твердотельное реле с функцией контроля прохождения электрического тока нагрузки в электрических цепях переменного тока

Формула изобретения

1. Твердотельное реле с функцией контроля прохождения электрического тока нагрузки в электрических цепях переменного тока, содержащее оптосимистор, вход которого является входом твердотельного реле, и по меньшей мере один, подсоединенный к оптосимистору симистор, при этом к управляющему электроду оптосимистора подсоединена схема прохода через ноль, отличающееся тем, что дополнительно содержит подсоединенные в разрыв одной из цепей управления симистором встречно два диода, один из которых является диодом, другой - светодиодом, включенным в конструкцию транзисторной оптопары, выходы которой являются выходами контроля прохождения тока.

2. Твердотельное реле по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит подсоединенную к коллектору и эмиттеру транзисторной оптопары схему формирователя цифрового сигнала, выполненную по меньшей мере на основе триггера Шмидта.

3. Твердотельное реле по п.1 или 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит подсоединенный к светодиоду оптосимистора формирователь тока, управляемый цифровым сигналом.

4. Твердотельное реле по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит подсоединенный к эмиттеру и коллектору транзисторной оптопары перезапускаемый мультивибратор.

5. Твердотельное реле по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит подсоединенный к инверсному выходу мультивибратора элемент И, а другой из входов элемента И является входом включения твердотельного реле, при этом прямой выход перезапускаемого мультивибратора является цифровым выходом, который используется для идентификации прохождения тока через выход твердотельного реле, а выход элемента И подсоединен через ограничитель тока к светодиоду оптосимистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам управления электроприборами, работающими в сети переменного тока, и может быть использовано для включения/выключения и соответственно контроля включения бытовых электроприборов, таких как лампа накаливания, электронагреватели различных типов, утюги, электротостеры, электрошашлычницы, электроплиты, электронагреватели пищи и т.п.

Известен полупроводниковый прибор симистор, который широко применяется в бытовой электроаппаратуре. (См. книгу "Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре", авторы: Ю.А.Евсеев, С.С.Крылов, М.: Энергоиздат, 1990 г., 120 с, с 43-49, рис; 40а) (1).

Недостатком данного симистора является то, что для управления им необходимо использовать опторазвязку, использование которой увеличивает площадь, занимаемую на печатной плате оптопарой и симистором, а это увеличивает стоимость всего изделия.

С целью исключения этого недостатка был создан более компактный электрический прибор, например микросхема серии S102S02 Series и S202S02 Series. фирмы SHARP, см. страницу в Интернете: httpt:sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/data sheet/S102S02_e.pdf. (2).

Данная микросхема представляет собой твердотельное реле, содержащее инфракрасный светодиод, фотосимистор и симистор, управляющий нагрузкой. Эта микросхема содержит также схему включения симистора при прохождении тока через ноль.

Недостатком данного твердотельного реле является то, что при использовании его невозможно определить, проходит ли ток или не проходит через нагрузку, управление которой осуществляется симистором. Например, имеется последовательная цепь, состоящая из электрической лампочки накаливания, симистора, источника напряжения переменного тока промышленной частоты. Необходимым условием прохождения электрического тока через данную электрическую цепь является целостность данной электрической цепи; прохождение электрического тока через инфракрасный светодиод, достаточного для отпирания фотосимистора.

При этом вне зависимости от ситуации будет ли нарушена электрическая цепь или нет, соответственно будет ли гореть электрическая лампочка или нет, устройство управления данной электрической цепью никогда не определит эту ситуацию (перегорела электрическая лампочка или нет).

Для определения этой ситуации необходимо встраивать дополнительные схемы контроля в данную электрическую цепь; например, трансформаторы тока, датчики Холла, различные резистивные или резисторные делители напряжения с усилителями.

Использование вышеперечисленных схематических решений занимает очень большую площадь на печатной плате, имеет большую стоимость и к тому очень трудно произвести гальваническую изоляцию управляющей части электрической цепи от нагрузки (в данном конкретном примере электрической лампочки накаливания).

Целью создания предлагаемого изобретения является разработка устройства твердотельного реле с функцией контроля прохождения электрического тока нагрузки в электрических цепях переменного тока.

Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.

Предлагаемое твердотельное реле, как и аналог, содержит светодиод, оптосимистор и по меньшей мере один подсоединенный к оптосимистору симистор. Но в отличие от аналога дополнительно содержит транзисторную оптопару, содержащую по меньшей мере один светодиод, подсоединенный в разрыв одной из цепей управления симистором (фиг.1).

Предлагаемое твердотельное реле может быть выполнено и по второй схеме, которая дополнительно к первой схеме содержит подсоединенную к коллектору и эмиттеру оптотранзисторной пары схему формирователя цифрового сигнала, выполненную по меньшей мере на основе триггера Шмидта (фиг.3).

Твердотельное реле может быть выполнено и по третьей схеме в развитие второй схемы, которая дополнительно содержит подсоединенный к светодиоду симисторной оптопары формирователь тока, управляемый цифровым сигналом (фиг.4).

Твердотельное реле может быть выполнено и по четвертой схеме в развитие первой и третьей схемы, которая дополнительно содержит подсоединенный к эмиттеру и коллектору оптосимисторной пары перезапускаемый мультивибратор (фиг.5).

Наконец, твердотельное реле может быть выполнено по пятой схеме в развитие четвертой схемы, которая дополнительно содержит подсоединенный к инверсному выходу мультивибратора элемент И, а другой из входов элемента И является входом включения твердотельного реле, при этом прямой выход перезапускаемого мультивибратора является цифровым выходом, который использован для идентификации прохождения тока через выход твердотельного реле, а выход элемента И подсоединен через ограничитель тока к светодиоду оптосимисторной оптопары.

В качестве близкого аналога предлагаемому твердотельному реле можно принять микросхемы серии S102S02 Series и S202S02 Series фирмы SHARP (2).

Перечень фигур на чертежах.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого твердотельного реле с функцией контроля прохождения электрического тока нагрузки в электрических цепях переменного тока.

На фиг.2 - изображена схема электрического устройства, в которую встроена схема твердотельного реле по фиг.1.

На фиг.3 - изображена схема твердотельного реле с триггером Шмидта.

На фиг.4 - изображена схема твердотельного реле с триггером Шмидта и с формирователем тока цифрового сигнала.

На фиг.5 - изображена схема твердотельного реле по фиг.1 с перезапускаемым мультивибратором.

На фиг.6 - изображена схема твердотельного реле с элементом И и ограничителем тока.

Предлагаемое твердотельное реле содержит следующие элементы. Управляющий симистор 1 (фиг.1) своими главными выводами подсоединен к выводам управления нагрузкой 2. Последовательно с управляющим электродом симистора 1 включены встречно два диода - один из них (3) является диодом, другой - светодиод 4 включен в конструкцию транзисторной оптопары 5, выходы которой являются выходами 6 контроля прохождения тока.

Другой конец встречно соединенных диодов 3 и 4 подсоединен к одному из выходов оптосимисторной оптопары 7; другой выход оптосимисторной оптопары 7 подсоединен к главному выходу симистора 1 со стороны, противоположной управляющему электроду оптосимистора 1.

К выводам оптосимистора симисторной оптопары 7 и к управляющему электроду оптосимистора 7 подсоединена схема 8 прохода через ноль, которая (схема) разрешает включение оптосимистора 7 только в том случае, если разность потенциалов между выводами оптосимистора 7 по модулю меньше порогового значения. Вход оптосимисторной оптопары 7 является входом 9 твердотельного реле.

Предлагаемое твердотельное реле работает следующим образом.

Известно, что симистор можно включать малым импульсом тока. При этом значение тока, проходящего через управляющий электрод симистора 1, как правило, будет относительно большим по амплитуде, а по времени действия маленьким.

При этом при управлении симистором со стороны, противоположной управляющему электроду симистора (первый и третий квадрант), через управляющий электрод будет проходить этот импульс тока, при условии прохождения тока непосредственно через симистор 1 (фиг.1), а соответственно и через всю электрическую цепь.

Если же целостность электрической цепи будет нарушена, то соответственно этот импульс тока через управляющий электрод симистора 1 не будет проходить.

Для определения факта прохождения тока через данную электрическую цепь необходимо детектировать эти "пички" прохождения тока через управляющий электрод симистора. Этим детектором является светодиод 4 транзисторной оптопары 5.

В случае прохождения тока через управляющий электрод симистора 1 (определенной полярности) ток будет проходить и через светодиод 4, который вызовет рекомбинацию носителей и соответственно испускания фотонов, которые будут улавливаться базой фототранзистора транзисторной оптопары 5, в результате чего увеличится на несколько порядков величина тока коллектора.

Этот ток коллектора может быть легко измерен внешними устройствами и по его наличию можно судить о контролируемом прохождении тока через электрическую цепь, а соответственно и о целостности всей электрической цепи.

Так как симистор 1 является симметричным прибором, то ток через него протекает в обоих направлениях. Светодиод 4 транзисторной оптопары 5 может детектировать прохождение тока только в одном направлении. А чтобы симистор 1 открывался в обоих направлениях необходимо обеспечить прохождение тока в обоих направлениях через управляющий электрод симистора 1.

Для этого предназначен встречно включенный со светодиодом 4 диод 3. В данной схеме по фиг.1 возможно использование вместо транзисторной оптопары 5 диодной оптопары. При этом преимуществом диодной оптопары будет являться то, что она менее инерционна.

Рассмотрим пример использования предлагаемого твердотельного реле в электроустройстве управления включением/выключением электрической лампочки в электрической цепи напряжением 220 В (фиг.2). Имеется вывод управления , при подаче низкого логического уровня на который при исправности электрической цепи нагрузки на выходе out с интервалом. 20 мс будут идти короткие импульсы тока.

При , равном единице, импульсы тока прекратятся и будет "чистый" логический ноль. В случае , равном нолю, и неисправности электрической цепи напряжением 220 В на выходе out тоже будет логический ноль.

Таким образом, работу (функционирование) электрической схемы по фиг.2 можно охарактеризовать данными таблицы, приводимой ниже.

	Исправность электрической цепи	OUT
0	+
1	+	«0»
X	-	«0»

Так как выходной сигнал out должен иметь, например, цифровую форму, то для большего удобства обработки сигнала в цифровых устройствах его необходимо преобразовывать, а преобразование можно осуществить, например, используя триггер Шмидта (см. фиг.3). Данный элемент встроен в схему твердотельного реле и обеспечивает формирование цифрового сигнала на выходе out.

Так как современные микроконтроллеры изготавливаются по технологиям, имеющим большую точность, соответственно с увеличением скорости работы транзисторов уменьшаются и габаритные размеры транзисторов, что делает выходы микроконтроллеров менее мощными.

Ток управления светодиодом симисторной оптопары превосходит максимально разрешенный выходной ток цифрового выхода большинства современных микроконтроллеров (процессоров).

Для разрешения этой проблемы обычно ставят дополнительно транзисторные усилители, что увеличивает габаритные размеры схем.

В предлагаемом изобретении эта проблема решена следующим образом. В схему твердотельного реле по фиг.1 встроен формирователь тока (фиг.4), а также может быть встроен и в схему по фиг.3. Формирователь тока может быть выполнен на инверторе, выход которого подключен на стабилизатор тока, выполненный, например, на основе n-канального полевого транзистора с встроенным каналом (см. фиг.4).

Принцип работы формирователя тока заключается в следующем.

При подаче единичного уровня сигнала на вход on на выходе инвертора установится логический ноль, что вызовет протекание тока через светодиод симисторной оптопары 7. Стабилизатор тока (фиг.4) будет стабилизировать ток через этот светодиод вне зависимости от напряжения питания.

Таким образом, сопряжение данного твердотельного реле с микроконтроллером может быть легко выполнено схемотехнически - у схемы имеется логический вход и логический выход (фиг.4).

Предлагаемое твердотельное реле может быть выполнено и по схеме, изображенной на фиг.5, это когда требуется определить прохождение тока через симистор 1 в статических уровнях (0 - не проходит, 1 - проходит), см. фиг.5. Для этой цели в схему по фиг.1 встроен перезапускаемый мультивибратор с шириной генерируемого импульса, например, 21 мс.

Данная схема работает следующим образом. При прохождении тока через симистор 1 на входе мультивибратора появляются запускающие импульсы с периодом 20 мс. Так как мультивибратор перезапускаемый, то на выходе мультивибратора будет состояние логической единицы. Если же на входе мультивибратора импульсы прекратятся, то на выходе мультивибратора будет логический ноль.

Таким образом, в управляющую схему электроприбора будут приходить сигналы статического уровня с прохождением тока через симистор 1: логическая единица на выходе out - ток проходит; а логический ноль - ток не проходит.

Предлагаемое твердотельное реле может быть выполнено и по схеме, изображенной на фиг.6. Эта реализация реле необходима в том случае, когда требуется уменьшить энергопотребление управляющей части твердотельного реле.

Для этого схема должна быть оборудована транзисторной оптопарой 5 (фиг.6), у которой имеются два встречно включенных светодиода. Данная транзисторная оптопара будет выдавать импульсы 100 Гц (для промышленной частоты питающей сети 50 Гц). Эти два встречно включенных светидиода будут работать в двух разных полупериодах - один в одном, другой - в другом, а так как оптоканал у них общий, то будет удвоенная частота пульсации.

Эти импульсы будут поступать на вход мультивибратора, который запрограммирован на выдачу импульсов шириной 8 мс.

Если при включении данного твердотельного реле на входе on - единица, то на инверсном выходе мультивибратора будет также единица. В случае прохождения любой полуволны тока через симистор 1 этот импульс тока перезапустит мультивибратор, в результате чего на выходе out будет логическая единица, а на выходе элемента И установится в ноль (так как на инверсном выходе мультивибратора тоже ноль).

Вследствие этого ток через светодиод оптосимисторной оптопары 7 не будет проходить. Через 8 мс мультивибратор сбросится, тем самым включится прохождение тока через светодиод оптосимисторной оптопары 7.

Таким образом, при частоте тока 50 Гц питающей сети светодиод симисторной оптопары будет пропускать ток только два десятых периода, а восемь десятых периода он будет выключен, за счет чего и достигается минимальное потребление тока твердотельным реле (управляющей его частью).

Предлагаемое твердотельное реле по всем шести вышеописанным схемам обеспечивает контроль прохождения электрического тока через него и соответственно контроль целостности электрической цепи электроприбора.

Предлагаемое твердотельное реле изготовлено и опробовано с положительными результатами в марте-апреле 2007 года в г.Омске в конструкции вулканизатора для ремонта местных повреждений покрышек колес грузовых автомобилей. Рабочее напряжение вулканизатора 220 В, мощность 1200 Вт. Данное реле обеспечивает надежное включение/выключение электропитания вулканизатора по заданной программе, при этом реле обеспечивает надежный контроль работы электрооборудования вулканизатора.

Источники информации

1. "Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре", авторы Ю.А.Евсеев, С.С.Крылов, М.: Энергоиздат, 1990 г., 120 с, с 43-49, рис.40а.

2. Микросхема серии S102S02 Series и S202S02 Series фирмы SHARP, см. страницу в Интернете: http:sharp-world.com/products/device//lineup/data/pdf/data sheet/S102S02e.pdf.