для построения мно,гократно резервированных систем управления с несколькими управляющими выходамк повьлденной надежности и точности

По основному авт.св. № 932661 известно многоканальное аналоговое устройство, содержащее в каждом канале операционный усилитель и диодные функциональные преобразователи, выход каждого операционного усилителя соединен с первыми входами соответствующих основного и дополнительных диодных функциональных преобразователей, инверсный вход ка;кдого операционного усилителя через масштабный резистор в обратной связи соединен с выходом дополнительного диодного функционального преобразователя и с выходом устройства, вторые входы дополнительных диодных функциональных преобразователей объединены между собой в одну точку и подключены к выходу основного устройства, а каждый вход устройства через входной масштабный резистор соединен с входом соответствующего операционного усилителя 1. ,

Недостатком известного устройства является отсутствле в нем блока контроля исправного состояния i-ro резервируемого канала с сигнализацией об отказе кангша.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, в частности, посредством сигнализации об отказе одного из резервируе10мых кансшов.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное резервированное аналоговое устройство введены ключ и диодный мост с двумя баланс15ными резисторами, однонаправленнеш диагональ которого подключена к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного напряжения СОсредней точкой, соединенной с

20 общей нулевой шиной устройства, один вывод другой диагонали диодного моста подключен к выходу соответствующего операционного усилителя, второй вывод - к первому входу соответствующего дополнительного диодного функционального преобразователя, первый вход и первый выход ключа подключены к выходному и входному выводам однонаправленной диагонали диодного мас30

та, второй вход ключа соединен с положительным полюсом внешнего источника постоянного напряжения отрицательный полюс которого объединен с общей нулевой шиной, а второй выход ключа соединен с выходом контроля устройства.

При этом ключ содержит два транзисТора противоположного типа проводимости и дварезистора, причем база первого- транзистора соединена с первым выходом ключа, а коллектор через два последовательно включенных резистора соединен с вторым входом ключа и эмиттером второго транзистора, база которого подключена к общей точке соединения резисторов, а коллектор - к второму выхбду ключа о

На чертеже представлена блоксхема многоканального резервированного аналогового устройства.

Устройство состоит из блоков 1 и 2 основного устройства, а в каждом резервируемом канале из блока контроля, содержащего Ключ 3 и диодный мост 4. Однонаправленная диагональ диодного моста 4 (вывода 5 и 6 через два балансны х резистора .7 и 8 соединена с положительным 9 и отрИ дательным 10 полюсами, источника постоянного напряжения (не показан со средней точкой 11, объединенной с общей нулевой шиной устройства. Один вывод 12 другой диагонали диодного моста 4 подключается к выходу qooTветствующего операционного усилителя 13 основного устройства 2,второй вывод 14 этой же диагонали диодного моста 4 соединяется с первым входом 15 соответствующего дополнительного диодного функционального преобразователя основного устройства 2, пер . вый вход 16 и первый выход 17 ключа 3 подкл:ючается к выходному 6 и входному 5 выводам однонаправленной диагонали диодного моста 4. Второй вход 18 ключа 3 соединяется с положительным полюсом 19 внешнего источника постоянного напряжения +U (не показан) , отрицательный полюс 20. которого объединяется с об.щей шиной устройства. Второй выход 21 ключа 3 соединяется с выходом 22 контроля устройства. Каждый ключ 3 содержит первый п-р-п 23, второй р-п-р 24 транзисторы и два резистора 25 и 26, причем база первого транзистора 23 соединяется с первым входом 16 ключа 3, эмиттер - с ее первым выходом 17, а коллектор, через два последовательно включенных резистора 25 и 26, сое.диняется с вторым входом 18 ключа 3 и эмиттером второго транзистора 24, база которого подключается к общей точке соединения резисторов 25 и 26, а коллектор - к второму выходу ключа 3..

Устройство работает следующим образом.

Блок контроля реализует выходную пороговую характеристику вида

О (ф при|1вых1 1а

(П

«к 1 (+U) прй}1вык/7/ ID

где е - напряжение на выходе 22 контроля устройства;

вМ)Г значение выходного тока ,. . рационного усилителя 13;

1д - значение тока ограничения в однонаправленной диагонали диодного моста 4; t-U - напряжение внешнего источника постоянного напряжения : 5 (полюс 19).

Физические процессы в блоке контроля рассматриваются в двух режимах работы: исправное сос.тряние i-ro резервируемого канала, когда| Ig{, ; j 20 отказ в i-oM резервируемом канале, когдаI Iftbtx/7/Io.

Исправное состояние. Величина внутреннего динамического сопротивления Родиодного моста 4 зависит ,от разности 25 величин двух -оков: тока ограничения 1 в однонаправленной диагонали диодного моста 4 (выводы 5 и 6), значение которого определяется выражением

0

.)

где Е - напряжение источника питания относительно средней точки и выходного тока Ljjf операционного усилителя 13J значение-которого определяется суммой двух токов согласно выражения

1Чых| I RHTrl ocI, .(3)

где I -.значение тока в нагрузке

, i-ro резервируемого канала; R R +RR р ограничительный резистор Hi огр в выходной цепи i-ro канала

(показан штриховой линией); . R - сопротивление нагрузки (не

показано); ос значение тока в обратной

связи операционного усилителя 13,

При значениях |1рь, величина сопротивления RA определяется динами. ческим сопротивлением открытых диодов диодного моста 4, которое мало и составляет в среднем десятки ом для 5 .значений токов ограничения 1 едини-i цы милиампер.

При выполнении условия о Д.ф,. + RH) падением напряжения на динами0 ,ческом сопротивлении Rg открытого диодного моста 4 и резисторе в дополнительном диодном функциональном преобразователе основного устройства 2 тока Ig,nx можно пренебречь и

5 считать, что напряжение на i-ом выходе устройства (точка В) определяет ся выражением i-e. ; i Т где е - напряжение на входе i-ro ре эервируемого канала; Кл ,- номиналы масштабных резисто ров операционного усилителя 13. В частном случае при равенстве номиналов резисторов .выражение (4) преобразуется к виду При выполнении условия R. 7 1 значение вйхрдного тока определяется выражением . . -/ep-i /. где CQ - напряжение на выходе опера ционного усилителя 13 (точ ка А) „ Пропорционально изменениЪ. величины выходного напряжения операционного усиЛителя-ео и его знака происходит сложение или вычитание частей токов 10(,|)1И lo в противоположных плечах диодного моста 4, что влечет за собой однонаправленные равные изменения потенциалов на входе 5 и выходе 6 диагонали диодного моста, однако относительная разность этих изменений в данном режиме постоянна по величине и равна.О В, В исправном состоянии канала баз эмиттерный переход первого транзистора 23 в ключе 3 постоянно находит ся под исходным обратным напряжением равным (где - падение напряженин на открытом диоде), а именно: на эмиттере и базе транзистора относительно средней точки источника питания. Транзистор 23 за перт выходе 22 контроля напряжение О В,соответствующее логическо состоянию исправности i-ro резервируемого канала - О. Отказ в i-M канале, При рассогласовании потенциалов между точкой В и точкой С выше задан ного порога отсечки - (где вррпадение напряжения на открытом диоде в .дополнительном диодном функциональ ном преобразователе основного устрой ства 2 происходит нарушение линейных отношений Metay входным током и токо обратной связи операционного усилите ля 13 в i-OM кансше, что равносильно скачкообразному увеличению выходного напряжения в точке А. При отсутст вии блока контроля это скачкообразное увеличение выходного напряжения е происходит до значения напряжения насЕзОцения операционного усилителя 1 Еивс sro полярность определяется знаком .текущей разности напряжений на выходе i-ro канала в точке В ц и осредненного значения напряжения по всем резервируемым каналам на идходе основного устройства 1 в,точке С - е . Значение выходного тока L|. отказа операционного усилителя 13 определйется выражением п . 1 нас1-(1 г1И1епИ).|I выхотиага г «дФиг .1ХАоп1,(8) где Е - значение напряжения насыще ния операционного усилителя 13 основного устройства 2; ®пр падение напряжения на от крытом диоде в дополнительном диодном функциональном преобразователе основного устройства 2; .е , - текущее осредненное значе ниё выходного напряжения основного устройства 1 по всем резервируемым каналам; I - максимально допустимое знавык доп yg, выходного тока для примененного типа операционного усилителя 13. Для наихудшего случая это рассогласование напряжений достигает значени равного / 2Е |, что составляет в среднем 30 В. Поэтому для выполнения условия (8), чтобы ток I BbiXOTKQJCI 1 6ЫХАОп15 ° 1 номинал резистора должен быть в пределах от 3 до 6 кОм. Рассмотрим физический процесс перераспределения номиналов на выводах 6 и 5 однонаправленной диагонали диодного мсэста 4 для случая отказа в i-oM канапе при отсутствии ключевой схеьи 3. При значениях IЭьмхоиоааl / o происходит попарное запирание диодов в противоположных плечах диодного моста 4: или П 6,i4 ,5 и ГЬа1 в зависимости от знака рассо-. гласования текущего значения выходного напряжения е. операционного усилитёля 13 относительно напряжения е.. на вцходе основного устройства 1. При этом внутреннее динамическое -сопротивление диодного моста , напряжение CQI скачком достигает значения +Еда. напряжение на выводе 5 или 6 диодного моста 4 фиксируется на ограниченном уровне. При значении разности потенциалов (o-i потенциал вывода 5 диодного моста 4 определяется выражением -F КдФпа. + ,- . 4.р . Г91 5 V а потенциал вывода 6 скачком возрастает до максимального значения Е;

Разность потенциалов между выводами 6 и 5 определяется выражением

Ядфпа

е - Е J,. f НОс ITipfR

АФПа. R-t

7 О.(10)

(6,4 -..Sp)

7 - ЛФПа

Пример 1. Е„с«с 13 В; Е 15 ей««х 10 В} е„р 0,6 в; R-f 15 кОм. (для 1о 1 мА) ; 3 ком.

а). 13 В -11,3 В 1,7

б) 13 В - 6,3 В 6,7 При значении разности потенциалов

(ео4 -ел ) О потенциал вывода б диодного моста 4 определяется выражением .

.4.-V

8

iuOrVL

Re

- ТУ ъ (11)

«е Vnz

А потенциал вывода 5 скачком достигает максимального значения - Е„асРазность потенциалов между выводами 6 и 5 определяется выражением

RAdtni.

-Е

-е,

Rg „ АФГ-а Re

г%. -°Пример 2. Все данные примера 1 сохраняются R- Rg 15 кОм„ aj ex-ее 13-6,3 6,7 В 7 О б) 13-11,3 1,7 В 7 0„ Из сравнения выражений (Ю) и (12) следует, что не;зависимо от полярности рассогласования напряжения е относительно ej-;} в режиме Отказ ка.нала, разность потенциалов между выводами 6 и 5 диодного моста 4 всегда имеет только положительный знак и изменяется скачком

В режиме, Отказ канала между выводами б и 5 однонаправленной диагонали диодного моста 4, находящегося в SeiMKHyTOM контуре обратной связи операционного усилителя, всегда имеет место скачок модуля напряжения ,сигнала отказа, уровень которого определяется параметрами блока контроля и текуЕоими значениями напряжеНИИ входных сигналов - e-f .

При наличии между выводами б и 5 диодного моста 4 порогового элемента, а именно база-эмиттернрго перехода п-р-п транзистора 23, скачкообразное увеличение напряжения на выходе операционного усилителя - , а следовательно и на выводе б диагонали диодного моста происходит до уровня, определяемого напряжением отпирания Ugg база-эмиттерного перехода-транзистора 23, в коллекторе которого скачком до нуля возрастает коллекторный ток , проходящий по цепи при (coi -ej;-;) 7 О - вывод 5вывод 14 - резистор ЯцфПэГ ыход основного устройства 1 (точка С); при(е -ej ) 0 - вывод 5 - вывод 12 выход операционного усилителя 13..При появлении скачка тока 1к, резисторе Rj также скачком появляется разность потенциалов, превышающая напряжение отпирания Upg база-эмиттерного перехода транзистора 24, который при этом переходит в режим насыщения и коммутирует напряжение -t-U внаянего источника постоянного напряжения (клема 19) на выходную клемму контроля 22, сигнашизируя об отказе в i-ом канале . При этом напряжение на выходе 22 контроля устройства соответствует логической 1.

Напряжение внешнего источника питания должно быть - . Требования к стабильности тока ограничения 1о в диагонали диодного моста 4 невысокие и определяются только выполнением услойия, чтобы при отказе в i-ом канале выходной ток /IgblX/ O

Температурная нестабильность электрических параметров открытых диодов в диодном мосте 4 практически не влияет на работу блока контроля в режиме Отказ канала о Объясняется это тем, что диодный мост находится в замкнутом контуре отрицательной обратной связи операционного усилителя, поэтому температурные Девиации динамических сопротивлений диодов компенсируются изменениями выходного напряжения операционного усилителя, поддерживая (при значении е const) соотношения разности частей токов 1., в плечах диодного моста практически неизменными.

Резистор .выполняет функции ограничителя максимального значения выходного тока операционного усилителя и тока базы транзистора 23 в ключе 3 в режиме Отказ канала.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства заключается в повышении надежности резервируемых систем. Отсутствие в .схеме устройства реактивных элементов способствует его реализации в интегральном исполнении и широкому применению как базового элемента для построения различных многократно резервированных систем с несколькими управляющими выходами повьааенной надежности и точности.

Формула изобретения

1о .Многоканальное реэервированн(е аналоговое устройство по авт.ев, 932661, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в нем в каждый-резервируемый канал дополнительно введены ключ и диодный мост с двумя балансными резисторами,. однонаправленная диагональ которого подключена к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного напряжения со средней точкой, соединенной с общей нулевой шиной уст ройства, один вывод другой диагонали диодного моста подключен к выходу соответствую1цего операционного усилителя, второй вывод к первому входу соответствующего дополнительного диодного функционального преобразователя, первый вход и первый выход ключа подключены к выходному и входному выводам однонаправленной диагонали диодного моста, второй вход ключа соединен.с положительным полюсом внешнего источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого объединен с общей нулевой шиной а второй выход ключа соединен с выходом контроля устройства, 2. Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что ключ содержит два транзистора противоположного типа проводимости и два резистора, причем база первого транзистора соединена с первым выходом ключа, а коллектор через два последовательно включенных резистора соединен с вторым входом ключа и эмиттером второго транзистора, база которого подключена к общей точке соединения резисторов, а коллектор - к второму выходу ключа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1 „ Авторское свидетельство ССХ:Р 932661, кл. Н 05 К 10/00, 1980 (прототип).