Программируемое устройство автоматизированного контроля параметров источников вторичного электропитания

Полезная модель относится к радиоэлектронике и вычислительной технике и может быть использована для автоматизированного контроля параметров различных источников вторичного электропитания (ИВЭП), например, для составных частей беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Сущность полезной модели состоит в том, что в программируемом устройстве автоматизированного контроля параметров источника вторичного электропитания (ИВЭП), содержащем блок внутреннего электропитания, рабочую станцию (PC), управляющий контроллер (УК) в виде программируемых нагрузок (ПН) и блока управления (БУ), в состав введены мультиметр, программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН) и блок контроля пробоя изоляции (БКПИ), блок внешнего питания снабжен автоматическим выключателем (АВ), УК снабжен блоком коммутации (БК), ПН подключены к БК независимо друг от друга и образуют, по меньшей мере, два независимых канала нагрузки выходов контролируемого ИВЭП, а каждая ПН выполнена в виде МОП-транзистора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), операционного усилителя (ОУ) и реле для проверки защиты от короткого замыкания (КЗ). Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении возможности контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения, проверки при различных напряжениях питания, проверки электрической прочности изоляции и оценки безопасности электрооборудования ИВЭП, контроля параметров ИВЭП с двухканальным выходом, прецизионной установки испытательного тока нагрузки, а также проверки защиты от КЗ.

Полезная модель относится к радиоэлектронике и вычислительной технике и может быть использована для автоматизированного контроля параметров различных источников вторичного электропитания (ИВЭП), например, для составных частей беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

За прототип выбран имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов по Патенту РФ на полезную модель 75755 U1, 2008 г., МПК G01R 31/02, G01R 31/40, 2008 г., опубл. 20.08.2008 г. Бюл. 23.

Устройство-прототип содержит блок внешнего электропитания, блок внутреннего электропитания, ЭВМ* (^*) рабочую станцию, наименование в заявляемом комплексе), управляющий контроллер в виде нагрузочных модулей* (программируемых нагрузок) на основе наборов управляемых ключевых транзисторных элементов, соединенных с резисторами, и блока управления.

Недостатками устройства-прототипа являются:

- невозможность контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемого ИВЭП из-за отсутствия мультиметра и блока коммутации (БК);

- невозможность проверки контролируемого ИВЭП при различных напряжениях питания из-за отсутствия программируемого источника испытательного напряжения (ПИИН) и БК;

- невозможность проверки электрической прочности изоляции контролируемого ИВЭП из-за отсутствия блока контроля пробоя изоляции (БКПИ) и БК;

- невозможность контроля параметров ИВЭП с двухканальным выходом из-за параллельного (зависимого друг от друга) подключения нагрузочных модулей, что не обеспечивает независимые каналы нагрузки выходов контролируемого ИВЭП;

- невозможность прецизионной установки испытательного тока нагрузки (недостаточное количество градаций) из-за зависимости дискретности тока нагрузки от количества наборов управляемых ключевых транзисторных элементов с резисторами, поскольку отсутствует плавная регулировка испытательного тока нагрузки;

- невозможность проверки защиты от короткого замыкания (КЗ) из-за отсутствия соответствующего реле, установленного между выходами контролируемого ИВЭП.

Целью полезной модели является обеспечение контроля параметров различных ИВЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки, электрической прочности изоляции входных и выходных цепей.

Решаемой задачей являются:

- обеспечение возможности контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемого ИВЭП введением мультиметра и БК;

- обеспечение возможности проверки контролируемого ИВЭП при различных напряжениях питания введением программируемого источника испытательного напряжения (ПИИН) и БК;

- обеспечение возможности проверки электрической прочности изоляции контролируемого ИВЭП комплекса введением БКПИ и БК;

- обеспечение возможности контроля параметров ИВЭП с двухканальным выходом путем независимого друг от друга подключения программируемых нагрузок (ПН), с образованием, по меньшей мере, двух независимых каналов нагрузки выходов контролируемого ИВЭП;

- обеспечение возможности прецизионной установки испытательного тока нагрузки путем выполнения ПН в виде МОП-транзистора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и операционного усилителя (ОУ),

МОП-транзистор - МОП-структура (металл - оксид - полупроводник) - наиболее широко используемый тип полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем диоксида кремния (SiO₂). Транзисторы на основе МОП-структур называют полевыми или МОП-транзисторами (англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET) [Свободная энциклопедия Википедия];

- обеспечение возможности проверки защиты от КЗ установкой реле между выводами истока и стока МОП-транзистора в составе ПН, и соединение его через БК с выходами контролируемого ИВЭП.

Сущность полезной модели состоит в том, что в программируемом устройстве автоматизированного контроля параметров источника вторичного электропитания (ИВЭП), содержащем блок внутреннего электропитания, рабочую станцию (РС), управляющий контроллер (УК) в виде программируемых нагрузок (ПН) и блока управления (БУ), в состав введены мультиметр, программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН) и блок контроля пробоя изоляции (БКПИ), УК снабжен блоком коммутации (БК), ПН подключены к БК независимо друг от друга и образуют, по меньшей мере, два независимых канала нагрузки выходов контролируемого ИВЭП, а каждая ПН выполнена в виде МОП-транзистора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), операционного усилителя (ОУ) и реле для проверки защиты от короткого замыкания (КЗ), при этом ко входу ЦАП каждой ПН подключен первый выход БУ, выход ЦАП соединен со входом ОУ, выход ОУ соединен с затвором МОП-транзистора, а исток и сток последнего соединены через БК с выходами контролируемого ИВЭП, вход которого через БК соединен с входом мультиметра и выходами ПИИН и БКПИ, реле подключено параллельно упомянутому МОП-транзистору между выводами его истока и стока, первый вход-выход РС подключен ко входу-выходу УК, второй вход-выход РС подключен ко входу-выходу мультиметра, третий вход-выход РС подключен ко входу-выходу ПИИН, а четвертый вход-выход РС - ко входу-выходу БКПИ, первый выход БК подключен ко входу мультиметра, второй выход БК подключен ко входу контролируемого ИВЭП, выходы которого подключены к первому и второму входам БК, к третьему и четвертому входам БК подключены выходы ПН, к пятому входу БК подключен второй выход БУ, к шестому входу БК подключен выход ПИИН, а к седьмому входу БК - выход БКПИ.

Сущность полезной модели поясняется также функциональными схемами комплекса и программируемой нагрузки, и показанным соответственно на фиг. 1 и 2, на схемах приняты следующие обозначения:

1 - блок внутреннего электропитания,

2 - рабочая станция (РС),

3 - управляющий контроллер (УК),

4 - программируемые нагрузки (ПН);

5 - МОП-транзистор;

6 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

7 - операционный усилитель (ОУ);

8 - реле для проверки защиты от короткого замыкания (КЗ);

9 - блок управления (БУ);

10 - блок коммутации (БК);

11 - мультиметр;

12 - программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН);

13 - блок контроля пробоя изоляции (БКПИ).

Описание устройства в соответствии с функциональными схемами

Все составные части заявляемого устройства установлены в металлическом корпусе** (^**) на схеме не показан) с лицевой панелью** и находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы** составных частей, а также монтажными жгутами** и перемычками**, т.е. технический результат обеспечивается совокупностью признаков всех элементов конструкции, при этом исключение одного из элементов конструкции исключает и возможность функционирования комплекса в целом.

Блок внешнего питания (в состав заявляемого устройства не входит и на схеме не обозначен) предназначен для распределения сетевого напряжения ~220 В, 50 Гц по блокам (составным частям) комплекса, а автоматический выключатель (АВ в состав заявляемого устройства не входит и на схеме не обозначен) предназначен для защиты работающего с комплексом персонала от поражений электрическим током, в результате возможного пробоя изоляции электрической цепи ~220 В на корпус вследствие короткого замыкания или перегрузки.

Блок внутреннего электропитания 1 предназначен для формирования напряжения +5 В и +12 В для электропитания УК 3.

Рабочая станция (РС) 2 может быть выполнена в виде персонального компьютера (ПК)**, установлена на лицевой панели корпуса и предназначена для формирования сигналов управления УК 3, производства анализа результатов измерений, их индикации и распечатки, управления измерительными приборами, обеспечения интерфейса с пользователем посредством программного обеспечения, а также для хранения протоколов измерений.

Управляющий контроллер (УК) 3 предназначен для управления ПН 4 через БУ 9 и БК 10 и обратной связи с РС 2. УК 3 состоит из двух программируемых нагрузок (ПН) 4, блока управления (БУ) 9 и блока коммутации (БК) 10.

ПН 4 предназначены для имитации различных нагрузок ИВЭП.

Каждая ПН 4 состоит из силового МОП-транзистора (VT1) 5, цифро-аналового преобразователя (ЦАП) 6, операционного усилителя (ОУ) 7 и реле (К1) 8 для проверки работы защиты от короткого замыкания (КЗ) контролируемого ИВЭП.

МОП-транзистор 5 предназначен для обеспечения необходимых токов нагрузки на выходах контролируемого ИВЭП.

ЦАП 6 предназначен для преобразования сигнала от БУ 9 в соответствии с командой от РС 2, и передачи его ОУ 7.

ОУ 7 предназначен для управления через затвор*** (^***) на схеме не обозначен) силовым МОП-транзистором 5, работающем в активном режиме и способным рассеять до 50 Вт, при этом исток и сток*** МОП-транзистора 5 через БК 10 подключены к выходам контролируемого ИВЭП.

Реле 8 предназначено для проверки работы защиты от КЗ контролируемого ИВЭП, установлено параллельно МОП-транзистору 5 между выводами его истока и стока и соединено с выходами контролируемого ИВЭП.

БУ 9 предназначен для приема управляющих команд от РС 2 и управления в соответствии с этими командами БК 10 и ПН 4.

БК 10 состоит из силовых и высоковольтных реле** и предназначен для коммутации измерительных сигналов мультиметра 11, для подключения и отключения ПИИН 12, от ИВЭП, а также для коммутации БКПИ 13.

Мультиметр 11 представляет собой универсальный вольтметр и предназначен для измерения входного и выходного напряжения и тока контролируемого ИВЭП.

Программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН) 12 предназначен для формирования и подачи через БК 10 различных напряжений на контролируемый ИВЭП.

Блок контроля пробоя изоляции (БКПИ) 13 предназначен для испытаний электрической прочности изоляции высоким напряжением между входом, выходом и корпусом** контролируемого ИВЭП.

Описание работы устройства в соответствии с функциональными схемами

Устанавливают в корпус блок внутреннего питания 1, РС 2, УК 3, мультиметр 11, ПИИН 12 и БКПИ 13.

Собирают схему устройства, при этом внутренний электромонтаж производят через разъемы составных частей, а также монтажными жгутами и перемычками (при необходимости).

Вход блока внешнего питания (на схеме не обозначен) подключают к сети промышленного напряжения 220 В, 50 Гц, а его выходы соединяют с входами электропитания** блока внутреннего электропитания 1, РС 2, мультиметра 11, ПИИН 12 и БКПИ 13.

Выходы (+5 В и +12 В) блока внутреннего электропитания 1 подключают ко входам электропитания*** УК 3.

Первый управляющий вход-выход РС 2 через интерфейс USB** подключают ко входу-выходу*** УК 3, второй вход-выход РС 2 подключают ко входу-выходу*** мультиметра 11, третий вход-выход РС 2 подключают ко входу-выходу*** ПИИН 12, а четвертый вход-выход РС 2 подключают ко входу-выходу*** БКПИ 13.

Первый выход БУ 9 подключают ко входам*** ПН 4, а второй выход БУ 9 - к пятому входу БК 10.

К первому выходу БК 10 подключают вход*** мультиметра 11, ко второму выходу БК 10 подключают вход*** контролируемого ИВЭП, к первому и второму входам БК 10 подключают выходы контролируемого ИВЭП, к третьему и четвертому входам БУ 9 подключают выходы*** ПН 4, к пятому входу БК 10 подключают второй выход БУ 9, к шестому входу БК 10 подключают выход*** ПИИН 12, а к седьмому входу БК 10 - выход БКПИ 13.

Включают в сеть 220 В, 50 Гц блок внешнего питания, от него напряжение питания подается на блок внутреннего электропитания 1, РС 2, мультиметр 11, ПИИН 12 и БКПИ 13. После подачи напряжения питания на РС 2 загружается операционная система, запускается программа управления. Программа управления предварительно запускает процедуру самотестирования комплекса. Эта процедура проверяет связи управления с приборами по интерфейсу GPIB** - мультиметром, ПИИН 12 и БКПИ 13, проверяет наличие связей управления по интерфейсу USB** с УК 3 и его составными частями - ПН 4, БУ 9 и БК 10, проверяет наличие напряжений питания блока внутреннего питания 1 +12 В и +5 В.

Блок внутреннего питания 1 формирует напряжение +5 В и +12 В и обеспечивает электрические режимы работы УК 3.

По командам от РС 2 устанавливается необходимое испытательное напряжение контролируемого ИВЭП, при этом контроль установленного напряжения осуществляется мультиметром 11 в режиме измерения напряжения.

БУ 9 принимает управляющие команды от РС 2 и управляет ПН 4 и БК 10.

БК 10 осуществляет следующие функции:

- коммутирует испытательное напряжение ПИИН 12 на вход проверяемого ИВЭП;

- коммутирует ПН 4 на выход проверяемого ИВЭП;

- коммутирует мультиметр 11 для измерения входного напряжения проверяемого ИВЭП;

- коммутирует мультиметр 11 для измерения выходного напряжения проверяемого ИВЭП;

- коммутирует мультиметр 11 для измерения входного тока проверяемого ИВЭП;

- коммутирует мультиметр 11 для измерения выходного тока наПН4 первого канала** проверяемого ИВЭП;

- коммутирует мультиметр 11 для измерения выходного тока на программируемую нагрузку второго канала** проверяемого ИВЭП;

- коммутирует БКПИ 13 для проверки изоляции между входом и выходом контролируемого ИВЭП, при этом мультиметр 11, ПИИН 12 и обе ПН 4 отключаются от входа ИВЭП.

ПН 4 имитируют нагрузку в широких пределах с дискретом от 0 до 64536 ступеней (16 бит) напряжением до 100 В и мощностью до 50 Вт. Данные от БУ 9 поступают в ЦАП 6, где запоминаются во встроенном регистре. На выходе ЦАП 6 формируется напряжение пропорционально установленному значения в регистре от 0 до 5 В, единица младшего разряда соответствует 7,63×10^-5 В, с выхода ЦАП 6 сигнал поступает на ОУ 7, при этом последний уменьшает ошибки преобразования ЦАП 6, увеличивает выходное сопротивление нагрузки ЦАП 6, управляет мощным МОП-транзистором 5 и задает рабочую характеристику его работы. С выхода ОУ 7 сигнал поступает на затвор*** МОП-транзистора 5. Режим работы транзистора подобран так, что бы он работал в активном режиме и создавал нагрузку линейно установленному значению в регистре** ЦАП 6. Выходы МОП-транзистора 5 - исток и сток*** подключены через блок коммутации к выходам*** проверяемого ИВЭП.

Реле 8 осуществляет проверку работы защиты ИВЭП от короткого замыкания и управляется БУ 9, при этом контакты*** реле замыкают и размыкают выходы проверяемого ИВЭП.

Таким образом, переключая режимы работы БУ 9, изменяя испытательное напряжение на ПИИН 12 (входное напряжение проверяемого ИВЭП), получая данные о токе и напряжениях от мультиметра 11 и изменяя нагрузку с помощью ПН 4 по двум независимым каналам нагрузки выходов ИВЭП, РС 2 осуществляет контроль параметров ИВЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки, электрической прочности изоляции входных и выходных цепей в полном объеме при различных нагрузках. Кроме того, РС 2 производит анализ результатов контроля параметров ИВЭП, их индикацию и распечатку, а также обеспечивает хранение протоколов измерений и осуществляет интерфейс с пользователем посредством программного обеспечения.

Программа комплекса позволяет производить:

- самодиагностику;

- контроль параметров ИВЭП, с возможностью выдачи результатов на печатающее устройство (принтер);

- ввод паспортных данных на контролируемый ИВЭП.

Заявляемое устройство предназначено для проведения автоматизированного контроля параметров ИВЭП - тока потребления, выходного напряжения, пульсации выходного напряжения, нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки, электрической прочности изоляции входных и выходных цепей, а также проверку защиты от короткого замыкания.

Технические данные устройства:

- проверка двухканальных ИВЭП с любой полярностью;

- максимальное напряжение питания проверяемого источника питания 80 В;

- максимальная мощность программируемых нагрузок 50 Вт;

- проверка электрической прочности изоляции напряжением до 1500 В переменным или постоянным током;

- первичное напряжение электропитания 220 В, частота 50 Гц;

- ток, потребляемый комплексом по цепи 220 В, 50 Гц не более 2,5 А;

- устройство сохраняет параметры при изменении напряжения источника питания 220 В, 50 Гц в пределах от 198 до 242 В;

- масса устройства (75±7,5) кг;

- назначенный срок службы и хранения устройства 5 лет.

Технический результат от использования полезной модели и совокупность отличительных признаков для его достижения:

- обеспечение возможности контроля параметров нагрузки (ток и напряжение) и входного напряжения контролируемого ИВЭП введением мультиметра и БК;

- обеспечение возможности проверки контролируемого ИВЭП при различных напряжениях питания введением ПИИН и БК;

- обеспечение возможности проверки электрической прочности изоляции контролируемого ИВЭП введением БКПИ и БК;

- обеспечение возможности контроля параметров ИВЭП с двухканальным выходом путем независимого друг от друга подключения ПН, с образованием, по меньшей мере, двух независимых каналов нагрузки выходов контролируемого ИВЭП;

- обеспечение возможности прецизионной установки испытательного тока нагрузки путем выполнения ПН в виде МОП-транзистора, ЦАП и ОУ;

- обеспечение возможности проверки защиты от КЗ установкой реле между выводами истока и стока МОП-транзистора в составе ПН, и соединенного через БК с выходами контролируемого ИВЭП.

Представленные описание и схемы заявляемого устройства позволяют, применяя существующие материалы и унифицированные покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для автоматизированного контроля параметров источника вторичного напряжения, например для составных частей беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Программируемое устройство автоматизированного контроля параметров источника вторичного электропитания, содержащее блок внешнего электропитания, блок внутреннего электропитания, рабочую станцию (PC), управляющий контроллер (УК) в виде программируемых нагрузок (ПН) и блока управления (БУ), отличающееся тем, что в состав введены мультиметр, программируемый источник испытательного напряжения (ПИИН) и блок контроля пробоя изоляции (БКПИ), УК снабжен блоком коммутации (БК), ПН подключены к БК независимо друг от друга и образуют, по меньшей мере, два независимых канала нагрузки выходов контролируемого источника вторичного электропитания, а каждая ПН выполнена в виде МОП-транзистора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), операционного усилителя (ОУ) и реле для проверки защиты от короткого замыкания (КЗ), при этом ко входу ЦАП каждой ПН подключен первый выход БУ, выход ЦАП соединен со входом ОУ, выход ОУ соединен с затвором МОП-транзистора, а исток и сток последнего соединены через БК с выходами контролируемого источника вторичного электропитания, вход которого через БК соединен с входом мультиметра и выходами ПИИН и БКПИ, реле подключено параллельно упомянутому МОП-транзистору между выводами его истока и стока, первый вход-выход PC подключен ко входу-выходу УК, второй вход-выход PC подключен ко входу-выходу мультиметра, третий вход-выход PC подключен ко входу-выходу ПИИН, а четвертый вход-выход PC - ко входу-выходу БКПИ, первый выход БК подключен ко входу мультиметра, второй выход БК подключен ко входу контролируемого источника вторичного электропитания, выходы которого подключены к первому и второму входам БК, к третьему и четвертому входам БК подключены выходы ПН, к пятому входу БК подключен второй выход БУ, к шестому входу БК подключен выход ПИИН, а к седьмому входу БК - выход БКПИ.