устройство управления исполнительными элементами

Формула изобретения

Устройство управления исполнительными элементами, содержащее шины источника питания, соединительный элемент, два ключевых элемента, две шины управления, накопительный конденсатор, первый вывод которого через первый ключевой элемент подключен к первой шине источника питания и через второй ключевой элемент к первому выводу исполнительного элемента, а вторая шина источника питания через соединительный элемент подключена к второму выводу исполнительного элемента, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены два операционных усилителя, датчик тока, два формирователя опорного напряжения, при этом второй вывод накопительного конденсатора подключен к одним входам операционных усилителей и через датчик тока - к второй шине источника питания, выход одного операционного усилителя соединен с входом первого ключевого элемента, выход второго операционного усилителя соединен с входом второго ключевого элемента, а вторые входы операционных усилителей соединены с выходами соответствующих формирователей опорного напряжения, одни электроды подключения которых соединены с второй шиной источника питания, а вторые электроды подключения соединены с шинами управления.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство управления исполнительными элементами предназначено для использования в автоматике, например в системах управления электромагнитными клапанами и системах управления пиросредствами.

В настоящее время известно довольно большое количество устройств управления исполнительными элементами, в основу которых заложен принцип заряда от шин источника питания накопительного конденсатора, а затем разряда последнего через последовательно соединенные управляемый ключевой элемент и исполнительный элемент (см. , например, [1] -[5]). Наличие накопительного конденсатора в указанных устройствах позволяет решить одно из главных требований, предъявляемых к автономным системам управления исполнительными элементами, - снижение максимального энергопотребления устройства или системы. Выполнение этого требования достигается за счет того, что источником энергии для управления исполнительными элементами служит накопительный конденсатор, заряжаемый от шин источника питания. Зарядка накопительного конденсатора происходит в течение относительно большого промежутка времени, а разряд конденсатора через исполнительный элемент происходит в виде короткого импульса. Чем дольше время заряда конденсатора, тем меньший ток потребляется устройством от шин источника питания. При соответствующем выборе времени заряда накопительного конденсатора можно ограничиться маломощным источником питания даже при осуществлении одновременного управления большим количеством исполнительных элементов.

Из известных устройств управления исполнительными элементами наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство [6]. Исполнительным элементом в этом устройстве является пиросредство. Устройство содержит шины источника питания, соединительный элемент, два ключевых элемента, две шины управления, накопительный конденсатор, первый вывод которого через первый ключевой элемент подключен к первой шине источника питания и через второй ключевой элемент - к первому выводу исполнительного элемента, а вторая шина источника питания через соединительный элемент подключена к второму выводу исполнительного элемента.

Работа устройства происходит в два этапа. При подаче первой команды на первую шину управления происходит заряд накопительного конденсатора через первый ключевой элемент, выполненный на полевом транзисторе. Вторая команда, поступающая на вторую шину управления, включает второй ключевой элемент, выполненный на двух биполярных транзисторах (транзисторный аналог тиристора), который осуществляет подачу управляющего напряжения на исполнительный элемент.

Недостатком устройства является протекание больших импульсных токов, на которые должны быть рассчитаны ключевые элементы, что увеличивает габариты последних. Кроме того, протекание больших импульсных токов приводит к образованию мощных импульсных электромагнитных помех.

Техническим результатом изобретения является снижение максимального электропотребления устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство управления исполнительными элементами, содержащее шины источника питания, соединительный элемент, два ключевых элемента, две шины управления, накопительный конденсатор, первый вывод которого через первый ключевой элемент подключен к первой шине источника питания и через второй ключевой элемент - к первому выводу исполнительного элемента, а вторая шина источника питания через соединительный элемент подключена к второму выводу исполнительного элемента, введены два операционных усилителя, датчик тока, два формирователя опорного напряжения, при этом второй вывод накопительного конденсатора подключен к одним входам операционных усилителей и через датчик тока к второй шине источника питания, выход одного операционного усилителя соединен с входом первого ключевого элемента, выход второго операционного усилителя соединен с входом второго ключевого элемента, а вторые входы операционных усилителей подключены к выходам соответствующих формирователей опорного напряжения, одни входные электроды которых подключены к второй шине источника питания, а вторые входные электроды - к соответствующим шинам управления.

Снижение максимального электропотребления в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что устройство производит как заряд, так и разряд накопительного конденсатора током с регулируемой амплитудой. В результате этого процессы заряда - разряда накопительного конденсатора осуществляются импульсами тока с величиной максимальной амплитуды значительно меньшей, чем в прототипе, но большей длительности. При этом максимальная величина электропотребления соответственно снижается. Кроме того, за счет уменьшения амплитуды импульсов и увеличения их длительности происходит снижение мощности излучаемых при работе устройства электромагнитных импульсов и смещение спектра электромагнитных колебаний в более низкочастотную область.

На фиг. 1 изображен один из вариантов предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведена форма импульса тока, подаваемого на исполнительный элемент в известном устройстве (прототипе), в сравнении с формой импульса тока, подаваемого на исполнительный элемент в предлагаемом устройстве.

На фиг. 1 изображены 1 - первая шина источника питания, 2 - вторая шина источника питания, 3 - накопительный конденсатор, 4 - датчик тока (резистор), 5 - первый ключевой элемент, 6 - второй ключевой элемент, 7 - исполнительный элемент, 8 - соединительный элемент (переключатель), 9, 10 - операционные усилители (ОУ), 11, 12 - формирователи опорного напряжения, 13, 14 - шины управления, 15 - резистор, 16 - стабилитрон, 17, 18, 19 - резисторы, 20 - стабилитрон, 21, 22 - резисторы, 23, 24 - переключатели.

Указанные элементы соединены между собой следующим образом. Первый вывод накопительного конденсатора 3 через первый ключевой элемент 5 подключен к первой шине источника питания 1 и через последовательно соединенные второй ключевой элемент 6, исполнительный элемент 7 и соединительный элемент 8 - к второй шине источника питания 2. Выходы ОУ 9 и 10 подключены к управляющим входам соответственно первого (5) и второго (6) ключевых элементов. Второй вывод накопительного конденсатора 5 подключен к одним (инвертирующим) входам ОУ 9 и 10 и через датчик тока 4 к второй шине источника питания 2. Вторые (неинвертирующие) входы ОУ 9 и 10 подключены к соответствующим шинам управления 13 и 14. Напряжения на шины управления 13 и 14 в соответствующие моменты времени подаются от переключателей 23 и 24 соответственно, которые другими выводами подключены к первой шине источника питания 1. Способ подачи управляющего напряжения на шины управления в данной схеме принципиального значения не имеет. Соединительный элемент 8 может быть представлен, как в данном случае, механическим переключателем или электронным ключом. Возможно также его исполнение в виде электрического проводника. Назначение этого элемента - обеспечить подключение (коммутируемое или некоммутируемое) второго вывода исполнительного элемента 7 к второй шине источника питания 2. В бортовых системах управления, к которым предъявляются повышенные требования к надежности, обычно используется двухполюсная коммутация исполнительного элемента, что требует установки соединительного элемента в виде механического переключателя или электронного ключа. В наземных системах управления, где требования к надежности в части нештатного (несанкционированного) срабатывания исполнительного элемента не столь высоки, достаточно применение соединительного элемента в виде электрического проводника. На фиг. 2 изображены 25 - форма импульса тока, подаваемого на исполнительный элемент в известном устройстве (прототипе), 26 - форма импульса тока, подаваемого на исполнительный элемент в предлагаемом устройстве.

Работа устройства происходит в два этапа следующим образом. В исходном состоянии накопительный конденсатор 3 разряжен. Для заряда накопительного конденсатора 3 через переключатель 23 осуществляется подача напряжения от шины источника питания 1 на шину управления 13. При этом формирователь опорного напряжения 11 оказывается под напряжением. Резистор 15 формирует рабочий ток стабилитрона 16, который на своих выводах имеет стабильное напряжение требуемой величины. Это напряжение через делитель напряжения, выполненный на резисторах 17 и 18, поступает на выход формирователя опорного напряжения 11, к которому подключен один вход операционного усилителя 9. На другой вход ОУ поступает напряжение, снимаемое с датчика тока 4. В первый момент времени напряжение на выходе формирователя опорного напряжения 11 значительно превышает напряжение, поступающее на второй вход ОУ с датчика тока 4 (напряжение на нем равно нулю, поскольку ток в цепи отсутствует). На выходе ОУ 9 появляется напряжение, поступающее на вход ключевого элемента 5. Этот элемент открывается и от шины источника питания 1 через ключевой элемент 5, накопительный конденсатор 3 и датчик тока 4 к второй шине источника питания 2 начинает протекать ток заряда накопительного конденсатора 3. При этом ток заряда конденсатора не превышает величины U₁₁/R₄, где U₁₁ - выходное напряжение формирователя опорного напряжения 11, R₄ - величина сопротивления датчика тока 4. Напряжение на датчике тока 4 не может превышать напряжение на выходе формирователя опорного напряжения 11, поскольку в противном случае разность потенциалов на входах ОУ 9 изменит свой знак и ключевой элемент 5 будет закрыт, т.к. напряжение на выходе ОУ 9 исчезнет. Выбор величин сопротивления датчика тока 4 и выходного напряжения формирователя опорного напряжения 11 позволяет обеспечить требуемый ток заряда накопительного конденсатора и исключить большие амплитуды импульсного тока заряда накопительного конденсатора. Затем переключателем 23 напряжение с шины управления 13 снимается. Напряжение на выходе формирователя 11 становится равным нулю и ОУ 9 закрывает ключевой элемент 5. Накопительный конденсатор 3 заряжен.

На втором этапе производится разряд накопительного конденсатора через исполнительный элемент 7 в требуемый момент времени. Для разряда накопительного конденсатора 3 через исполнительный элемент 7 переключатель 24 устанавливается в замкнутое положение, что обеспечивает подачу напряжения от шины источника питания 1 на шину управления 14. При этом формирователь опорного напряжения 12 оказывается под напряжением. Резистор 19 формирует рабочий ток стабилитрона 20, который на своих выводах имеет стабильное напряжение требуемой величины. Это напряжение через делитель напряжения, выполненный на резисторах 21 и 22, поступает на выход формирователя опорного напряжения 12, к которому подключен один вход операционного усилителя 10. На другой вход ОУ поступает напряжение, снимаемое с датчика тока 4. В первый момент времени напряжение на выходе формирователя опорного напряжения 12 значительно превышает напряжение, поступающее на второй вход ОУ с датчика тока 4 (напряжение на нем равно нулю, поскольку ток в цепи отсутствует). На выходе ОУ 10 появляется напряжение, поступающее на вход ключевого элемента 6. Этот элемент открывается и от накопительного конденсатора 3 через исполнительный элемент 7 к второй шине источника питания 2 начинает протекать ток разряда накопительного конденсатора 3. При этом ток разряда конденсатора протекает и через датчик тока 4. Амплитуда тока разряда накопительного конденсатора 3 не превышает величины U₁₂/R₄, где U₁₂ - выходное напряжение формирователя опорного напряжения 12, R₄ - величина сопротивления датчика тока 4. Напряжение на датчике тока 4 не может превышать напряжение на выходе формирователя опорного напряжения 12, поскольку в противном случае разность потенциалов на входах ОУ 10 изменит свой знак и ключевой элемент 6 будет закрыт, т.к. напряжение на выходе ОУ 10 исчезнет. Выбор величин сопротивления датчика тока 4 и выходного напряжения формирователя опорного напряжения 12 позволяет обеспечить требуемый ток разряда накопительного конденсатора 3 и исключить большие амплитуды импульсного тока заряда накопительного конденсатора 3. Затем переключателем 24 напряжение с шины управления 14 снимается. Напряжение на выходе формирователя 12 становится равным нулю и ОУ 10 закрывает ключевой элемент 6. Накопительный конденсатор 3 становится снова разряженным.

Приведенный на фиг. 1 вариант исполнения формирователей опорного напряжения не является единственным. Возможно использование формирователей на основе интегральных стабилизаторов напряжения, например на основе микросхем 142 серии.

Необходимо также отметить, что в данном решении для измерения токов заряда и разряда накопительного конденсатора используется всего один датчик тока. Выбор величин сопротивления датчика тока 4 и выходного напряжения формирователей опорного напряжения 11 и 12 позволяет обеспечить требуемые величины токов заряда-разряда накопительного конденсатора 3. Снижение величин токов до уровня минимально допустимых снижает уровень электромагнитных помех, создаваемых устройством. На фиг. 2 показаны формы импульсов тока, подаваемых на исполнительный элемент. Форма импульсов тока зарядки накопительного конденсатора аналогична графику 26, а амплитуда импульса имеет меньшую величину.

Как видно из приведенных графиков, предлагаемое устройство обеспечивает более продолжительное протекание тока через исполнительный элемент, но с меньшей амплитудой, что снижает максимальное электропотребление. Это соответственно приводит к снижению величины мощности импульсных электромагнитных помех, снижению их частотного диапазона.