Устройство коммутации электрических нагрузок
Предложено устройство коммутации электрических нагрузок, содержащее снабжённый пинами контроллер (1), электромагнитные реле, запросчики включения нагрузок, АЦП, управляющую микросхему (2). Любой из запросчиков включения нагрузки выполнен электрически соединённым с одним из пинов контроллера (1). Количество входных каналов АЦП равно количеству реле. Любой из входных каналов АЦП управляющей микросхемы (2) выполнен электрически связанным с одним из пинов контроллера (1) из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки. Количество электромагнитных реле равно количеству запросчиков включения нагрузки. Управляющая обмотка любого из реле выполнена электрически соединённой с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера (1). Достигается минимизация количества пинов в электрических разъёмах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к системам коммуникации элементов электро оборудования технических средств, в частности – элементов бортового электрооборудования транспортных средств (лат. communicatio, от communico — делаю общим, связываю, общаюсь; англ. сommunication – связь, сообщение, передача, соединение, коммуникация; communicator передающий механизм, комуникатор).
Из руководства по ремонту автомобиля Шевроле Нива 1,7, Разработано ООО «ИТЦ АВТОСФЕРА» по заказу ЗАО «Джи-Эм АВТОВАЗ», Тольятти, 2009, стр.253, рис. 7-21, известны устройства коммутации фар ближнего и дальнего света, включающие в себя выключатель зажигания, выключатель наружного освещения, переключатель света фар - переключатель подрулевой левый, а также электромагнитные реле включения ближнего и реле включения дальнего света фар.
Примечание: Исходя из того, что термины «выключатель» / «включатель» /«переключатель» ассоциируются с непосредственным функциональным действием, исходя из понимания того, что в приведённом выше и показанных ниже примерах упомянутые или аналогичные функциональные изделия не осуществляют непосредственной связи объекта управления (электрической нагрузки устройства коммутации) с источником питания, более того, могут быть использованы совместно с разного рода контроллерами, обеспечивающими, в том числе, игнорирование входящих сигналов, заявитель, в контексте данного изобретения, для обозначения выключателей / включателей / переключателей применяет термин «запросчик включения нагрузки»; уточнение функционального назначения используется исключительно для локализации внимания на комментируемом.
Возвращаясь к цитируемому устройству коммутации - любое из упомянутых реле содержит коммутирующую часть, выполненную контактной, и управляющую обмотку. Коммутирующие части реле включения ближнего и дальнего света фар выполнены с возможностью электрического соединения источника питания с соответствующими лампами левой и правой фар автомобиля. Управляющая обмотка реле включения дальнего света фар выполнена с возможностью опосредованного запросчиком (переключателем света фар) электрического соединения с источником питания. Управляющая обмотка реле включения ближнего света фар выполнена с возможностью опосредованного запросчиками (выключателями наружного освещения и зажигания) электрического соединения с источником питания. Иначе – каждое из упомянутых устройств коммутации содержит опосредованный контактами реле, силовой канал (канал вывода информации), а также опосредованный электромагнитной обмоткой реле и запросчиками, относительно слаботочные каналы (каналы ввода информации) - т.е. - один силовой и один относительно слаботочный канал на каждый из объектов, управляемых посредством устройств коммутации (в контексте цитируемого – ближний/дальний свет фар).
Цитируемые выше устройства дают возможность оператору путем механического воздействия на органы управления слаботочных переключателей/выключателей коммутировать ток нагрузки относительно большой мощности, однако не позволяют реализовывать сложные, в том числе автоматизированные алгоритмы управления коммутацией тока нагрузки, в том числе, с учетом состояния объекта управления. Кроме того, реализация данного решения в составе транспортных средств обеспечивается применением соответствующего количества и качества проводов, контактов, а также изолирующих колодок. При этом известно, что минимальное поперечное сечение проводов, используемых в электрических цепях транспортных средств, ограничено нормативными требованиями к их механической прочности.
Из патента на полезную модель RU31537, МПК B60Q 09/00, B60R 16/02, публ. 20.08.2003, известно устройство коммутации, включающее в себя релейную и коммутирующую части. При этом, релейная часть выполнена содержащей биполярный транзистор и расположенную в цепи коллектора транзистора управляющую обмотку. Работа устройства коммутации по патенту RU31537 в составе транспортного средства подразумевает, как и в предыдущем решении, наличие в коммутируемых электроцепях двух каналов - канала ввода информации и канала вывода информации. (лучше исполнительного канала или канала управляющего воздействия).
Потенциальная возможность уменьшения площади поперечного сечения проводников, реализующих канал ввода информации, обеспеченная применением транзистора в релейной части устройства коммутации, не может быть в полной мере использована на транспорте вследствие наличия нормативных ограничений по минимальной механической прочности применяемых проводов.
Из патента на изобретение RU2561421, МПК B60R 16/02, публ. 27.08.2015, известно устройство коммутации, включающее в себя управляющее устройство, далее контроллер, содержащий Nа пинов (англ. рin – вывод / штырь), а также количественно равную числу пинов контроллера группу контактных выключателей (запросчиков), каждый из которых электрически связан с одним из пинов контроллера. Последний, в свою очередь, включает в себя управляющую микросхему/микропроцессор/микроэвм, далее управляющая микросхема, содержащую Nв пинов, где Nb,<Na , а также интерфейс, образованный Nс , где Nс=Nв-1, логическими дизъюнкторами (лат. disjunctio – разобщение, логическое сложение). Где, любой из дизъюнкторов образован двумя диодами, выполнен содержащим, соответственно, пины каждого из диодных анодов и один пин гальванически связанных диодных катодов.
Каждый из анодных пинов любого из дизъюнкторов выполнен гальванически связанным, соответственно, с одним из пинов управляющей микросхемы, при этом любой из пинов управляющей микросхемы выполнен электрически связанным, соответственно, с одним из пинов контроллера. Каждый из катодных пинов любого из дизъюнкторов выполнен электрически соединённым, соответственно, с одним из пинов контроллера из числа свободных от гальванической связи с пинами управляющей микросхемы.
Решение по патенту RU2561421 обеспечивает прогрессивное, относительно количества пинов контроллера, уменьшение числа пинов управляющей микросхемы, но не пинов контроллера, как в заявляемом решении.
Среди недостатков данного решения следует выделить отмеченную в описании к патенту увеличивающуюся с ростом количества пинов контроллера вероятность формирования коммутируемыми цепями неоднозначно трактуемых управляющей микросхемой комбинаций двоичных сигналов.
Устранение данной неоднозначности требует от управляющей микросхемы наличия в её составе дополнительных аппаратных и программных средств, обеспечивающих регламентированную функциональность оборудования, управляемого посредством устройства коммутации по RU2561421.
Известно, что электронные компоненты характеризуются меньшей, по сравнению с электромагнитными реле, устойчивостью к воздействию кратковременных, многократных, по току, перегрузок. В настоящее время в технике широко применяется коммутация тока нагрузки с помощью силовых электромагнитных реле. При этом, для обеспечения, по меньшей мере, частичной автоматизации процесса управления объектами, в частности, с целью учёта, достигнутого объектом управления состояния или учёта изменяющихся внешних факторов, которые должны быть учтены в процессе функционирования объекта управления, в современных устройствах коммутации применяют, помимо реле, электронные управляющие устройства (контроллеры), получающие помимо сигнала (запроса) от переключателя/выключателя, коммутируемого оператором, также сигналы от других источников контекстуальной информации и формирующее на их основе сигнал управления реле.
Из интернет ресурса https://chiptuner.ru/content/docs/ , информация посмотрена 18.06.2020, известны схема электрических соединений контроллера электропакета 2170-3763040Э4 и отображённое на схеме устройство коммутации противотуманных фар - дополнительно проиллюстрировано Фиг.1
Данное устройство коммутации включает в себя электромагнитное реле, контроллер электропакета, снабжённый пинами и переключатель противотуманных фар (запросчик включения противотуманных фар). Коммутирующая часть реле, как и в первом примере, выполнена с возможностью электрического соединения источника питания с объектом управления (лампами противотуманных фар). Управляющая обмотка реле выполнена электрически соединённой с одним из (множества) пинов контроллера, а запросчик с другим из (множества) пинов контроллера.
Из выше расположенного абзаца видно, что устройство коммутации содержит опосредованный контактами реле силовой канал вывода информации, опосредованный управляющей обмоткой реле и контроллером слаботочный канал вывода информации, а также опосредованные контроллером и запросчиками слаботочные каналы ввода информации, т.е в контроллере используются отдельный пин (вход) для любого из запросчиков (сигнал поступает на цифровой вход управляющей микросхемы контроллера) и отдельный пин для управляющей обмотки реле (сигнал поступает от ключа, управляемого цифровым выходом управляющей микросхемы).
В отличие от решения по RU 2561421 отображённое на схеме 2170-3763040Э4 решение исключает возможность формирования на пинах контроллера неоднозначно трактуемых комбинаций сигналов, использует в своём составе устойчивое к токовым перегрузкам электромагнитные реле, однако требует использования электрических разъёмов с относительно большим удельным количеством пинов. При этом известно, что стоимость электрических разъёмов электронных устройств растёт пропорционально с ростом количества их пинов - электрические разъёмы являются компонентом, значительно увеличивающим не только стоимость устройств коммутации, но и использующих эти устройства технических средств.
Задачей изобретения было создание устройства коммутации, обеспечивающего реализацию автоматизированных процессов управления широким кругом электрических объектов (внешних устройств), в том числе, характеризующихся высокой мощностью, а также возможность сочетания ввода управляющей информации и вывода управляющего воздействия по одной и той же электрической цепи (линии/каналу), иными словами - минимизацию количества пинов в электрических разъёмах, используемых в составе и совместно (в составе технических средств) с данным устройством коммутации.
В качестве прототипа принято решение, цитированное по схеме 2170-3763040Э4.
Задача решается в устройстве коммутации электрических нагрузок, содержащем снабжённый пинами контроллер, электромагнитные реле, а также запросчики включения нагрузок, где, любой из запросчиков включения нагрузки выполнен электрически соединённым с одним из пинов контроллера.
Задача решается тем, что:
- Устройство коммутации выполнено снабжённым управляющей микросхемой содержащей многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, количество входных каналов которого, по меньшей мере, равно количеству реле,
- любой из входных каналов аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы выполнен электрически связанным с одним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки,
- количество электромагнитных реле равно, преимущественно, количеству запросчиков включения нагрузки,
- управляющая обмотка любого из реле выполнена электрически соединённой с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера.
Задача может также решаться тем, что:
- Контроллер устройства коммутации выполнен снабжённым интерфейсом, образованным управляемыми электронными ключами выход любого из которых электрически соединён с одним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки, а также с соответствующим входным каналом аналогово-цифрового преобразователя.
Примечание: - упоминание о наличии пина той или иной составной части, того или иного узла/элемента априори подразумевает наличие в заявляемом устройстве коммутации упомянутых составной части или узла/элемента.
Изобретение иллюстрируется структурной схемой Фиг.2
Дополнительные к условным обозначения, из числа приведённых на структурной схеме:
1 – контроллер.
2 – управляющая микросхема.
Изобретение может быть реализовано в устройстве коммутации электрических нагрузок, включающем в себя контроллер 1, электромагнитные реле (содержат коммутирующую часть и обмотку управления) и запросчики включения нагрузки - с фиксацией включённого состояния (на схеме Фиг.2 – Пркл 2) или без фиксации (на схеме Фиг.2 – Пркл 1). Количество реле определяется количеством управляемых объектов (электрических нагрузок), количество запросчиков может быть большим или равным количеству реле.
Контроллер выполнен содержащим пины подключения к плюсовой (+БС) и минусовой цепям электропитания, N пинов (количество может быть любым) подключения к слаботочным каналам ввода информации (к каналам учёта изменяющихся внешних факторов – на схеме Фиг. 2 обозначены как SENS_1…SENS_N), а также соответствующее количеству реле количество пинов подключения контроллера к управляющим обмоткам реле. На схеме Фиг. 2 условно показаны два реле, два запросчика и, соответственно, два пина подключения контроллера к управляющим обмоткам реле. При этом на схеме Фиг. 2 показаны два варианта расположения запросчиков: вариант первый – с возможностью шунтирования запросчиком канала гальванической связи контроллера с управляющей обмоткой реле; вариант второй – с последовательным расположением запросчика и управляющей обмотки реле. Вариативность подключения запросчиков зависит от вида объекта управления и реализуемого устройством коммутации алгоритма управления.
Контроллер 1 также включает в себя управляющую микросхему 2 и интерфейс.
Управляющая микросхема 2 выполнена снабжённой пинами цифровых выходов микросхемы (на схеме Фиг. 2 обозначены как Output), количество которых, по меньшей мере, равно числу реле устройства коммутации (на схеме Фиг. 2 условно показано два пина). При этом управляющая микросхема 2 выполнена снабжённой также пинами аналогово-цифровых входов (на схеме Фиг. 2 обозначены как In_ADC), количество которых, по меньшей мере, равно числу реле (на схеме Фиг. 2 условно показаны два пина).
Интерфейс контроллера 1 выполнен образованным управляемыми электронными ключами, количество которых равно количеству реле. Электронные ключи интерфейса контроллера 1, выполнены образованными, как вариант, биполярными кремниевыми транзисторами - на схеме Фиг. 2 условно показаны два электронных ключа VT1 и VT2, содержащими пин эмиттера, пин коллектора, а также пин базы.
Пин затвора каждого из электронных ключей выполнен электрически соединённым с пином одного из цифровых выходов управляющей микросхемы. Пин коллектора каждого из электронных ключей выполнен электрически соединённым с одним из пинов подключения контроллера к управляющей обмотке реле, а также с входным пином одного из каналов аналого-цифрового преобразователя.
Интерфейс выполнен снабжённым резистивными делителями напряжения, количество которых равно количеству электронных ключей. На схеме Фиг.2 условно показано два делителя любой из которых образован последовательно соединёнными резисторами R1 и R2. При этом плечи любого из делителей подключены к плюсовой (+БС) и минусовой цепям электропитания, а центральные точки электрически соединены с пином коллектора одного из электронных ключей.
Интерфейс выполнен снабжённым токоизмерительными резисторами, количество которых равно количеству электронных ключей. На схеме Фиг.2 условно показано два токоизмерительных резистора – обозначены R3. При этом пин эмиттера каждого из электронных ключей выполнен электрически, через резистор R3, соединённым с минусовой цепью электропитания.
Управляющая обмотка любого из реле, выполнена электрически связанной с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера.
Работа устройства коммутации объясняется ниже следующими пояснениями:
Резисторы R1 и R2 каждого из делителей напряжения задают величину опорного напряжения на коллекторах электронных ключей и могут быть выбраны, например, одинакового номинала. Любой из токоизмерительных резисторов R3, последовательно с электронным ключом VT включён в цепь протекания тока управляющей обмотки реле и через электронный ключ VT электрически связан с одним из входных каналов аналогово-цифрового преобразователя, обеспечивая измерение падения напряжения на связанном с ним электронном ключе VT - служит для создания дополнительного падения напряжения с целью улучшения различимости включенного состояния ключа VT и в общем случае не обязателен.
В исходном состоянии управляющая микросхема 2, при подаче на неё питания, по умолчанию устанавливает электронный ключ VT в выключенное состояние. Если при этом запросчики Пркл 1 и Пркл 2 разомкнуты, то на входах In_ADC многоканального аналогово-цифрового преобразователя устанавливаются следующие уровни напряжения:
- Uбс (равный величине напряжения питания) - для нефиксированного переключателя (Пркл 1),
- Uбс/2 (равный половине величины напряжения питания) - для фиксированного переключателя (Пркл 2).
Данные уровни напряжения управляющая микросхема 2 воспринимает как сигнал подтверждения выключенного состояния ключа VT.
Если запросчики Пркл 1 и Пркл 2 переводятся (оператором) в замкнутое (включенное) состояние, то на входах In_ADC многоканального аналогово-цифрового преобразователя устанавливаются следующие уровни напряжения:
- уровень напряжения «земля» для нефиксированного запросчика (Пркл 1),
- уровень Uбс для фиксированного запросчика (Пркл 2).
Данные уровни напряжения управляющая микросхема 2 воспринимает как сигнал (запрос) на включение ключа VT.
После того, как управляющая микросхема 2, на основании данного запроса и показаний других датчиков (SENS_1…SENS_N) примет решение и включит электронный ключ VT, через управляющую обмотку реле, электронный ключ VT и токоизмерительный резистор R3 начнет протекать ток, который вызовет с одной стороны включение (замыкание) контактов коммутирующей части реле, а с другой стороны вызовет падение напряжения Uкл на электронном ключе VT и токоизмерительном резисторе R3, величина которого постоянно измеряется соответствующим каналом In_ADC аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы 2.
Если величина Uкл превысит заданный порог, то это будет интерпретировано управляющей микросхемой 2 как подтверждение факта включения реле.
Перевод оператором нефиксированного запросчика Пркл 1 в замкнутое состояние будет восприниматься управляющей микросхемой 2 как сигнал на включение, если электронный ключ VT находился в этот момент в выключенном состоянии, или как сигнал на выключение, если электронный ключ VT находился во включенном состоянии.
При переводе оператором фиксированного запросчика Пркл 2 в разомкнутое состояние происходит разрыв тока, протекающего через управляющую обмотку реле и соответствующие ей электронный ключ VT и токоизмерительный резистор R3. При этом контакты коммутирующей части реле перейдут в разомкнутое состояние, разорвав электрическую цепь нагрузки, а падение напряжения Uкл на электронном ключе VT и токоизмерительном резисторе R3, измеренное соответствующим каналом In_ADC аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы 2, снизится ниже уровня пороговой величины, что будет интерпретировано управляющей микросхемой 2 контроллера 1 как сигнал для выключения электронного ключа VT.
После выключения электронного ключа VT напряжение на входе In_ADC аналогово-цифрового преобразователя снова станет равным напряжению Uбс., что будет интерпретироваться управляющей микросхемой 2 как подтверждение факта выключения реле.
Заявляемое устройство коммутации обеспечивает реализацию автоматизированных, сколь угодно сложных, опосредованных электромагнитными реле алгоритмов управления широким кругом электрических нагрузок, а также использование одной и той же линии связи и одного пина разъема контроллера как для приема сигнала запроса от коммутируемого оператором запросчика включения нагрузки, так и для подачи управляющего сигнала на управляющую обмотку реле, что, в свою очередь, позволяет минимизировать количество пинов в электрических разъёмах, используемых в составе и совместно (в составе технических средств) с заявляемым устройством коммутации. При этом использование многоканального аналогово-цифрового преобразователя также обеспечивает автоматизированную диагностику исправности (целостности) линий связи контроллера, запросчиков и управляющих обмоток реле.
1. Устройство коммутации электрических нагрузок, содержащее снабжённый пинами контроллер, электромагнитные реле, а также запросчики включения нагрузок, где любой из запросчиков включения нагрузки выполнен электрически соединённым с одним из пинов контроллера, отличающееся тем, что устройство коммутации снабжено управляющей микросхемой, содержащей многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, количество входных каналов которого, по меньшей мере, равно количеству реле, любой из входных каналов аналогово-цифрового преобразователя управляющей микросхемы выполнен электрически связанным с одним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки, при этом количество электромагнитных реле равно, преимущественно, количеству запросчиков включения нагрузки, а управляющая обмотка любого из реле выполнена электрически соединённой с одним из запросчиков включения нагрузки и с соответствующим пином контроллера.
2. Устройство коммутации по п.1, отличающееся тем, что контроллер выполнен снабжённым интерфейсом, образованным управляемыми электронными ключами, выход любого из которых электрически соединён с одним из пинов контроллера из числа соединённых с запросчиками включения нагрузки, а также с соответствующим входным каналом аналогово-цифрового преобразователя.
