устройство для контроля напряжения

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее резистивный делитель, первый вход которого подключен к общей шине, второй вход соединен с входом устройства и с эммиттером первого транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом первого резистора, светодиод, конденсатор, первые выводы которых соединены с общей шиной, второй вывод светодиода соединен с первым выводом второго резистора, второй транзистор, третий резистор, первый вывод которого соединен с коллектором первого транзистора, второй вывод первого резистора соединен с вторым выводом конденсатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля и расширения диапазона контролируемых напряжений, введены три пороговых элемента, источник опорного напряжения, компаратор, семь резисторов, причем средний вывод резистивного делителя соединен с входами первого и второго пороговых элементов, выходы которых через четвертый резистор соединены с инвертирующим входом компаратора, с вторым выводом третьего резистора и с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с входом третьего порогового элемента, с эмиттером второго транзистора и с выходом компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, второй вывод шестого резистора соединен с выходом источника опорного напряжения и с первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен с базой второго транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом второго резистора, второй вывод седьмого резистора соединен с вторым выводом конденсатора, второй выход источника опорного напряжения соединен с общей шиной, выход третьего порогового элемента соединен через девятый резистор с первым выводом десятого резистора и с базой первого транзистора, второй вывод десятого резистора соединен с входом устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для допускового контроля уровня постоянного напряжения источников питания различных устройств при помощи одного элемента индикации, в частности для контроля напряжения бортсети автомобиля.

Известен индикатор постоянного напряжения по а.с. СССР N 1357859, кл. G 01 R 19/165, 1985, содержащий источник питания, два источника опорных напряжений, два компаратора, два управляемых генератора импульсов, элемент индикации. Индикатор постоянного напряжения позволяет осуществлять трехуровневую индикацию с помощью одного индикатора за счет использования только его активного состояния: индикатор постоянно светится, мигает с одной фиксированной частотой, мигает с второй фиксированной частотой.

Недостатками известного устройства являются необходимость двух дополнительных источников опорного напряжения Е_в, Е_н, что при реализации значительно усложняет устройство для использования в малогабаритных электронных блоках. Наличие постоянного свечения индикатора увеличивает потребление электроэнергии от контролируемого источника питания, сокращает время работы устройства за счет увеличения вероятности выхода из строя элемента индикации, ухудшает тепловой режим работы электронного блока за счет постоянного дополнительного нагрева, что для малогабаритных электронных блоков, работающих при повышенных температурах окружающего воздуха, недопустимо. Кроме того, постоянная индикация нормального состояния работы источника питания при наличии нескольких устройств контроля или в условиях напряженной многоуровневой оценки многих параметров повышает утомляемость оператора, ухудшает психофизиологические условия труда, что приводит к ошибочным оперативным оценкам результатов.

Известно устройство контроля напряжения [1]. Устройство одержит два р-n-р-транзистора, два n-р-n-транзистора, резисторы, конденсатор и светоизлучающий диод, который не светится при входном напряжении больше заданного, мигает при снижении входного напряжения меньше заданного и светится при входном напряжении значительно меньше заданного.

Недостатком известного устройства является недостаточная информативность, связанная с тем, что при превышении входного напряжения заданной величины светодиод не светится, т.е. не фиксирует отклонение от нормы.

Известен индикатор уровня постоянного напряжения по а. с. СССР N 1348742, кл. G 01 R 19/165, 1986, содержащий масштабный инвертирующий усилитель, делитель напряжения, регулируемый резистор обратной связи, четыре стабилитрона, резисторы, три светоизлучающих индикатора. При равенстве входного напряжения заданному уровню светится первый светоизлучающий диод, при входном напряжении меньше заданного светится второй светодиод, а при входном напряжении больше заданного светится третий светодиод.

Недостатками известной схемы являются неопределенность состояния при переходе от погасания одного к засветке другого светодиода и наличие в связи с этим переходных процессов. Наличие трех индикаторов затрудняет оперативную оценку состояния электронного блока в сложных условиях при наличии других оцениваемых индикаторов, узкий диапазон контролируемого напряжения, ограниченный величиной напряжения стабилизации стабилитронов, ниже которого происходит срыв питания масштабного усилителя.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является индикатор состояния источника питания [2], содержащий датчик тока нагрузки, два компаратора, два управляемых генератора импульсов, два элемента И-НЕ, светоизлучающий диод.

При напряжении и токе в норме на выходах обоих компараторов нулевые потенциалы, генераторы заторможены и на их выходах - высокие потенциалы, на выходе первого элемента И-НЕ также высокий потенциал, на выходе второго элемента И-НЕ-нулевой потенциал и светоизлучающий диод не горит. Когда напряжение питания меньше заданного, то срабатывает первый компаратор, единица на его выходе запускает первый генератор, при этом на выходе второго генератора и первого элемента И-НЕ - потенциалы, разрешающие прохождение импульсов первого генератора на светоизлучающий диод, который мигает с частотой первого генератора. Когда напряжение питания больше заданного, то срабатывает второй компаратор, запускает второй генератор, при этом на выходах первого генератора и первого элемента И-НЕ - потенциалы, разрешающие прохождение импульсов генератора на светоизлучающий диод, который мигает с частотой второго генератора.

Когда напряжение и ток меньше заданного, то срабатывают оба компаратора, на выходе элемента И-НЕ - нулевой потенциал, запрещающий прохождение импульсов обоих генераторов, при этом на выходе второго элемента И-НЕ единица, и светодиод излучает свет.

Недостатком прототипа является относительно сложная схема устройства с двумя источниками опорного напряжения и двумя управляемыми генераторами, что при реализации существенно усложняет устройство для использования в малогабаритных электронных блоках.

Недостатком устройства является также его неавтономность, связанная с тем, что датчик тока, входящий в генератор, должен быть включен последовательно в минусовую цепь потребителя источника питания, что для мощных потребителей представляет значительные сложности, связанные с величиной резистора и выделяемой на нем мощностью. К недостаткам можно отнести также то, что устройство не позволяет сделать заключение о том, насколько оцениваемые параметры отличаются от порогового значения, фиксируя лишь факт отличия.

Избыточность информации с четырехуровневым видом выходной индикации усложняет оценку состояния источника питания и ведет к перегрузке оператора, что не всегда возможно и необходимо, например, в электронных блоках летательных аппаратов, где практически достаточен двухуровневый сигнал, или для индикации состояния источника питания автомобиля, где удобен и достаточен трехуровневый сигнал, определяющий состояние выходного напряжения источника питания: в норме, больше нормы и меньше нормы.

Целью изобретения является упрощение устройства, увеличение диапазона контролируемых напряжений и повышение его надежности.

Цель достигается тем, что в устройство для контроля напряжения, содержащее источник опорного напряжения, подключенный к входу компаратора, светоизлучающий диод, введены три пороговых элемента, восемь резисторов, транзистор р-n-р-проводимости, конденсатор, ключевой элемент, делитель напряжения, подключенный к выходу контролируемого источника питания и корпусной шине. Средняя точка делителя напряжения соединена с входами первого и второго пороговых элементов, выходами соединенных через первый резистор с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого через второй резистор соединен с источником опорного напряжения. Выход компаратора через третий резистор соединен с его инвертирующим входом, с эмиттером транзистора и входом третьего порогового элемента, коллектор транзистора через четвертый резистор и прямовключенный светоизлучающий диод соединен с корпусной шиной. Выход третьего порогового элемента соединен с первым входом ключевого элемента, второй вход которого подключен к входу устройства, а выход через пятый резистор соединен с инвертирующим входом компаратора и через шестой резистор - с общей точкой седьмого резистора и конденсатора, второй вывод седьмого резистора соединен с неинвертирующим входом компаратора, а вторая обкладка конденсатора - с корпусной шиной, база транзистора через восьмой резистор соединена с выходом источника опорного напряжения.

Новизна технического решения заключается во введении на входе компаратора двух пороговых элементов, подключенных к выходу делителя напряжения, обеспечивающих допусковый двухуровневый контроль входного напряжения, введении на выходе компаратора третьего порогового элемента, соединенного с первым входом ключевого элемента, выход которого соединен с последовательной RC-цепью, общая точка которой подключена через седьмой резистор с неинвертирующим входом компаратора, и через пятый резистор - с инвертирующим входом компаратора. Светоизлучающий диод соединен с выходом компаратора через четвертый резистор и переход коллектор-эмиттер транзистора, база которого через восьмой резистор соединена с выходом источника опорного напряжения.

Существенные отличия заявленного технического решения от известных устройств и прототипа заключаются во введении на входе компаратора двух пороговых элементов, подключенных к выходу делителя напряжений, что обеспечивает допусковый двухуровневый контроль отклонения входного напряжения от номинального значения и позволяет расширить диапазон контролируемых напряжений за счет подачи на контроль части входного напряжения.

Включение на выходе компаратора третьего порогового элемента обеспечивает устойчивое включение устройства в режим мигания при превышении входным напряжением допуска, что упрощает устройство и повышает надежность его работы.

Включение на выходе компаратора транзистора, коллекторный выход которого через резистор соединен со светоизлучающим диодом, база которого через резистор соединена с выходом источника опорного напряжения. Такое соединение компаратора и источника опорного напряжения с вновь введенными элементами обеспечивает расширение нижнего предела контролируемого напряжения до величины напряжения равного

U_оп+ где U_оп - напряжение источника опорного напряжения;

U - напряжение открытого перехода база-эмиттер транзистора (U 0,5 В), К_y - коэффициент усиления компаратора с обратной связью (К_y 100).

Введение ключевого элемента, соединенного с RC-цепью, общая точка которой через седьмой резистор подключена к неинвертирующему входу компаратора, и соединенного через пятый резистор с инвертирующим входом компаратора, позволяет упростить устройство за счет совмещения функций генератора импульсов с компаратором и получить новую техническую характеристику: зависимость частоты мигания светодиода от величины отклонения контролируемого напряжения над номинальным значением, что позволяет судить о величине превышения напряжения по частоте мигания светодиода.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для контроля напряжения.

Устройство содержит делитель 1 напряжения, первый и второй пороговые элементы 2, 3, первый резистор 4, компаратор 5, второй резистор 6, источник 7 опорного напряжения, третий резистор 8, транзистор 9, третий пороговый элемент 10, четвертый резистор 11, светоизлучающий диод 12, ключевой элемент 13, содержащий резисторы 13.1, 13.2 и транзистор 13.3, пятый, шестой и седьмой резисторы 14-16, конденсатор 17, восьмой резистор 18, вход 19 контролируемого напряжения.

Делитель 1 напряжения при номинальном напряжении U_вх обеспечивает на входах пороговых элементов 2, 3 напряжение, близкое к напряжению источника 7 опорного напряжения.

По отношению к источнику опорного напряжения U_оп компаратор 5 является повторителем, на его выходе напряжение равно U_оп, которое выбирается равным половине номинального значения входного напряжения U_вх.

Пороговые элементы 2, 3 по отношению к опорному напряжению U_опобеспечивают положительную и отрицательную зону входного напряжения U_вх, при которой входное напряжение не поступает на инвертирующий вход компаратора 5.

Пороговые элементы 2, 3 могут быть выполнены, например, в виде диодов. Положительная зона входного напряжения обеспечивается прямовключенным диодом 2, а отрицательная зона - обратно включенным диодом 3.

Величина зоны пороговых элементов 2, 3 определяет допуск контроля входного напряжения.

Пороговые элементы 2, 3 через резистор 4 подключены к инвертирующему входу компаратора 5 и предназначены для создания положительной и отрицательной зон контроля входного напряжения.

Пороговые элементы 2, 3 закрыты в зоне входного напряжения

U_оп-U_пэ< < U_оп+U_пэ, где U_оп - напряжение на выходе источника 7; U_пэ - напряжение порогового элемента (для диода - напряжение р-n-перехода диода).

Компаратор 5 предназначен для релейного усиления разности превышения за допуск входного напряжения и опорного напряжения. Компаратор 5 охвачен отрицательной обратной связью (резистор 8), его коэффициент усиления определяется отношением K_y = , которое в реальной схеме составляет величину порядка 100. При U_вх меньше допуска, который составляет 2 (U_оп-U_пэ), компаратор 5 входит в состояние насыщения, при котором на его выходе напряжение близко к напряжению питания. При U_вх больше допуска, который при этом составляет 2.(U_оп+U_пэ), компаратор 5 входит в состояние насыщения, при котором на его выходе напряжение близко к нулевому потенциалу.

Транзистор 9 эмиттером соединен с выходом компаратора 5, коллектором через четвертый резистор 11 - со светодиодом 12, а базой через восьмой резистор 18 - с входом источника опорного напряжения 7 и обеспечивает при снижении входного напряжения за величину допуска устойчивое свечение светодиода 12.

При уменьшении напряжения на входе 19 на величину, превышающую пороговое напряжение U_пэ, пороговый элемент 2 открывается, напряжение на инвертирующем входе компаратора 5 снижается относительно опорного напряжения U_оп, напряжение на выходе компаратора 5 увеличивается и при достижении величины U_оп+U_бэ переход база-эмиттер транзистора 9 открывается, что приводит к протеканию коллекторного тока и светодиод 12 засвечивается.

При дальнейшем снижении входного напряжения светодиод продолжает устойчиво светиться за счет обеспечения на переходе эмиттер-база транзистора 9 напряжения открывания транзистора U 0,5В.

Таким образом, устройство устойчиво работает до величины входного напряжения, равного U_вх=U_оп+ U .

Пороговый элемент 10 соединен с выходом компаратора 5 и первым входом ключевого элемента 13 и предназначен для включения ключевого элемента при уменьшении выходного напряжения компаратора до величины включения порогового элемента. Третий пороговый элемент может быть выполнен, например, в виде стабилитрона, подключенного анодом к выходу компаратоpа 5.

Ключевой элемент 13 вторым входом соединен с входом 19 контролируемого источника питания, а третьим входом (выход ключевого элемента) - через резистор 14 обратной связи с инвертирующим входом компаратора 5 и с последовательной RС-цепью 15, 17 и предназначен для подключения к источнику питания (вход 19) RС-цепи 15, 17 для создания мигающего свечения светодиода 12 при увеличении входного напряжения за допуск.

Резисторы 13.1, 13.2 образуют делитель напряжения в цепи базы, обеспечивающий открывание транзистора 13.3, коллектор которого соединен через резистор 14 с инвертирующим входом компаратора 5.

Резистор 15 обеспечивает заряд конденсатора 17, который служит для накопления заряда и передачи потенциала через резистор 16 на неинвертирующий вход компаратора 5 для компенсации напряжения, поступающего на инвертирующий вход компаратора 5 через резистор 14.

Устройство для контроля напряжения работает следующим образом.

При входном напряжении, находящемся в допуске, пороговые элементы 2, 3 закрыты, на выходе компаратора 5, который по неинвертирующему входу работает как повторитель опорного напряжения на выходе источника 7 опорного напряжения, напряжение равно U_оп, транзистор 9 и пороговый элемент 10 закрыты, закрыт транзистор 13.3 ключевого элемента 13 и светодиод 12 не светится.

При уменьшении входного напряжения на величину допуска включается пороговый элемент 3 и через резистор 4 напряжение со средней точки делителя 1 поступает на инвертирующий вход компаратора 5, компаратор включается по инвертирующему входу, входит в положительное насыщение, транзистор 9 открывается и светодиод 12 включается и светится, показывая, что входное напряжение снизилось от номинала на величину, превышающую величину допуска.

При увеличении входного напряжения и превышении им величины допуска включается пороговый элемент 2 и через резистор 4 напряжение со средней точки делителя 1 поступает на инвертирующий вход компаратора 5, компаратор 5 входит в отрицательное насыщение, напряжение на его выходе становится близким к нулю, открывается пороговый элемент 10 и транзистор 13.3 ключевого элемента 13. Потенциал коллектора транзистора 13.3 через резистор 14 поступает на инвертирующий вход, фиксируя состояние компаратора 5. Одновременно через резистор 15 начинает заряжаться конденсатор 17. Когда его потенциал становится равным такой величине, что разность потенциалов на входах компаратора 5 равна нулю, компаратор 5 переходит в положительное насыщение, пороговый элемент 10 закрывается, закрывается ключевой элемент 13. Одновременно включается транзистор 9 и светодиод 12 засвечивается. Конденсатор 17 разряжается до величины напряжения, при котором потенциалы входов компаратора 5 сравняются, затем компаратор 5 переходит в отрицательное насыщение и процесс повторяется.

Таким образом, светодиод 12 начинает мигать, сигнализируя о превышении входным напряжением величины допуска, причем частота колебаний увеличивается с увеличением превышения, так как с увеличением входного напряжения процесс заряда становится все более линейным и крутизна увеличения напряжения на емкости 17 увеличивается.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: более простая схема устройства за счет исключения элементов схемы одного генератора импульсов и использования одного источника опорного напряжения, что повышает его надежность; повышенная точность фиксации превышения входным напряжением величины допуска за счет формирования допуска на пороговом элементе, имеющем, в частности, при использовании диода высокую стабильность величины падения напряжения; оптимальная форма представления информации трехуровневым сигналом, что повышает эффективность использования устройства; расширенные функциональные возможности за счет зависимости частоты мигания светодиода от величины превышения напряжения над номинальным значением, в связи с чем устройство приобретает функции измерительного прибора; расширенный диапазон контроля входного напряжения в сторону его нижнего предела за счет использования на выходе компаратора транзистора в цепи включения светодиода, базой подключенного к выходу источника опорного напряжения.