Преобразователь напряжения в ток

Область применения: Электротехника, может быть использован в автоматизированных системах электроснабжения пассажирских вагонов с электрогенераторами независимого возбуждения. Суть полезной модели: Преобразователь напряжения в ток, который содержит резистивный мост с термодатчиком в одном плече, к одной диагонали моста присоединен выход блока питания с положительным напряжением, к другой - входы дифференциального операционного усилителя с биполярным питанием, к выходу операционного усилителя подключены входы ограничителя положительного напряжения, первого адресного и второго входа данных аналогового КМОП демультиплексора, к первому входу данных присоединен нагрузочный резистор, второй адресный вход подключен к шине "Общий", вход разрешения выходным данным демультиплексора соединен с термодатчиком, выход демультиплексора соединен со входом резистивного делителя, подключенного к аккумуляторной батарее, выход делителя через ШИМ-компаратор и драйвер присоединен ко входу управления силового ключа инвертора, запитываемого от электрогенератора и нагруженного на его обмотку возбуждения.

Технический результат: Повышение надежности и качества регулирования напряжения.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в автоматизированных системах электроснабжения пассажирских вагонов с электрогенераторами независимого возбуждения.

Известен наиболее близкий по технической сути преобразователь напряжения в ток (см. Устройство управления зарядным напряжением в зависимости от температуры ЕВТ71. Схема электрическая 2471.071-974:61/9 стр.1, Германия, 1992 г., Устройство регулирования и управления системы автономного электроснабжения ДУУГ 28Б. Техническое описание 2470.072 - 973:61/9 стр.4,5, Германия, 1993 г.), который содержит резистивный мост с термодатчиком в одном плече, к одной диагонали моста присоединен выход блока питания с положительным напряжением, к другой - входы дифференциального операционного усилителя с биполярным питанием и аноды двух встречно включенных диодов привязки, их катоды соединены с резистором базы рnр транзистора узла индикации обрыва термодатчика, в коллекторную цепь этого транзистора включен светодиод, эмиттер подключен ко входу задатчика тока смещения и через токоограничивающие резисторы соответственно к базе рnр транзистора двунаправленного коммутатора тока и выходу блока питания с положительным напряжением, выход задатчика тока смещения соединен со входом встроенного в операционный усилитель стабилизатора - регулятора, выход операционного усилителя подключен к аноду отсекающего диода, его катод соединен с эмиттером транзисторного коммутатора тока, резистивный делитель подключен к аккумуляторной батарее, со входом этого делителя соединен коллектор транзисторного коммутатора тока, выход делителя подключен ко входу ШИМ-компаратора, выход ШИМ-компаратора через драйвер соединен со входом управления силового ключа инвертора, выход электрогенератора через разделительные диоды соединен соответственно со входом питания инвертора и входами аккумуляторной батареи и блока биполярного питания, к выходу инвертора подключена обмотка возбуждения электрогенератора, входы питания ШИМ-компаратора и драйвера подключены к выходу блока питания с положительным напряжением.

Недостатками этого преобразователя есть:

1. Неограниченное уменьшение напряжения установки при повышении температуры в зоне размещения аккумуляторной батареи. Это может привести к выключению некоторых электропотребителей вагона (например, таких как кондиционер, вентилятор) и к сокращению сервисных услуг для пассажиров.

2. Низкая точность коммутации сигналов диодно-транзисторным двунаправленным переключателем тока из-за нелинейности рабочей области его выходной вольтамперной характеристики.

3. Низкая надежность известного переключателя тока. Поскольку работа его транзисторного ключа зависит от выходного напряжения дифференциального операционного усилителя и состояния узла индикации обрыва термодатчика, то при определенных отказах этого узла ключевой транзистор будет заблокирован, произойдет при подключенном и исправном термодатчике ложный перевод системы в режим ограничения напряжения установки на заданном уровне. Кроме того, некоторые неисправности узла индикации приводят к изменению параметров регулирования напряжения. Причем, когда это происходит, невозможно однозначно определить "слабое" место, что затрудняет эксплуатацию. В основу полезной модели поставлена задача:

- обеспечить ограничение напряжения установки на уровне несколько превышающем необходимый для включения энергоемких потребителей и стабилизацию его в диапазоне положительных рабочих температур;

- повысить надежность, для этого необходимо минимизировать влияние вспомогательного технологического узла индикации обрыва термодатчика на двунаправленный коммутатор тока, т.е. на основную работу регулятора напряжения;

- использовать в качестве двунаправленного коммутатора тока аналоговый переключатель на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением по постоянному току, линейностью характеристик и возможностью размыкания выхода по специальной команде.

Поставленная задача решается тем, что преобразователь напряжения в ток содержит резистивный мост с термодатчиком в одном плече, к одной диагонали моста присоединен выход блока питания с положительным напряжением, к другой - входы дифференциального операционного усилителя с биполярным питанием и аноды двух встречно включенных диодов привязки, их катоды соединены с резистором базы рnр транзистора узла индикации обрыва термодатчика, в коллекторную цепь этого транзистора включен светодиод, эмиттер подключен ко входу задатчика тока смещения и через токоограничивающий резистор - к выходу блока питания с положительным напряжением, выход задатчика тока смещения соединен со входом встроенного в операционный усилитель стабилизатора-регулятора, резистивный делитель подключен к аккумуляторной батарее, двунаправленный коммутатор тока подключен между выходом операционного усилителя и входом резистивного делителя, выход делителя соединен со входом ШИМ-компаратора, к выходу ШИМ-компаратора подключен вход драйвера, его выход - ко входу управления силового ключа инвертора, выход электрогенератора через разделительные диоды соединен соответственно со входом питания силового ключа инвертора и входами аккумуляторной батареи и биполярного блока питания, выход силового ключа инвертора подключен к обмотке возбуждения электрогенератора, в соответствии с полезной моделью в него дополнительно введен ограничитель положительного напряжения, а в качестве двунаправленного коммутатора тока - аналоговый комплементарный, металлоксид-полупроводниковый (КМОП) демультиплексор, входы ограничителя напряжения, первого адресного и второго входа данных демультиплексора соединены с выходом операционного усилителя, к первому входу данных подключен нагрузочный резистор, выход демультиплексора соединен со входом резистивного делителя, второй адресный вход демультиплексора подключен к шине "общий", вход разрешения выходным данным демультиплексора соединен с термодатчиком.

Суть полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная блок-схема предложенного преобразователя напряжения в ток, на фиг.2 - характеристика регулирования напряжения установки в зависимости от температуры (качественная).

Предложенный преобразователь напряжения в ток 1 состоит из резистивного моста 2 (R1..R4 с термодатчиком R2 и диодами привязки VD1, VD2), дифференциального операционного усилителя 3 с биполярным питанием, резистора базы 4, транзисторного узла индикации обрыва термодатчика 5, задатчика тока смещения 6, ограничителя положительного напряжения 7, аналогового КМОП демультиплексора 8 с дешифратором 9, нагрузочного резистора 10, резистивного делителя 11, ШИМ-компаратора 12, драйвера 13, силового ключа инвертора 14, обмотки возбуждения 15 электрогенератора 16, аккумуляторной батареи 17, разделительных диодов 18, 19, биполярного блока питания 20.

Преобразователь напряжения в ток 1 с подключенным и исправным термодатчиком R2 работает следующим образом.

При включении системы электроснабжения вагона от аккумуляторной батареи 17 запитывается блок питания 20 и от него резистивный мост 2 и вся логика 3, 5, 6, 8, 12, 13 преобразователя напряжения в ток 1. Опорное положительное напряжение от общей точки соединения резисторов R3, R4 резистивного моста 2 подводится к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя 3 с биполярным питанием. На неинвертирующий вход этого усилителя и вход разрешения Е демультиплексора 8 подается термозависимое падение напряжения с термодатчика R2 моста. Величина его соответствует низкому уровню для КМОП-структуры. Усиленная разность двух входных напряжений управляет работой аналогового КМОП демультиплексора 8 через встроенный дешифратор 9. В качестве термодатчика R2 применен термопреобразователь сопротивления с чувствительным элементом из меди (ТСМ). При помощи задатчика тока смещения 6 устанавливают режим работы встроенного в дифференциальный усилитель 3 стабилизатора-регулятора, который определяет выходные параметры усилителя.

Регулировкой обеспечивают нулевое значение выходного напряжения дифференциального усилителя 3 при некотором начальном значении температуры. Изменением коэффициента усиления операционного усилителя 3 получают требуемое значение температурной чувствительности [мВ/k] выходного напряжения, величина которого соответствует значениям логических уровней КМОП демультиплексора с учетом его напряжения питания.

Как только при положительной температуре окружающей среды вблизи аккумуляторной батареи 17 напряжение на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 3 превысит опорное напряжение на его инвертирующем входе, тогда выходное напряжение усилителя будет высокого уровня. Очевидно, что при отрицательной температуре выходное напряжение операционного усилителя будет низкого уровня. Управление работой демультиплексора осуществляется в соответствии с таблицей.

При активном уровне Е (присутствует напряжение низкого уровня) на выход с демультиплексора 8 передается тот сигнал, который присутствует на выбираемом входе. Если на вход Е подать напряжение высокого уровня, то независимо от состояния адресных входов A1, A2 выход демультиплексора разомкнется, перейдет в высокоимпедансное Z-состояние.

Из таблицы следует, что при указанном на фиг.1 подключении дешифратор 9 демультиплексора 8 позволяет при высоком уровне сигнала на адресном входе Al и низком на входах A2 и Е передать данные с выхода дифференциального усилителя 3 через канал D2 на вход резистивного делителя 11 и при низком уровне на входах A1, A2 и Е замкнуть вход резистивного делителя 11 через канал D1 на нагрузочный резистор 10. Промасштабированное резистивным делителем 11 рабочее напряжение аккумуляторной батареи 17 суммируется со смещением от демультиплексора 8. Суммарный сигнал сравнивается с напряжением уставки на входе ШИМ-компаратора 12, усиливается и сравнивается с пилообразным напряжением модулятора, в результате образуются прямоугольные импульсы изменяющейся длительности, которые через драйвер 13 управляют силовым ключом инвертора 14. Причем, по мере приближения уровня сигнала на входе ШИМ-компаратора 12 к уровню напряжения уставки длительность импульсов на выходе модулятора изменяется от максимальной рабочей до нуля. Импульсы на обмотке возбуждения 15 определяют величину выходного напряжения электрогенератора 16: при увеличении длительности импульсов генераторное напряжение растет и наоборот. В условиях повышенных температур в зоне размещения аккумуляторной батареи 17, чем больше уровень положительного напряжения с выхода операционного усилителя 3 и, следовательно, больше вытекающий ток из преобразователя 1 в сторону резистивного делителя 11, тем больше уровень сигнала на входе ШИМ-компаратора и тем меньше длительность импульсов возбуждения и величина генераторного напряжения. Для недопущения в эксплуатации уменьшения напряжения установки за пределы допустимых значений на выходе операционного усилителя 3 подключен ограничитель положительного напряжения 7. При отрицательных рабочих температурах и соответственно низком уровне напряжения на выходе операционного усилителя 3 втекающий в преобразователь 1 ток с резистивного делителя 11 через канал D1 демультиплексора 8 и нагрузочный резистор 10 приводит к уменьшению напряжения на входе ШИМ-компаратора, расширению длительности импульсов возбуждения до максимального рабочего значения, к увеличению генераторного напряжения. Вцелом, при работающем электрогенераторе обеспечивается регулирование его выходного напряжения в зависимости от температуры в месте размещения аккумуляторной батареи 17 за счет изменения длительности импульсов в обмотке возбуждения 15. Качественная характеристика регулирования напряжения установки в зависимости от температуры приведена на фиг.2.

Разделительный диод 18 исключает запитку силового ключа инвертора 14 при основной работе непосредственно от аккумуляторной батареи 17 и ее же возможный разряд через статорную обмотку электрогенератора 16. Диод 19 необходим для обеспечения диагностического контроля инвертора при неработающем электрогенераторе 16.

В режиме штатной работы падение напряжения на резисторе базы 4 от тока с выходной диагонали резистивного моста 2 (через диоды привязки VD1, VD2) меньше напряжения на эмиттере, при этом рnр транзистор узла 5 открыт и включенный в коллекторную цепь светодиод будет светиться, что сигнализирует об исправности термодатчика R2 и целостности его линий связи с преобразователем. В случае обрыва термодатчика R2 или линий его связи с преобразователем напряжение на входе Е демультиплексора 8 и на резисторе базы 4 будет примерно равно положительному напряжению с выхода блока питания 20, т.е. соответствовать высокому уровню. В этом случае

- выход демультиплексора 8 отключается от входа резистивного делителя 11 и система переходит в режим ограничения напряжения на уровне, соответствующем основному отрегулированному значению;

- рnр транзистор узла 5 запирается по базо-эмиттерному переходу, светодиод "обрыв термодатчика" перестает светиться, что сигнализирует о браковой ситуации.

Таким образом реализованная в соответствии с фиг.2 характеристика регулирования с двусторонним ограничением напряжения установки исключает как перезаряд аккумуляторной батареи при отрицательных температурах, так и выключение потребителей при максимальных положительных температурах окружающей среды в зоне размещения батареи, тем самым позволяет сохранить запланированный перечень сервисных услуг для пассажиров вагона.

За счет большого входного сопротивления КМОП-структуры вывод разрешения Е демультиплексора подключен непосредственно к термодатчику, что уменьшает вероятность ложного перевода системы в режим ограничения напряжения на уровне, соответствующем основному отрегулированному значению. Кроме более высокой надежности интегральный демультиплексор обеспечивает стабильность параметров при воздействии дестабилизирующих факторов, упрощает операции регулировки, позволяет уменьшить потребляемую мощность.

Преимуществом аналогового КМОП демультиплексора является возможность передачи сигналов с высокой точностью, так как у такого переключателя линейная область выходных вольт-амперных характеристик, он не имеет нулевого остаточного напряжения и способен без искажений передавать сигналы с различными амплитудами и любой полярности.

Работа аналогового КМОП демультиплексора практически не зависит от состояния узла индикации обрыва термодатчика и в случае дефекта последнего, легко определяется по косвенным признакам отказавший элемент. При этом не нарушается основной режим - регулирование напряжения установки.

Преобразователь напряжения в ток, который содержит резистивный мост с термодатчиком в одном плече, к одной диагонали моста присоединен выход блока питания с положительным напряжением, к другой - входы дифференциального операционного усилителя с биполярным питанием и аноды двух встречно включенных диодов привязки, их катоды соединены с резистором базы pnp транзистора узла индикации обрыва термодатчика, в коллекторную цепь этого транзистора включен светодиод, эмиттер подключен ко входу задатчика тока смещения и через токоограничивающий резистор - к выходу блока питания с положительным напряжением, выход задатчика тока смещения соединен со входом встроенного в операционный усилитель стабилизатора-регулятора, резистивный делитель подключен к аккумуляторной батарее, двунаправленный коммутатор тока подключен между выходом операционного усилителя и входом резистивного делителя, выход делителя соединен со входом ШИМ-компаратора, к выходу ШИМ-компаратора подключен вход драйвера, его выход - ко входу управления силового ключа инвертора, выход электрогенератора через разделительные диоды соединен соответственно со входом питания силового ключа инвертора и входами аккумуляторной батареи и биполярного блока питания, выход силового ключа инвертора подключен к обмотке возбуждения электрогенератора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен ограничитель положительного напряжения, а в качестве двунаправленного коммутатора тока - аналоговый КМОП- демультиплексор, входы ограничителя напряжения, первого адресного и второго входа данных демультиплексора соединены с выходом операционного усилителя, к первому входу данных подключен нагрузочный резистор, выход демультиплексора соединен со входом резистивного делителя, второй адресный вход демультиплексора подключен к шине "общий", вход разрешения выходным данным демультиплексора соединен с термодатчиком.