Устройство автоматического контроля и индикации источника напряжения питания постоянного тока

В качестве преобразователей напряжения источника питания 27В  в напряжение ±6В используем модуль питания МПР1-6Д с током нагрузки 0,7А, и модуль питания с U_вых=5В, I_н=0,7А.

В модулях имеется защита от перегрузок и короткого замыкания. Нестабильность U_вых от изменения U_вх = 27±3В составляет 0,5% от изменения тока нагрузки от 100% до 25% не более 1%.

 

1.4 Описание структурной схемы

Функционально схему УК можно  разделить на несколько узлов:

- диодно-резистивный ограничитель;

- узел компарирования;

- источник опорного напряжения  с инвертором;

- схема логического умножения «И»;

- выходные каскады;

- индикаторы на светоизлучающих  диодах;

- преобразователь постоянного  напряжения.

Узел компарирования содержит делители напряжения источников питания: «+15В», «-15В», «+5В» на резисторах и компараторы  для сравнения отклонения напряжения источников питания оси опорного напряжения.

Диодно-резистивная цепь подключается к выходу компаратора  и пропускает только положительное  напряжение на вход схемы логического  умножения «И».

Выходные каскады вырабатывают сигнал индикации «НОРМА», при этом светится светодиод VD₇; отклонение напряжения источников питания +15В±30%,      -15В±30%, +5В±30% за указанные пределы контролируется подсветкой светодиодов VD₁…VD₆. Светодиоды VD₁…VD₇ установлены на панели блока коррекции ошибок наведения и контроля.

Источник опорного напряжения формирует два опорных напряжения ±U_оп, которые подводятся к входам компараторов.

Преобразователь постоянного  напряжения содержит два модуля питания, на входы которых подается через  микротумблер напряжение 27В от внешнего источника питания. На выходе первого  модуля питания формируется напряжение ±6В, а на выходе второго модуля питания  – напряжение +5В. Напряжение ±6В  используется для питания аналоговых узлов, а блок напряжением +5В –  для питания логических схем и  блока индикации.

Напряжение ±6В подводится к компараторам напряжения D₁…D₆, инвертору D₇; напряжение +6В используется для создания положительного опорного напряжения U_оп с помощью стабилизатора VD₁ и резисторов R₁, R₁₁, R₁₂; инвертируя U_оп с помощью инвертора VD₇, получают на выходе -U_оп.

 

 

1.5 Описание схемы электрической принципиальной

В состав УК входят: узел компарирования, источник опорного напряжения, схема  логического умножения «И», выходные каскады и преобразователь напряжения 27В во вторичные стабилизированные  напряжения ±6В, +5В.

Узел компарирования содержит делители напряжения источников питания: «+15В» - на резисторах R₂, R₅, R₆; «-15В» - на резисторах R₄, R₉, R₁₀; «+5В» - на резисторах R₃, R₇, R₈; компараторы напряжения на операционных усилителях D₁…D₆.

Источник опорного напряжения включает в себя параметрический  стабилизатор напряжения на стабилитроне VD₁ с гасящим резистором R₁, делитель напряжения на резисторах R₁₁, R₁₂, формирующий положительное пороговое напряжение, инвертирующий усилитель D₇ с резисторами R₁₃… R₁₅ формирующий отрицательное пороговое напряжение. К выходам компараторов D₁…D₆ подключены диоидно-резистивные ограничители с диодами VD₂…VD₇ и резисторами R₁₆…R₂₁.

Схема, реализующая функцию  логического умножения «И», реализована  на шести инверторах «И-НЕ» (D₈) с открытым коллектором, трех двухвходовых элементах «2ИЛИ-НЕ» D_9.1…D_9.3, трехвходовом элементе «3И-НЕ» D_10.1. ⁴

Выходные каскады УК реализованы  на трехвходовом элементе «3И-НЕ» D_10.2, вырабатывающие сигнал «УК ИНПТ в НОРМЕ» (наличие сигнала логического 0 ТТЛ – уровня на инверторах D_9.4, D_11.1, D_11.2). При этом, инвертор D_11.1 (схема И-НЕ с открытым коллектором и резистор R₂₈) дублирует сигнал «УК ИНПТ в НОРМЕ» и может обеспечивать большее значение выходного тока, а инвертор D_11.2 с резистором R₂₉ и установленным на панели блока коррекции и контроля светодиодом VD₇ обеспечивает индикацию сигнала «НОРМА». Микросхема D₈ с резисторами R₂₂…R₂₇ и установленными на панели блока коррекции и контроля светодиодами VD₁…VD₆ индицирует какой из контролируемых источников питания имеет отклонение выходного напряжения на величину более ±30%.

1.6 Описание работы и принципа действия

Питание УК ИНПТ подводится от внешней сети 27В после включения  тумблера S₁, установленного на панели блока коррекции и контроля. Питание 27В поступает на вход модуля А₁, формирующего на выходе двухполярное напряжение ±6В для

питания компараторов D₁…D₆, повторителя напряжения D₇ и параметрического стабилизатора R₁, VD₁, и на вход модуля А₂, формирующего на выходе однополярное напряжение +5В для питания логических схем D₈…D₁₁ и светодиодов VD₁…VD₇.

Контролируемые УК ИНПТ входы  представляют собой напряжения постоянного  тока с характеристиками:

- вход 1 – напряжение 15В±10%, ток не более 1А;

- вход 2 – напряжение -15В±10%, ток не более 1А;

- вход 3 – напряжение 5В±10%, ток не более 3А.

Рассмотрим работу узла преобразования на компараторах D₁,D₂ и резисторах R₂, R₅, R₆. Опорное напряжение U_оп=2В подается на не инвертирующий вход ОУ D₁и инвертирующий вход D₂. Входное напряжение +15В делится резисторами R₂, R₅, R₆ таким образом, что на инвертирующем входе ОУ D₁ будет напряжение равное верхнему пороговому уровню U_пв=+2,2В, а на не инвертирующем входе ОУ D₂ будет напряжение, равное нижнему пороговому уровню U_пн=1,8В. Так как U_пв>U_оп, а U_пн<U_оп, то на выходах компараторов D₁, D₂ установится отрицательный уровень

напряжения. Эти рассуждения  справедливы и для компараторов D₃, D₄, контролирующих источник питания +5В, на их выходах также установится отрицательный уровень напряжения.⁵

Контроль источник питания -15В осуществляется на компараторах D₅, D₆ с резисторами R₄, R₉, R₁₀. В этом случае используется опорное напряжение отрицательной полярности с выхода инвертора D₇, которое подается на инвертирующий вход D₅ и не инвертирующий вход D₆. При этом U_пн= -1.8В,        U_пв= -2,2В, а на выходах компараторов D₅, D₆ установится отрицательный уровень напряжения.

Диоды VD₂…VD₇ заперты. Входы D_8.1…D_8.6 через резисторы R₁₆…R₂₁ подключены к общей шине, т.е. все инверторы выключены (на выходах – высокий

потенциал) и светодиоды VD₁…VD₆ не светятся.

При отключении одного из контролируемых источников питания или отклонении значения напряжения по любому из каналов  на величину более ±30%, соответствующий  компаратор изменяет свое состояние, на его выходе устанавливается положительный  уровень напряжения. Например, при  отклонении

на -30% источника питания +15В будем иметь U_пн=1,26В, U_пв=1,54В, и так как U_пв=1,54В<U_оп=2В на выходе компаратора D₁ установится положительный уровень напряжения, диод VD₂ открывается и на вход инвертора D_8.1 подается потенциал

 высокого уровня. На  выходе этого инвертора устанавливается  напряжение логического 0 (<0,5В). Светодиод VD₁ загорается, сигнализируя о неисправности источника питания +15В.

При отключении источника  питания +15В на входах компараторов D₁, D₂ действует опорное пороговое напряжение U_оп=2В. В этом случае на выходе компаратора D₁ устанавливается напряжение высокого уровня, а на выходе компаратора D₂ – напряжение низкого уровня, т.е. светодиод VD₁ красного цвета будет светиться, сигнализируя об отключении источника питания +15В.

Рассмотрим случай, когда  контролируемые источники питания  включены, и изменение номинального значения напряжения по любому из каналов  не превышает ±30%. В этом случае выходы компараторов D₁…D₆ имеют отрицательный уровень напряжения, диоды VD₂…VD₇ выключены, на входах логических элементов D_9.1…D_9.3 устанавливаются уровни логического 0, на выходах этих элементов – уровни логической 1. На входы схемы 3И-НЕ D_10.1 поступают сигналы логической 1, на её выходе устанавливается логический 0, подаваемый на вход инвертора D_10.2; на выходе последнего формируется сигнал логической 1.

Аналогичный сигнал «УК ИНПТ в НОРМЕ» формирует логический элемент  с открытым коллектором D_11.2 «УК ИНПТ - ОКВ». При этом D_11.2 включен и на панели блока коррекции и контроля светится светодиод VD₇ «НОРМА» зеленого цвета.

1.7 Электрический расчет схемы устройства

Компаратор  — это электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного  операционного усилителя (ОУ) устройством  и входного, и выходного каскадов:

• Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.
• Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и  компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

 При подаче эталонного  напряжения на неинвертирующий  вход, входной сигнал подаётся  на инвертирующий вход и компаратор  является инвертирующим (инвертором).⁶

 

 

 

1.7.1 Расчет компараторов D₁, D₂

1.7.1.1 Исходные данные. Напряжение питания D₁, D₂ : ±6В; контролируемое напряжение E₁=+15В; R₂=64кОм, R₅=2кОм, R₆=9кОм, ОУ типа 140УД6А, U_оп=+2В. Схема компараторов D₁, D₂ показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема  компараторов D₁, D₂.

1.7.1.2 Ток делителя

I_д = = = 0,2мА.

1.7.1.3 Нижний пороговый уровень компараторов D₁, D₂

U_пн = I_д · R₆ = 0,2 · 10^-3 · 9 · 10³ = 1,8В.

1.7.1.4 Верхний пороговый уровень компараторов D₁, D₂

U_пв = I_д (R₆ + R₅) = 0,2 · 10^-3 · 11 · 10³ = 2,2В.

1.7.1.5 Так как U_пв =2,2В> U_оп=2В, то U₁ = - и U_пн=1,8В< U_оп=2В, то

U₂ = -. При этих условиях вырабатывается сигнал «Е₁ В НОРМЕ».

1.7.1.6 Источник питания Е₁ отключен (обрыв цепи, «холодная» пайка, вышел из строя), тогда U₁= +, U₂= -, т.е. изменилось U₁ по сравнению с п. 3.1.5.. При этом вырабатывается сигнал «Е₁ НЕ В НОРМЕ».

1.7.1.7 При отклонении Е₁ на +30% имеем

= = = 0,26мА

= ·R₆ = 0,26·10^-3·9·10³ = 2,34В, U₂= +

 

= (R₅+R₆) = 0,26·10^-3·11·10³ = 2,86В, U₁= -                                     

т.е. по сравнению с нормой изменилось U₂. При этих условиях вырабатывается сигнал «Е₁ НЕ В НОРМЕ».

1.7.1.8 При отклонении Е₁ на -30% имеем

= = = 0,14мА

= ·R₆ = 0,14·10^-3·9·10³ = 1,26В, U₂= -

= (R₅+R₆) = 0,14·10^-3·11·10³ = 1,54В, U₁= +

При этих условиях вырабатывается сигнал «Е₁ НЕ В НОРМЕ».

1.7.2 Расчет компараторов D₃, D₄

1.7.2.1 Исходные данные. E₂=+5В – контролируемый источник питания, напряжение питания D₃, D₄ ±6В; U_оп=+2В, R₃=14кОм, R₇=2кОм, R₈=9кОм, точность резисторов 0,5%, ОУ типа 140УД6А. Схема компараторов D₃, D₄ показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема компараторов D₃, D₄.

1.7.2.2 Ток делителя

I_д1 = = = 0,2мА.

1.7.2.3 Нижний пороговый уровень компараторов D₃, D₄

U_пн = I_д1 · R₈ = 0,2 · 10^-3 · 9 · 10³ = 1,8В при этом U₂= -

 

1.7.2.4 Верхний пороговый уровень компараторов D₁, D₂

U_пв = I_д1 (R₈ + R₇) = 0,2 · 10^-3 · 11 · 10³ = 2,2В при этом U₁= -

При этих условиях вырабатывается сигнал «Е₂ В НОРМЕ».

1.7.2.5 При Е₂ отключен имеем

U₁= +, U₂= -, т.е. сигнал «Е₂ НЕ В НОРМЕ».

1.7.2.6 При отклонении Е₂ на +30% имеем

= = = 0,26мА

= ·R₆ = 0,26·10^-3·9·10³ = 2,34В, U₂= +