Результат интеллектуальной деятельности: ИНДИКАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к устройствам индикации напряжения и может быть использовано для индикации наличия, а также отсутствия контролируемого напряжения. Предлагаемое устройство может быть использовано в высоковольтных электрических сетях, устройствах распределения электроэнергии, а также в электрических преобразователях для индикации наличия, а также отсутствия высокого напряжения в сетях как постоянного, так и переменного тока.

Известно устройство индикатора напряжения (патент CN207164130, МПК G01R19/155, опубл. 30.03.2018 г.), содержащее две индикаторные лампы, резистор и стабилитрон. Известное изобретение имеет простую схему и минимальное число элементов. Изобретением решается задача индикации двух различных уровней контролируемого напряжения.

Недостатком известной схемы является гальваническая связь контролируемой цепи с контактами индикаторных ламп, а также ее использование только в цепях постоянного напряжения. Еще одним из недостатков известного устройства является косвенная информация об отсутствии контролируемого напряжения в момент времени, когда обе индикаторные лампы не светятся. При этом отсутствует контроль исправности схемы индикатора напряжения.

Известно устройство индикатора напряжения (патент RU 2734583, МПК G01R 19/155, опубл. 20.10.2020 г.), содержащее балластный резистор, трансформатор напряжения, оптоэлектронный ключ и индикаторную лампу. Известный индикатор напряжения позволяет обеспечить гальваническую развязку измерительной и индикаторной цепей, а также повысить электробезопасность при его использовании. Индикатор напряжения может быть использован как на постоянном, так и переменном токе.

Недостатком известной схемы является наличие согласующего трансформатора напряжения, а также косвенная информация об отсутствии контролируемого напряжения, когда индикаторная лампа не светится. При этом отсутствует контроль исправности схемы индикатора напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является индикатор напряжения (патент RU 2055369, МПК G01R 19/155, опубл. 27.02.1996 г.), содержащий два резистора, транзистор, стабилитрон, две индикаторные лампы, а также дополнительный источник напряжения. Благодаря указанному составу и функциональным связям элементов удалось осуществить световую индикацию, как наличия, так и отсутствия контролируемого постоянного напряжения.

Недостатком известной схемы является гальваническая связь контролируемой цепи с контактами индикаторных ламп. При этом в случае замыкания одного из контактов индикаторной лампы на корпус электроустановки возможно поражение эксплуатирующего или обслуживающего персонала электрическим током. К недостаткам известной схемы также следует отнести контроль наличия индикатором напряжения только постоянного напряжения.

Предлагаемый индикатор напряжения позволяет упростить схему индикатора напряжения, обеспечить гальваническую развязку измерительной и индикаторной цепей, а также повысить электробезопасность при его использовании. Предложенный индикатор напряжения может быть использован в сетях как постоянного, так и переменного тока. Технический результат предложения заключается в полной гальванической развязке контролируемой цепи, как правило, высокого напряжения от низковольтной индикаторной цепи. Кроме всего для обеспечения высокой степени безопасности эксплуатирующего или обслуживающего персонала индикатор напряжения реализует режим свечения одной из индикаторных ламп при наличии контролируемого напряжения, либо свечение другой индикаторной лампы в случае отсутствия контролируемого напряжения.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: индикатор напряжения, так же как и прототип, содержащий транзистор структуры n-p-n, два резистора, две индикаторные лампы, блок питания, в отличие от прототипа дополнительно содержит оптоэлектронный ключ и дополнительный резистор, причем плюсовой вывод контролируемой сети постоянного тока через первый резистор подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа, катод которого подключен к минусовому выводу контролируемой сети постоянного тока, к плюсовому выводу блока питания подключены первые выводы индикаторных ламп и второго резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу первой индикаторной лампы, первому выводу дополнительного резистора и первому выводу ключа выходной части оптоэлектронного ключа, второй вывод которого подключен к минусовому выводу блока питания и эмиттеру транзистора, база которого подключена ко второму выводу дополнительного резистора, а коллектор транзистора соединен со вторым выводом второй индикаторной лампы.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей и улучшения технических характеристик индикатор напряжения может быть снабжен оптоэлектронным ключом, который содержит два встречно параллельно включенных светодиода входной части оптоэлектронного ключа, которые через первый резистор подключены к контролируемой сети постоянного тока. Такое схемное решение позволит индикатору напряжения подключаться к контролируемой сети постоянного тока без соблюдения полярности напряжения.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей и улучшения характеристик индикатор напряжения может быть дополнительно снабжен конденсатором и неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения, причем выводы переменного тока неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключены к контролируемой сети, плюсовой вывод неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен к первому выводу конденсатора и через первый резистор подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа, катод которого подключен к минусовому выводу неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения и ко второму выводу конденсатора. Такое схемное решение позволит работать индикатору напряжения и контролировать наличие напряжения как в сети постоянного, так и однофазного переменного тока.

Кроме того с целью расширения функциональных возможностей и улучшения характеристик индикатор напряжения может быть дополнительно снабжен конденсатором и неуправляемым многофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения, причем выводы переменного тока неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключены к многофазной контролируемой сети, плюсовой вывод неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения подключен к первому выводу конденсатора и через первый резистор подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа, катод которого подключен к минусовому выводу неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения и ко второму выводу конденсатора. Такое схемное решение позволит работать индикатору напряжения и контролировать наличие напряжения как в сети постоянного, так и многофазного переменного тока.

Сущность изобретения заключается в том, что в индикаторе напряжения за счет оптоэлектронного ключа в совокупности с транзистором и резисторами обеспечивается гальваническая развязка между контролируемой цепью и цепью питания индикаторных ламп, а также в зависимости от наличия или отсутствия напряжения контролируемой цепи реализует режим свечения одной из двух индикаторных ламп.

Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача – обеспечение гальванической развязки измерительной и индикаторной цепей и повышение электробезопасности – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил отдельных отличительных признаков заявленного изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретений поясняется чертежами, где:

на Фиг.1 представлена базовая схема индикатора напряжения при его использовании в контролируемых сетях постоянного тока;

на Фиг.2 представлена схема индикатора напряжения, снабженного оптоэлектронным ключом, который содержит два встречно параллельно включенных светодиода входной части оптоэлектронного ключа;

на Фиг.3 представлена схема индикатора напряжения, который может быть использован в сетях как постоянного, так и однофазного переменного тока;

на Фиг.4 представлена схема индикатора напряжения, который может быть использован в сетях как постоянного, так и многофазного переменного тока.

Индикатор напряжения, схема которого представлена на Фиг.1, содержит транзистор 1 структуры n-p-n, два резистора 2, 3, две индикаторные лампы 4, 5, блок питания 6, оптоэлектронный ключ 7 и дополнительный резистор 8. Плюсовой вывод контролируемой сети постоянного тока 9 через первый резистор 2 подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа 7, катод которого подключен к минусовому выводу контролируемой сети постоянного тока 9. К плюсовому выводу блока питания 6 подключены первые выводы индикаторных ламп 4, 5 и второго резистора 3, второй вывод которого подключен ко второму выводу первой индикаторной лампы 4, первому выводу дополнительного резистора 8 и первому выводу ключа выходной части оптоэлектронного ключа 7. Второй вывод выходной части оптоэлектронного ключа 7 подключен к минусовому выводу блока питания 6 и эмиттеру транзистора 1. База транзистора 1 подключена ко второму выводу дополнительного резистора 8. Коллектор транзистора 1 соединен со вторым выводом второй индикаторной лампы 5.

Индикатор напряжения, схема которого представлена на Фиг.2, содержит оптоэлектронный ключ 10, который содержит два встречно параллельно включенных светодиода входной части оптоэлектронного ключа 10, которые через первый резистор 2 подключены к контролируемой сети постоянного тока 9.

Индикатор напряжения, схема которого представлена на Фиг.3, содержит конденсатор 11 и неуправляемый однофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 12. Выводы переменного тока неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 12 подключены к контролируемой сети 13. Плюсовой вывод неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 12 подключен к первому выводу конденсатора 11 и через первый резистор 2 подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа 7. Катод светодиода оптоэлектронного ключа 7 подключен к минусовому выводу неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя 12 напряжения и ко второму выводу конденсатора 11.

Индикатор напряжения, схема которого представлена на Фиг.4, содержит конденсатор 11 и неуправляемый многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 14. Выводы переменного тока неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 14 подключены к многофазной контролируемой сети 15. Плюсовой вывод неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 14 подключен к первому выводу конденсатора 11 и через первый резистор 2 подключен к аноду светодиода оптоэлектронного ключа 7. Катод светодиода оптоэлектронного ключа 7 подключен к минусовому выводу неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 14 и ко второму выводу конденсатора 11.

Назначение основных элементов в схеме индикатора напряжения:

- транзистор 1 выполняет функции ключевого элемента и осуществляет коммутацию второй индикаторной лампы 5 в зависимости от состояния оптоэлектронного ключа 7 (наличия либо отсутствия напряжения в контролируемой сети);

- первый резистор 2 задает чувствительность индикатора напряжения либо другими словами порог индикации контролируемого напряжения;

- второй резистор 3 выполняет шунтирование первой индикаторной лампы 4 и исключает ее свечение при отсутствии контролируемого напряжения;

- индикаторная лампа 4 светится при наличии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9 (Фиг.1, Фиг.2) (либо контролируемой сети 13 - Фиг.3, либо многофазной контролируемой сети 15 - Фиг.4);

- индикаторная лампа 5 светится при отсутствии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9 (Фиг.1, Фиг.2) (либо контролируемой сети 13 - Фиг.3, либо многофазной контролируемой сети 15 - Фиг.4);

- блок питания 6 предназначен для осуществления питания элементов индикатора напряжения и свечения одной из индикаторных ламп 4 или 5 в зависимости от наличия либо отсутствия контролируемого напряжения;

- оптоэлектронный ключ 7 выполняет функции гальванической развязки измерительной и индикаторной цепи, а так же осуществляет коммутацию первой индикаторной лампы 4 и транзистора 1 второй индикаторной лампы 5;

- дополнительный резистор 8 ограничивает ток базы транзистора 1;

- оптоэлектронный ключ 10 с двумя встречно параллельно включенными светодиодами входной части выполняет функции гальванической развязки измерительной и индикаторной цепи, а так же осуществляет коммутацию первой индикаторной лампы 4 и транзистора 1 второй индикаторной лампы 5 при этом его входная часть не чувствительна к полярности контролируемого напряжения;

- конденсатор 11 выполняет функции низкочастотного фильтра для питания входной части оптоэлектронного ключа 7;

- неуправляемый однофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 12 осуществляет функции однофазного выпрямителя напряжения;

- неуправляемый многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 14 осуществляет функции многофазного выпрямителя напряжения.

В качестве индикаторных ламп 4, 5 индикатора напряжения могут быть использованы различные типы индикаторных ламп (на основе ламп накаливания, газоразрядных ламп, светодиодных ламп и т.д.). Следует отметить, что конструктивно индикаторные лампы 4 и 5 могут быть выполнены в одном корпусе с одним рассеивателем и тремя выводами для подключения в схему индикатора напряжения.

Работа индикатора напряжения происходит следующим образом.

При наличии в контролируемой сети постоянного тока 9 напряжения соответствующей полярности (Фиг.1) через светодиод оптоэлектронного ключа 7 потечет ток ограниченный сопротивлением первого резистора 2. При этом сработает и включится ключ выходной части оптоэлектронного ключа 7, при этом к первой индикаторной лампе 4 и ко второму резистору 3 будет приложено постоянное напряжение блока питания 6. Первая индикаторная лампа 4 будет светиться, сигнализируя о наличии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9. С учетом того что ключ выходной части оптоэлектронного ключа 7 находится во включенном состоянии база транзистора 1 через дополнительный резистор 8 будет притянута к эмиттеру транзистора 1 и минусовому выводу блока питания 6. При этом транзистор 1 находится в закрытом состоянии, а вторая индикаторная лампа 5 не светится.

При отсутствии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9 ток через светодиод оптоэлектронного ключа 7 не течет и соответственно ключ выходной части оптоэлектронного ключа 7 находится в разомкнутом состоянии. При этом к базе транзистора 1 относительно его эмиттера через параллельно соединенные второй резистор 3 и первую индикаторную лампу 4 и последовательно соединенный с ними дополнительный резистор 8 будет приложено напряжение блока питания 6. Через базу в эмиттер транзистора 1 потечет ток ограниченный величиной сопротивления дополнительного резистора 8 и последовательно соединенной с ним цепочкой образованной параллельным соединением второго резистора 3 и первой индикаторной лампы 4. При этом транзистор 1 открывается и коммутирует цепь питания второй индикаторной лампы 5. При этом ко второй индикаторной лампе 5 будет приложено напряжение блока питания 6 за исключением падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора 1 в его открытом состоянии. Индикаторная лампа 5 будет светиться, сигнализируя об отсутствии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9. Первая индикаторная лампа 4 при этом не светится, так как напряжение на ней недостаточное для ее свечения. Второй резистор 3 предназначен для уменьшения тока протекающего через первую индикаторную лампу 4 в моменты времени, когда ключ выходной части оптоэлектронного ключа 7 находится в разомкнутом состоянии тем самым исключая “подсветку” первой индикаторной лампы 4.

Таким образом, при исправной схеме индикатора напряжения всегда будет светиться одна из индикаторных ламп: первая индикаторная лампа 4 – при наличии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9; вторая индикаторная лампа 5 – при отсутствии напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9. При этом эксплуатирующий или обслуживающий персонал может четко идентифицировать наличие либо отсутствие напряжения в контролируемой сети постоянного тока 9. Отсутствие свечения обоих индикаторных ламп 4, 5 будет свидетельствовать об отсутствий питания блока питания 6, либо неисправности элементов индикатора напряжения.

Для расширения функциональных возможностей индикатора напряжения, схема которого представлена на Фиг.2, он может быть снабжен оптоэлектронным ключом 10, который содержит два встречно параллельно включенных светодиода входной части оптоэлектронного ключа 10. При этом такой индикатор напряжения способен подключаться к контролируемой сети постоянного тока 9 без соблюдения полярности подключения входной части индикатора напряжения, как это было необходимо сделать на схеме, изображенной на Фиг.1. Схема индикатора напряжения, изображенная на Фиг.2, является более универсальной, для которой не важна цоколёвка подключения его входной части. Кроме того, в такой схеме невозможно вывести из строя входную часть оптоэлектронного ключа 7 от неправильной полярности подключения индикатора напряжения к контролируемой сети постоянного тока 9.

Для расширения функциональных возможностей индикатора напряжения, схема которого представлена на Фиг.3, он может быть снабжен дополнительными конденсатором 11 и неуправляемым однофазным двухполупериодным выпрямителем напряжения 12. Неуправляемый однофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 12 осуществляет функции однофазного выпрямителя, а конденсатор 11 выполняет функции низкочастотного фильтра для питания входной части оптоэлектронного ключа 7. При этом такой индикатор напряжения обладает свойством универсальности и может осуществлять контроль наличия либо отсутствия напряжения контролируемой сети 13 как постоянного, так и однофазного переменного тока. Следует отметить, что при такой схеме подключения индикатора напряжения в контролируемой сети 13 на постоянном токе также неважна полярность подключения выводов переменного тока неуправляемого однофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 12 к контролируемой сети 13.

При необходимости контроля наличия либо отсутствия напряжения в многофазной электрической цепи переменного тока индикатор напряжения, схема которого представлена на Фиг.4 содержит конденсатор 11 и неуправляемый многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 14. Неуправляемый многофазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 14 осуществляет функции многофазного выпрямителя, а конденсатор 11 выполняет функции низкочастотного фильтра для питания входной части оптоэлектронного ключа 7. При этом такой индикатор напряжения обладает свойством универсальности и может осуществлять контроль наличия либо отсутствия напряжения контролируемой сети как постоянного, так и переменного тока. При контроле напряжения в многофазной контролируемой сети 15 индикатор напряжения способен осуществлять контроль наличия напряжения любой фазности, равной либо меньшей фазности неуправляемого многофазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 14.

Предложенная схема индикатора напряжения может быть использована для индикации наличия либо отсутствия контролируемого напряжения в любых существующих электрических сетях либо может быть использована в различных электрических преобразователях для осуществления безопасной индикации наличия напряжения. Схема отличается простотой, минимальным энергопотреблением, содержит минимальное количество элементов, а также обеспечивает высокую степень электробезопасности как самой контролируемой установки, так и эксплуатирующего и обслуживающего ее персонала. Кроме того, схема индикатора напряжения отличается универсальностью и может работать как на постоянном, так и переменном токе.

Изобретение было создано на кафедре «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели и собранном макетном образце. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».