Патент на изобретение №2300166

(54) УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике энергоснабжения. Технический результат – обеспечение защиты устройства от случайного и несанкционированного отключений и расширение функциональных возможностей устройства. Устройство включения и отключения питания содержит вторичный источник питания, блок набора кода, блок управления, исполнительное устройство с замыкающим контактом, кнопку с замыкающим контактом, индикатор, первую и вторую входные шины питания, первую и вторую выходные шины питания. Технический результат достигнут введением блока набора кода и новых связей между функциональными элементами. 6 ил.

Изобретение относится к технике энергоснабжения и может быть использовано для подачи питания на аппаратуру и системы, например, различные охранные системы, которые должны иметь бесперебойное электропитание.

Известно устройство включения и отключения питания (см. книгу: Р.М.Терещук, К.М.Терещук, А.Б.Чаплинский, Л.Б.Фукс, С.А.Седов. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. Изд. третье, перераб. и доп. Киев: Наукова думка, 1970, стр.484, рис.XII. 42 а), содержащее источник питания и тумблер с замыкающими контактами. Один вывод источника питания соединен с первой шиной питания нагрузки, второй вывод – с одним из контактов тумблера, другой контакт которого соединен с второй шиной питания нагрузки.

Недостатком устройства является возможность случайного отключения питания аппаратуры, которая запитывается с помощью данного устройства, обслуживающим персоналом или несанкционированного отключения питания указанной аппаратуры посторонним лицом, что ограничивает или делает невозможным его использование для запитки аппаратуры, например, аппаратуры различных охранных систем, где случайные и несанкционированные отключения питания недопустимы.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство включения и отключения питания (см. книгу: С.А.Бирюков. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. – М.: Радио и связь, 1990 (Массовая радиобиблиотека, вып.1132), стр.117, рис.155), содержащее кнопку с замыкающими контактами, кнопку с размыкающими контактами, галетный переключатель, однофазный выпрямитель, собранный по мостовой схеме (мостовой выпрямитель), индикатор в виде светодиода, четыре элемента Исключающее ИЛИ, счетчик импульсов, электромагнитное реле, транзистор p-n-p типа, девять постоянных резисторов, один переменный резистор, шесть конденсаторов, два стабилитрона, диод, две входные и две выходные шины питания. Первая входная шина питания через параллельно включенные замыкающие контакты первой кнопки и реле соединена с первой выходной шиной питания и через последовательно включенные первый резистор и первый конденсатор – с первым входом мостового выпрямителя. Вторая входная шина питания через размыкающий контакт второй кнопки соединена с второй шиной питания и с вторым входом мостового выпрямителя, первый выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и с анодом светодиода. Катод светодиода соединен с катодами первого и второго стабилитронов, первыми выводами третьего и четвертого конденсаторов, с первыми выводами второго, третьего и четвертого резисторов, с эмиттерами транзистора и с первым входом первого элемента Исключающее ИЛИ. Второй выход мостового выпрямителя соединен с вторым выводом второго конденсатора, с анодом первого стабилитрона, с первым выводом пятого резистора, анодом диода и с первым выводом обмотки реле. Второй вывод третьего конденсатора соединен с анодом второго стабилитрона, вторым выводом пятого резистора и с общей шиной питания элементов Исключающее ИЛИ и счетчика импульсов (микросхемной части устройства). Вторые выводы третьего резистора, четвертого конденсатора, первые входы второго и третьего элементов Исключающее ИЛИ соединены с общей шиной питания микросхемной части устройства. Второй вывод резистора через пятый конденсатор соединен с общей шиной микросхемной части устройства, а через шестой резистор – с вторым входом второго элемента Исключающее ИЛИ, выход которого через седьмой резистор соединен с его вторым входом и непосредственно – с вторым входом первого элемента Исключающее ИЛИ и с первым входом четвертого элемента Исключающее ИЛИ. Второй вход третьего элемента Исключающее ИЛИ через шестой конденсатор соединен с выходом этого же элемента, со счетным входом счетчика импульсов и с вторым входом четвертого элемента Исключающее ИЛИ, выход которого через восьмой резистор и переменный резистор соединен с вторым входом третьего элемента Исключающее ИЛИ. Вход сброса счетчика импульсов подключен к выходу первого элемента Исключающее ИЛИ, а один из выходов через галетный переключатель и девятый резистор соединен с вторым выводом четвертого резистора и с базой транзистора. Коллектор транзистора соединен с катодом диода и вторым выводом обмотки реле. Шина питания микросхемной части устройства подключена к катоду второго стабилитрона.

Из описания схемы данного устройства следует, что часть устройства, включающая в себя первый, третий и пятый резисторы, первый, второй и третий конденсаторы, мостовой выпрямитель, два стабилитрона и их взаимные связи, является вторичным источником питания данного устройства. Из описания схемы устройства также следует, что часть устройства, включающая в себя четыре элемента Исключающее ИЛИ, счетчик импульсов, галетный переключатель, второй, шестой – восьмой и переменный резисторы, пятый и шестой конденсаторы, является, по выполняемой функции, блоком управления данного устройства. Кроме того, из описания схемы устройства также следует, что транзисторный ключ с четвертым и девятым резисторами с нагрузкой в виде реле с зашунтированной диодами обмоткой представляют собой исполнительное устройство.

Недостатками данного устройства являются:

а) наличие возможности случайного отключения обслуживающим персоналом или несанкционированного отключения посторонним лицом, обусловленное полным отсутствием защиты от таких отключений, то есть наличие возможности отключения питания аппаратуры, запитываемой с помощью данного устройства, в указанных случаях;

б) отсутствие возможности подачи на объекты напряжения постоянного тока, обусловленное наличием между первой входной шиной питания и входом вторичного источника питания разделительного конденсатора (первого конденсатора).

Указанные недостатки устройства исключают его применение для подачи питания на аппаратуру и системы, которые постоянно должны иметь бесперебойное питание (например, различные охранные системы) и для подачи на объекты напряжения постоянного тока.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для включения и отключения питания, защищенного от случайного отключения обслуживающим персоналом и от несанкционированного отключения посторонним лицом и пригодного для подачи на объекты напряжения как переменного, так и постоянного тока.

Технический результат, заключающийся в обеспечении защиты устройства от случайного и несанкционированного отключений и в расширении его функциональных возможностей, достигается тем, что в устройство включения и отключения питания, содержащее кнопку с замыкающим контактом, индикатор, первую входную шину питания, через замыкающий контакт исполнительного устройства соединенную с первой выходной шиной питания и с первым входом вторичного источника питания, вторую входную шину питания, соединенную с второй выходной шиной питания и с вторым входом вторичного источника питания, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами питания блока управления, выход которого соединен с первым управляющим выводом исполнительного устройства, введен блок набора кода, выходы которого соединены с соответствующими входами блока управления, первый и второй входы питания подключены соответственно к первому и второму выходам вторичного источника питания, второй выход которого через замыкающий контакт кнопки соединен с вторым управляющим выводом исполнительного устройства, вывод питания которого подключен к первой входной шине питания, первый и второй выводы индикаторы соединены соответственно с первой и второй выходными шинами питания.

Указанная совокупность признаков устройства позволяет:

а) обеспечить защиту устройства от случайного и несанкционированного отключения за счет возможности его отключения только путем ввода в устройство определенного кода, известного ограниченному кругу лиц из обслуживающего персонала;

б) расширить функциональные возможности устройства за счет обеспечения возможности подачи на объекты напряжения не только переменного, но и постоянного тока.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства включения и отключения питания для случая подачи на объект (на фиг.1 не показанный) напряжения постоянного тока, на фиг.2 – схема варианта выполнения блока набора кода, на фиг.3 – схема выполнения блока управления, на фиг.4…6 – схемы вариантов выполнения исполнительного устройства.

Устройство содержит (см. фиг.1) вторичный источник 1 питания, блок 2 набора кода, блок 3 управления, исполнительное устройство 4, кнопку 5 с замыкающим контактом, индикатор 6, первую 7 и вторую 8 входные шины питания, первую 9 и вторую 10 выходные шины питания. Входная шина 7 питания непосредственно соединена с выводом питания исполнительного устройства 4 и через замыкающий контакт 11 исполнительного устройства 4 – с выходной шиной 9 питания и с первым входом вторичного источника 1 питания, второй вход которого подключен к входной шине 8 питания, а первый и второй выходы соединены соответственно с первыми и вторыми входами питания блока 2 набора кода и блока 3 управления. Выходы блока 2 набора кода соединены с соответствующими входами блока 3 управления, выход которого соединен с первым управляющим выводом исполнительного устройства 4, второй управляющий вывод которого через замыкающий контакт кнопки 5 подключен к второму выходу вторичного источника 1 питания. Индикатор 6 включен между выходными шинами 9, 10 питания.

Вторичный источник 1 питания предназначен для обеспечения блока 3 управления и блока 2 набора кода, реализуемых на базе интегральных микросхем, необходимым напряжением питания. При использовании устройства для подачи на объекты напряжения постоянного тока вторичный источник 1 питания может быть реализован на серийно выпускаемых линейных компенсационных или импульсных стабилизаторах напряжения серий 142, 1145 или же выполнен в виде параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне. Конкретный тип стабилизатора определяется напряжением питания элементной базы блока 2 набора кода, блока 3 управления и током потребления этих блоков. При использовании устройства для подачи на объекты напряжения переменного тока вторичный источник 1 питания должен содержать мостовой выпрямитель с емкостным фильтром и бестрансформаторное согласующее устройство (состоящее, как и у прототипа устройства, из последовательно включенных резистора с небольшим сопротивлением и неполярного конденсатора), включенное между первым входом мостового выпрямителя и первой выходной шиной 9 питания. Необходимо отметить, что упомянутый мостовой выпрямитель и другие функциональные узлы, используемые во вторичном источнике 1 питания (компенсационные, импульсные или параметрические стабилизаторы напряжения), обеспечивают необходимую для нормальной работы исполнительного устройства гальваническую связь между второй выходной шиной питания устройства и вторым выходом вторичного источника питания (общую шину питания). Конкретные типономиналы элементов указанных функциональных узлов вторичного источника 1 питания выбираются в зависимости от рабочего напряжения и тока потребления блока 2 набора кода и блока 3 управления.

Блок 2 набора кода предназначен для набора кода для санкционированного отключения питания от объектов, подключаемых к выходным шинам устройства. С учетом использованного в блоке 3 управления способа распознавания вводимого кода блок 2 набора кода выполнен по схеме фиг.2 и содержит кнопки 17 и 18, две интегрирующие RC-пепи на резисторах 19, 20 и конденсаторах 21, 22 и два триггера 23, 24 Шмитта. При этом инверсные выходы триггеров 23, 24 Шмитта являются выходами блока 2 набора кода, входы триггера 23 Шмитта непосредственно соединены с первым выводом конденсатора 21 и через резистор 19 и нормально замкнутые переключающий и размыкающий контакты кнопки 17 – с первым входом питания блока 2 набора кода. Входы триггера 24 Шмитта непосредственно соединены с первым выводом конденсатора 22, а через резистор 18 и нормально замкнутые переключающий и размыкающий контакты кнопки 18 – с первым входом питания блока 2 набора кода. Вторые выводы конденсаторов 21 и 22 соединены с замыкающими контактами кнопок 17, 18 и с вторым входом питания блока 2 набора кода. Код (двоичный последовательный) набирается с помощью двух кнопок: кнопкой 17 набирается символ «1», а кнопкой 18 – символ «0». Оба символа кода представляют собой импульсные сигналы с уровнем логической «1», выдаются из блока по отдельным линиям.

Блок 3 управления предназначен для приема кода, поступающего из блока 2 набора кода, сравнения его с эталонным кодом и формирования управляющего сигнала (при совпадении набранного с помощью блока 2 набора кода с эталонным кодом) для приведения исполнительного устройства 4 в исходное состояние, то есть для отключения питания от нагрузки путем размыкания замкнутого при включении питания замыкающего контакта 11 исполнительного устройства 4. Блок 3 управления содержит (см. фиг.3) формирователь 25 санкционированной команды и его исполнительное устройство, состоящее из одностабильного реле 26, обмотка которого зашунтирована диодом 27, управляемого транзисторным ключом, выполненным на n-p-n транзисторе 28 и резисторах 29, 30. При этом входы формирователя 25 санкционированной команды являются входами блока 3 управления, и выход через резистор 29 соединен с базой транзистора 28, эмиттер которого через резистор 30 соединен с базой, а через нормально разомкнутые переключающий и замыкающий контакты 26.1 реле 26 – с выходом блока 3 управления. Коллектор транзистора 28 через реле 26, обмотка которого зашунтирована обратно включенным диодом 27, соединен с первыми входами питания формирователя 25 санкционированной команды и блока 3 управления, вторые входы питания которых соединены с эмиттером транзистора 28. Формирователь 25 санкционированной команды выполнен по схеме известного устройства управления электронного замка (см. патент РФ №2235178 от 20.01.2003, МПК Е05В 49/00, «Устройство управления электронного замка», авторы Р.Ф.Зубаеров и Г.И.Шишкин, опубл.27.08.2004, БИ №24). Может быть выполнен по другим известным схемам устройств управления электронных кодовых замков с импульсным или потенциальным выходным сигналом, если длительность выходного сигнала не будет превышать допустимого времени непрерывного нахождения под напряжением обмотки реле 26. В качестве этого реле использовано герконовое одностабильное реле РЭС 64А, могут быть использованы также аналогичные герконовые реле РЭС 55А или электромагнитные одностабильные реле РЭС 60, РЭС 79 и РЭС 80. У всех указанных реле рабочее напряжение должно быть не более напряжения питания интегральных микросхем, на которых реализована схема формирователя 25 санкционированной команды (лишнее напряжение может быть «погашено» включением дополнительного резистора последовательно с обмоткой реле 26).

Исполнительное устройство 4 предназначено для подачи на нагрузку (на фиг.1 не показанную) напряжения питания (при нажатии кнопки 5) и отключения от нагрузки напряжения питания (при получении из блока 3 управления соответствующего сигнала). Реализовано исполнительное устройство 4, как видно из его схемы на фиг.1, на двустабильном реле 14, обмотки включения и выключения которого зашунтированы обратно включенными диодами 16 и 15 соответственно. При этом концы включающей и выключающей обмоток реле 14 являются соответственно первым и вторым управляющими выводами исполнительного устройства 4, а объединенные начала указанных обмоток реле 14 – выводом питания исполнительного устройства 4. Данная схема соответствует случаю подачи на нагрузку напряжения питания постоянного тока, находящегося в пределах рабочего диапазона напряжения питания исполнительного элемента (реле 14) исполнительного устройства 4. В данном случае при реализации блока 3 управления по схеме устройства управления электронного кодового замка, формирующего на выходе не импульсный, а потенциальный сигнал (точнее – относительно длинный сигнал, так как длительность этого сигнала не должна быть больше допустимого времени непрерывного нахождения обмотки реле 26 блока 3 управления под напряжением), исполнительное устройство 4 может быть выполнено по схеме фиг.4 на базе двустабильного реле 31, нормально разомкнутый 31.1 и нормально замкнутый 31.2 контакты которого включены последовательно с его выключающей и включающей обмотками, зашунтированными обратно включенньми диодами 32 и 33 соответственно. В случае подачи на нагрузку напряжения питания постоянного тока, превышающего рабочий диапазон напряжения питания исполнительного элемента исполнительного устройства 4, последнее может быть реализовано по схеме фиг.5 на базе двустабильного реле 34, обмотки которого зашунтированы обратно включенными диодами 35, 36, стабилитрона 37, включенного между катодами диодов и общей шиной питания, и токоограничивающего резистора 38, включенного в цепь питания реле 34. В случае использования устройства для подачи на нагрузку напряжения переменного тока исполнительное устройство 4 может быть реализовано по схеме фиг.6 на базе двустабильного реле 39, диодов 40, 41, 42, токоограничивающего резистора 43, стабилитрона 44 и конденсатора 45, где обратно включенные диоды 40 и 41 шунтируют обмотки реле 39, стабилитрон 44 и конденсатор 45 включены между катодами диодов 40, 41 и общей шиной питания, резистор 43 и последовательно соединенный с ним выпрямительный диод 42 включены в цепь питания реле 39.

Индикатор 6, реализованный по схеме фиг.1, соответствует случаю, когда на нагрузку подается напряжение постоянного тока. В случае подачи на нагрузку напряжения переменного тока светодиод 13 должен быть зашунтирован обратно включенным диодом. В обоих рассмотренных случаях в качестве индикатора может быть использована лампа накаливания на соответствующее рабочее напряжение.

Устройство включения и отключения питания (см. фиг.1) работает следующим образом.

Рассмотрим сначала работу устройства в случае, когда оно используется для подачи на аппаратуру (нагрузку), подключаемую к его выходным шинам 9, 10 питания, напряжения постоянного тока, которое находится в рабочем диапазоне напряжений реле 14 исполнительного устройства 4, то есть устройства, выполненного по схеме фиг.1.

В исходном состоянии на входных шинах 7, 8 питания присутствует указанное напряжение постоянного тока которое нужно подать на нагрузку.

Входная шина 8 питания и выходная шина 10 питания соединены и являются общей шиной питания устройства и нагрузки. Реле 14 исполнительного устройства 4 находится в исходном состоянии, его замыкающий контакт 11 разомкнут, поэтому на выходной шине 9 питания напряжения нет, индикатор 6 не горит, вторичный источник 1 питания обесточен, и, следовательно, обесточены блок 2 набора кода и блок 3 управления. Такое исходное состояние устройства сохраняется до нажатия кнопки 5 для подачи напряжения питания на нагрузку.

При нажатии кнопки 5 включается двустабильное реле 14 исполнительного устройства 4, при этом замыкается его исполнительный контакт 11 и остается замкнутым после отпускания кнопки 5. В результате напряжение питания через замкнутый контакт 11 подается на нагрузку, одновременно загорается индикатор 6.

При необходимости отключения питания от нагрузки элементами коммутации (кнопками) блока 2 набора кода набирается соответствующий код. Этот код поступает в блок 2 управления, и в случае совпадения этого кода с кодом, хранящимся в памяти формирователя 25 санкционированной команды, входящего в состав блока 3 управления (см. фиг.3), на выходе этого формирователя появляется импульсный сигнал с уровнем логической единицы. При этом открывается транзисторный ключ, включается реле 26, замыкается его замыкающий контакт 26.1, что приводит к переключению двустабильного реле 14 исполнительного устройства 4 в исходное состояние. В результате замкнутый при нажатии кнопки 5 замыкающий контакт 11 реле 14 размыкается и снимается напряжение питания с нагрузки. При этом гаснет индикатор 6.

При использования устройства для подачи на нагрузку напряжения постоянного тока, величина которого больше рабочего диапазона напряжений реле исполнительного устройства 4, устройство работает аналогично. Только в этом случае исполнительное устройство 4 должно быть выполнено по схеме фиг.5, где напряжение, прилагаемое к реле 34, стабилизируется параметрическим стабилизатором напряжения, выполненным на стабилитроне 37 и резисторе 38.

При использования устройства для подачи на нагрузку напряжения переменного тока устройство работает аналогично. В этом случае вторичный источник 1 питания устройства должен содержать на входе, как у его прототипа, бестрансформаторное согласующее устройство и мостовой выпрямитель с фильтром или же трансформатор (в частности, понижающий трансформатор) с выпрямителем, собранным по двухполупериодной или однополупериодной схеме выпрямления с соответствующим фильтром.

Из описания устройства видно, что оно обладает всеми функциональными возможностями прототипа, но при этом защищено от случайного отключения обслуживающим персоналом и от несанкционированного отключения посторонним лицом, а также обладает более широкими функциональными возможностями. При этом защита устройства от указанных типов отключений, следовательно, защита аппаратуры, питание которой производится с помощью данного устройства, от случайного или преднамеренного отключения питания, достигнута за счет его нового свойства – возможности отключения питания только при условии знания соответствующего кода. Расширение функциональных возможностей устройства достигнуто за счет его другого нового свойства – возможности подачи на нагрузку напряжения питания не только переменного (как у прототипа), но и постоянного тока в широком диапазоне его значений.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достигнутого технического результата был собран и испытан макет заявляемого устройства включения и отключения питания. При этом проверялась работоспособность вариантов выполнения устройства для коммутации напряжения 27 В постоянного тока и напряжения 220 В переменного тока. Макет устройства был собран на базе интегральных микросхем серии 564 при выходном напряжении вторичного источника 1 питания 10 В, при этом в качестве одностабильного реле 26 исполнительного устройства блока 3 управления использовалось герконовое реле РЭС 64А с номинальным значением рабочего напряжения 10 В, а в качестве двустабильного реле 14 исполнительного устройства 4 – поляризованное реле РПС 45 с номинальным значением рабочего напряжения 27 В.

Проведенные испытания макета показали работоспособность заявляемого устройства включения и отключения питания и подтвердили его практическую ценность.

Формула изобретения

Устройство включения и отключения питания, содержащее кнопку с замыкающим контактом, индикатор, первую входную шину питания, через замыкающий контакт исполнительного устройства соединенную с первой выходной шиной питания и с первым входом вторичного источника питания, вторую входную шину питания, соединенную с второй выходной шиной питания и с вторым входом вторичного источника питания, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами питания блока управления, выход которого соединен с первым управляющим выводом исполнительного устройства, отличающееся тем, что введен блок набора кода, выходы которого соединены с соответствующими входами блока управления, первый и второй входы питания подключены соответственно к первому и второму выходам вторичного источника питания, второй выход которого через замыкающий контакт кнопки соединен с вторым управляющим выводом исполнительного устройства, вывод питания которого подключен к первой входной шине питания, первый и второй выводы индикатора соединены соответственно с первой и второй выходными шинами питания.

РИСУНКИ