Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области электрической и электронной автоматики и может быть использовано в системах управления электромагнитными исполнительными органами (ЭМИО) для защиты от неконтролируемых перенапряжений, возникающих в цепях питания при выключении ЭМИО, снижения электромагнитных помех и увеличения надежности работы.

Известны различные устройства, предназначенные для управления электромагнитными исполнительными органами (ЭМИО), в которых для исключения образования перенапряжения в момент размыкания цепи с индуктивной нагрузкой используется либо конденсатор (емкость), подключенный параллельно нагрузке; либо диод, подключенный встречно нагрузке (для исключения тока через диод при включенной нагрузке); либо подключенные параллельно нагрузке диод и стабилитрон, соединенные между собой последовательно; либо подключенный параллельно нагрузке симметричный (двухполярный) стабилитрон и/или последовательная RC-цепочка и др. [1-5].

Любое из перечисленных устройств обладает недостатком или комплексом недостатков при использовании в конкретной системе. Так, конденсатор малой емкости не спасает от перенапряжений при выключении индуктивной нагрузки, что совместно с цепями питания приводит к формированию помех в виде импульсных и затухающих по экспоненте высокочастотных колебаний, а конденсатор большой емкости приводит к недопустимому возрастанию пусковых токов через коммутатор и задержке на выключение ЭМИО; последовательная RC-цепочка или слабо влияет на перенапряжения и помехи или приводит к возрастанию пусковых токов; диод и стабилитрон, включенные последовательно, или симметричный стабилитрон не влияют на пусковые токи и практически не ограничивают быстродействие ЭМИО, но не защищают от перенапряжения на ЭМИО, на элементах его коммутации и, тем самым, увеличивают уровень помех по сравнению с простейшим диодным ограничителем. Подобные известные устройства и их цепи питания могут в цепях интерфейсных линий связи навести помеху, искажающую принимаемую информацию и способную привести к сбоям в управляющей аппаратуре. Особенно чувствительна к таким помехам малогабаритная передвижная аппаратура, в которой невозможно разнести на сколько-нибудь значительное расстояние силовые цепи питания ЭМИО и интерфейсные цепи управления системы. Перечисленные недостатки снижают функциональную надежность подобных систем управления.

Наиболее близким из перечисленных технических решений к предлагаемому устройству, простым и эффективным по снижению перенапряжения на ЭМИО и элементах коммутации является устройство управления электромагнитным исполнительным органом (ЭМИО), содержащее ключ транзисторный поз.3 или релейный поз.5, включенный в цепь питания последовательно с обмоткой ЭМИО поз.2, и диод 4, подключенный к цепям питания встречно параллельно ЭМИО [6].

Недостатком такого устройства являются неустранимые импульсные и высокочастотные помехи, возникающие при размыкании цепи питания ЭМИО при его выключении. Помехи (электромагнитное излучение) возникают за счет ЭДС самоиндукции ЭМИО в моменты формирования крутых фронтов напряжения в цепях питания при выключении ЭМИО. Диод, подключенный встречно нагрузке, не влияет на пусковые токи и практически полностью снимает перенапряжения при выключении, однако снижает быстродействие исполнительного органа при его выключении и не уничтожает импульсную и в.ч. помехи, возникающие при крутом фронте импульса в момент размыкания ключа и выключения ЭМИО. Задержка на выключение ЭМИО после размыкания ключа возникает потому, что некоторое время продолжает течь ток через его обмотку и шунтирующий ее диод, удерживающий ЭМИО во включенном состоянии. При этом происходит перерегулирование в системе управления (стабилизации) и перерасход энергоресурсов.

Задача изобретения - снижение уровня помех и уменьшение влияния на быстродействие электромагнитных исполнительных органов.

Решение этой задачи по первому варианту устройства достигается тем, что в устройство управления электромагнитным исполнительным органом (ЭМИО), содержащее ключ, включенный в цепь источника питания последовательно с ЭМИО, и диод, подключенный к ЭМИО параллельно встречно, введены второй диод, резистор и конденсатор, при этом резистор и конденсатор соединены последовательно и подключены к цепям питания параллельно ЭМИО, второй диод подключен параллельно резистору встречно ЭМИО.

Решение поставленной задачи по второму варианту достигается тем, что в устройство управления электромагнитным исполнительным органом (ЭМИО), содержащее ключ, включенный в цепь источника питания последовательно с ЭМИО, и диод, подключенный к ЭМИО параллельно встречно, введены второй диод, резистор и конденсатор, при этом резистор и конденсатор соединены последовательно и подключены к цепям питания параллельно ЭМИО, второй диод соединен последовательно с первым диодом и подключен встречно ЭМИО, общая точка последовательно соединенных диодов соединена с общей точкой резистора и конденсатора, соединенных последовательно.

Решение поставленной задачи по третьему варианту достигается тем, что в устройство управления электромагнитным исполнительным органом (ЭМИО), содержащее ключ, включенный в цепь питания последовательно с ЭМИО, и диод, подключенный к к цепям питания ЭМИО параллельно встречно, введены второй диод, два резистора и конденсатор, при этом первый резистор и конденсатор соединены последовательно и подключены к ЭМИО, второй диод соединен последовательно с первым диодом и подключен встречно ЭМИО, общая точка последовательно соединенных диодов и соединена с общей точкой первого резистора и конденсатора, соединенных последовательно, второй резистор соединен последовательно с диодом, подключенным параллельно конденсатору.

На схемах фиг.1-3 приняты следующие обозначения:

1 - источник напряжения питания с выходным напряжением Uпит,

2 - электромагнитный исполнительный орган A1 (ЭМИО),

3 - ключ K-тумблер, контакт реле или транзистор,

4 - первый диод VD1

5 - первый резистор R1,

6 - конденсатор C1,

7 - второй диод VD2,

8 - второй резистор R2.

На фиг.1, 2 и 3 приведены варианты выполнения устройства управления электромагнитным исполнительным органом (схемы электрические принципиальные), содержащие элементы, комплексно обеспечивающие существенное уменьшение помех как при включении электромагнитного исполнительного органа, так и, особенно, при его выключении, а практически не влияющие на быстродействие электромагнитных исполнительных органов.

На фиг.1 приведена схема устройства управления электромагнитным исполнительным органом 2 (ЭМИО) - A1, которое содержит ключ K - 3 (вместо контакта реле может использоваться силовой транзистор; на схеме не показан), включенный в цепь источника питания 1 последовательно с ЭМИО 2 - A1, диод 4 - VD1, подключенный встречно к цепям питания ЭМИО 2 - A1, второй диод 7 - VD2, первый резистор 5 - R1 и конденсатор 6 - C1, при этом первый резистор R1 и конденсатор C1 соединены последовательно и подключены к цепям питания ЭМИО 2, второй диод 7 - VD2 подключен параллельно резистору R1 и, в составе устройства, встречно электромагнитному исполнительному органу ЭМИО 2 - A1 (Вариант 1).

На фиг.2 приведена схема устройства управления электромагнитным исполнительным органом 2 (ЭМИО) - A1, которое содержит ключ 3 - K (вместо контакта реле может использоваться силовой транзистор; на схеме не показан), включенный в цепь источника питания 1 последовательно с ЭМИО 2 - A1, диод 4 - VD1, подключенный встречно к цепям питания ЭМИО 2, второй диод 7 - VD2, первый резистор 5 - R1 и конденсатор 6 - C1, при этом первый резистор R1 и конденсатор C1 соединены последовательно и подключены параллельно к цепям питания ЭМИО 2 - A1, второй диод 7 - VD2 подключен параллельно резистору 5 - R1 и, в составе устройства, подключен встречно электромагнитному исполнительному органу (Вариант 2).

На фиг.3 приведена схема устройства управления электромагнитным исполнительным органом (ЭМИО) 2 - A1, содержащего ключ 3 - K, включенный в цепь питания последовательно с ЭМИО 2 - A1, и диод 4 - VD1, подключенный к цепи питания встречно ЭМИО 2 - A1, второй диод 7 - VD2, два резистора 5 - R1, 8 - R2 и конденсатор 6 - С1, при этом первый резистор 5 - R1 и конденсатор 6 - C1 соединены последовательно и подключены параллельно к цепям питания ЭМИО 2 - A1, второй диод 7-VD2 соединен последовательно с первым диодом 4-VD1 и подключен встречно ЭМИО 2 - A1, общая точка последовательно соединенных диодов 4 - VD1 и 7 - VD2 соединена с общей точкой последовательно соединенных резистора 5 - R1 и конденсатора 6 - C1, второй резистор 8 - R2 соединен последовательно с диодом, подключенным параллельно конденсатору 6 - C1 (Вариант 3).

Рассмотрим подробно работу устройства, приведенного на фиг.1.

В исходном состоянии устройства в целом, когда напряжение питания Uпит на устройство управления подано, а управляемый ключ K (или транзистор) разомкнут (закрыт), напряжение на ЭМИО A1 и ток через него, а также напряжения на иных элементах устройства равны нулю.

При включении ЭМИО A1 замыканием ключа K напряжение на ЭМИО A1 становится равным напряжению питания Uпит, а ток i через обмотку ЭМИО A1 за счет индуктивной составляющей ЭМИО A1 плавно (по экспоненте) нарастает до максимального значения I=Uпит/Rэм, где Rэм - активное (омическое) сопротивление обмотки ЭМИО A1.

Потенциал на верхнем по схеме фиг.1 выводе конденсатора C1 равен потенциалу источника питания +Uпит, а сам конденсатор C1 через резистор R1 заряжается до напряжения, равного напряжению питания Uпит. При этом диоды VD1 и VD2 ток не проводят, поскольку диод VD1, подключенный встречно ЭМИО A1, постоянно находится под обратным напряжением, равном напряжению питания, а между катодом и анодом диода VD2 после окончания заряда конденсатора C1 напряжение устанавливается равным нулю. Во время заряда конденсатора C1 диод VD2 ток также не проводит, поскольку находится под обратным напряжением, уменьшающимся от напряжения питания Uпит до нуля.

При закрытии ключа K (при размыкании цепи) и при отсутствии какой-либо цепи искрогашения за счет ЭДС самоиндукции обмотки напряжение на ЭМИО A1 меняет знак и при этом может многократно превышать напряжение питания Uпит. В это время и возникают импульсные и высокочастотные интенсивные помехи. При этом в процессе формирования спектра частот этой помехи участвуют и цепи питания ЭМИО, обычно имеющие достаточно большую протяженность и распределенную индуктивность даже в малогабаритных передвижных устройствах.

При наличии цепи искрогашения (фиг.1) в момент размыкания ключа K на нижнем по схеме выводе конденсатора C1 возникает скачок напряжения ЭДС самоиндукции за счет разрыва цепи индуктивного тока через обмотку ЭМИО A1. Однако в самом начале этого скачка индуктивный ток ЭМИО начинает течь через резистор R1 и диод VD2 и начинает разряжать конденсатор C1 со скоростью изменения напряжения, зависящей от соотношения ток/емкость (если ток 1А, а емкость конденсатора 1 мкФ, то скорость разряда конденсатора равна 1 В/1 мкс, а время полного разряда конденсатора составляет десятки-сотни микросекунд; увеличению времени разряда конденсатора C1 в значительной мере способствует еще и уменьшение тока в течение времени). Напряжение на конденсаторе C1 уменьшается, потенциал на его нижнем выводе возрастает и, наконец, потенциал на нижнем выводе конденсатора C1 становится выше потенциала источника питания Uпит. Когда это превышение достигает 1 В (округленное значение), открывается диод VD1 и дальнейшее изменение напряжения на нижнем по схеме фиг.1 выводе конденсатора C1 не происходит, хотя индуктивный ток от ЭМИО A1 некоторое время продолжает течь.

На таком же уровне возникает ограничение напряжения и при отсутствии какой-либо цепи искрогашения (без элементов R1, C1, VD2). Но разница заключается в том, что в прототипе скачок напряжения при выключении ЭМИО имеет крутой фронт (обычно менее 1 мкс) при амплитуде импульса напряжения не менее напряжения питания, в то время как в предложенном устройстве скачок напряжения с крутым фронтом если и возможен, то составляет примерно 1 В - пока не начнет пропускать ток открывшийся диод VD2. С этого момента крутой фронт заканчивается и далее начинается процесс плавного разряда конденсатора C1 со скоростью изменения напряжения не более 1 В/1 мкс (см. выше - в качестве реального параметра; а если конденсатор C1 имеет емкость, например, 10 мкФ, то скорость изменения напряжения будет 0,1 В/мкс и время перезаряда конденсатора может достигать миллисекунды и более). Кроме того, скорость изменения напряжения существенно уменьшается по мере уменьшения индуктивного тока от ЭМИО A1. При открытии диода VD1 происходит ограничение дальнейшего роста напряжения на нижнем по схеме фиг.1 выводе конденсатора C1. В это время на ключе K удерживается максимальное напряжение с превышением по сравнению с напряжением питания примерно на 1 В (падение напряжения на диоде VD1). Затем, после рассеяния индуктивной энергии ЭМИО, диод закрывается и происходит плавный разряд конденсатора C1 (заряженного примерно до 1 В) через резистор R1 и активное сопротивление ЭМИО A1.

Устройство согласно фиг.2 работает аналогично, а именно: при включенном ключе K конденсатор C1 заряжается до напряжения питания Uпит через резистор R1. В момент выключения ключа K на нижнем выводе ЭМИО A1 напряжение начнет повышаться и индуктивный ток ЭМИО потечет параллельно через диод VD2 и резистор R1, разряжая конденсатор C1. При этом напряжение на самом конденсаторе уменьшается, а потенциал на его нижнем выводе возрастает и, наконец, становится выше напряжения питания Uпит. Когда это превышение достигает 1 В (округленное значение), открывается диод VD1 и дальнейшее увеличение напряжения на нижнем по схеме фиг.2 выводе конденсатора C1 прекратится. При открытом диоде VD1 происходит ограничение дальнейшего роста напряжения на нижнем по схеме фиг.2 выводе конденсатора C1. В это время на ключе K удерживается максимальное напряжение с превышением по сравнению с напряжением питания примерно на 2 В (падения напряжения на диодах VD1 и VD2). Затем, после рассеяния индуктивной энергии ЭМИО, диоды закрываются и происходит плавный разряд конденсатора C1 (заряженного примерно до 1 В) через резистор R1 и активное сопротивление ЭМИО A1.

Устройство согласно фиг.3 работает аналогично, а именно: при включенном ключе K конденсатор C1 заряжается до напряжения питания Uпит через резистор R1. В момент выключения ключа K на нижнем выводе ЭМИО A1 напряжение начнет повышаться и индуктивный ток ЭМИО потечет параллельно через диод VD2 и резистор R1, разряжая конденсатор C1. При этом напряжение на самом конденсаторе уменьшается, а потенциал на его нижнем выводе возрастает и, наконец, становится выше напряжения питания Uпит. Когда это превышение достигает 1 В (округленное значение), диод VD1 начинает пропускать ток, при этом индуктивный ток ЭМИО будет протекать по двум цепям: через конденсатор C1 (первая цепь, ток через которую продолжает течь и перезаряжает конденсатор C1) и через последовательно соединенные диод VD1 и резистор R2 (вторая цепь). Вторая цепь рассеивает энергию, оставшуюся к этому моменту в ЭМИО A1, и ускоряет процесс уменьшения тока через ЭМИО, чем сводит к минимуму задержку на выключение ЭМИО. После рассеяния индуктивной энергии ЭМИО диоды закрываются, на конденсаторе C1 при этом остается дополнительное напряжение, которое уменьшается до нуля в процессе разряда через резистор R1 и активное сопротивление ЭМИО A1. Вместе с тем, при заряженном конденсаторе суммарное напряжение на ключе K возрастает.

Это обстоятельство следует учитывать при проектировании системы управления для того, чтобы при всех допустимых разбросах напряжения питания Uпит, сопротивления обмотки ЭМИО и иных существенных параметров элементов устройства и блоков системы управления фактическое значение напряжения на ключе во время превышения всегда было меньше предельно допустимого напряжения на ключе K и имелся существенный запас. Дополнительное напряжение на конденсаторе C1 имеет вид импульса с плавными фронтами уже при многократно уменьшившемся токе от ЭМИО. Такой импульс не может сформировать сколько-нибудь заметную помеху.

Выбор (расчет) конкретных значении емкости конденсатора C1 и сопротивления резистора R1 зависят от параметров ЭМИО A1 и требуемого быстродействия конкретной системы управления. Основные требования к устройству управления можно сформулировать следующим образом. После включения ключа K во время действия управляющего импульса на ЭМИО A1 конденсатор C1 должен через резистор R1 успеть плавно зарядиться от нуля до напряжения питания, а после выключения ключа (с момента начала формирования паузы между импульсами) конденсатор C1 за счет тока от ЭМИО A1 должен плавно перезарядиться от напряжения, равного напряжению питания, примерно до напряжения 1 В иной полярности. Затем, после рассеяния индуктивной энергии ЭМИО, должен произойти плавный разряд конденсатора C1 (заряженного примерно до 1 В) через резистор R1 и активное сопротивление ЭМИО A1. При выполнении этих условий обеспечивается эффективное подавление уровня импульсных и высокочастотных помех, а их спектр частот перемещается в область более низких частот, по крайней мере на два-три порядка, и сохраняется быстродействие системы ЭМИО изделия.

Следует дополнительно отметить, что первый резистор R1 и конденсатор C1, включенные последовательно, совместно с реальной индуктивностью L обмотки ЭМИО A1 и его омическом сопротивлением Rэм, соединенные эквивалентно также последовательно (на схемах не показаны) образуют некоторый параллельный контур, который при определенном соотношении параметров его элементов представляет апериодическое звено, не способное формировать колебательный процесс и излучать помехи. Исходя из этой предпосылки и производится расчет параметров резисторов и конденсатора. В этом случае все переходные процессы заряда/разряда конденсатора C1 протекают по экспоненциальному закону или близкому к нему.

В заключение следует отметить, что предлагаемые устройства необходимо располагать вблизи коммутатора K с тем, чтобы индуктивная составляющая цепей питания, соединенная последовательно с индуктивностью ЭМИО A1 также была охвачена защитой от перенапряжений. В качестве элементов для реализации устройств могут быть использованы стандартные диоды, резисторы и конденсаторы.

Предлагаемые устройства повышают надежность работы систем управления за счет эффективного снижения уровня помех, возникающих при работе сильноточных электромагнитных исполнительных органов и цепей их питания. Кроме того, предложенные устройства, особенно по фиг.3, практически не влияют на быстродействие электромагнитных исполнительных органов.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Литература

1. Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Г.С. Найвельта. Москва, «Радио и связь», 1986 г., с.201, рис.5.30.

2. Способ и контур защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами. Патент 2208290, МПК H03K 17/08.

3. Устройство защиты от отрицательных выбросов при отключении индуктивной нагрузки. Патент 2158476, МПК H03K 17/695, H03K 17/08.

4. Устройство защиты от отрицательных выбросов при отключении индуктивной нагрузки. Заявка 98118541, МПК H03K 17/695, H03K 17/08.

5. Способ защиты от импульсных перенапряжений. Патент №2264015, МПК H02H 3/20.

6. Электромагнитный привод. Патент РФ 2343580, МПК H01F 7/18, H01H 47/32 (прототип).