PL221498B1

PL221498B1 - Binary input system with variable resistance and galvanic isolation

Info

Publication number: PL221498B1
Application number: PL393229A
Authority: PL
Inventors: Witold Kardyś; Jerzy Chudorliński
Original assignee: Inst Tele I Radiotech
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2016-04-29
Also published as: PL393229A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem, wynalazku jest dwustanowy układ wejściowy o zmiennej oporności z izolacją galwaniczną, stosowany w układach wejściowych przemysłowych urządzeń sterujących, zwłaszcza w środowisku o wysokim poziomie zakłóceń.The subject of the invention is a variable resistance two-state input circuit with galvanic isolation, used in input circuits of industrial control devices, especially in an environment with a high level of interference.

Znany z polskiego opisu patentowego PL198296 B3 dwustanowy układ wejściowy o zmiennej oporności z izolacją galwaniczną zawiera diodę Zenera połączoną szeregowo ze źródłem prądowym i z diodą świecącą transoptora przełączającego oraz połączoną z opornikiem wejściowym, który jest połączony z mostkiem prostowniczym i opornikiem obciążającym połączonym z kluczem normalnie otwartym transoptora wysokonapięciowego. Klucz normalnie otwarty transoptora przełączającego jest połączony z opornikiem wyjściowym będącym układem polaryzacji i opornikiem szeregowym, który jest połączony z kondensatorem stanowiąc obwód całkujący wejściem przerzutnika Schmitta. Wyjście przerzutnika Schmitta jest połączone z diodą świecącą transoptora wysokonapięciowego poprzez opornik ograniczający.Known from the Polish patent description PL198296 B3, the two-state input circuit with variable resistance with galvanic isolation includes a Zener diode connected in series with the current source and with the light diode of the switching optocoupler and connected with the input resistor, which is connected with the rectifier bridge and the load resistor connected with the normally open key of the optocoupler high voltage. The normally open key of the switching optocoupler is connected to the output resistor being a bias circuit and a series resistor which is connected to the capacitor as an integrating circuit through the input of the Schmitt trigger. The output of the Schmitt trigger is connected to the light-emitting diode of the high-voltage optocoupler through a limiting resistor.

Zaletą tego układu jest możliwość pracy w szerokim zakresie napięć wejściowych z zachowaniem bariery przeciwzakłóceniowej i ograniczeniem mocy wydzielanej w układzie, co umożliwia zastosowanie mniejszych i tańszych rozwiązań konstrukcyjnych. Natomiast jego wadą, ze względu na ograniczenia prądowe, jest trudność ze zrealizowaniem wymagań dla minimalnego prądu dla styku przekaźnika zewnętrznego podczas łączenia go z tym układem.The advantage of this system is the ability to operate in a wide range of input voltages while maintaining the anti-interference barrier and limiting the power dissipated in the system, which allows the use of smaller and cheaper design solutions. However, its disadvantage, due to current limitations, is the difficulty in meeting the requirements for the minimum current for the external relay contact when connecting it to this system.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL215862 B1 układ, który pozwala na chwilowe zwiększenie prądu, dociążającego dla styku przekaźnika zewnętrznego poprzez sterowane załączanie opornika dociążającego, lecz jego wadą jest znaczny stopień skomplikowania układu, ponieważ w ymaga stabilizatora napięcia, komparatora napięcia, napięcia referencyjnego i rozbudowanego układu sterującego.There is a system known from the Polish patent specification PL215862 B1 that allows for a temporary increase of the loading current for the external relay contact by controlled switching on the loading resistor, but its disadvantage is a significant degree of complexity of the system, because it requires a voltage stabilizer, voltage comparator, reference voltage and an extensive control system.

Znane jest również rozwiązanie techniczne dwustanowego układu przełączającego zawierające elementy sterowania w formie dzielnika złożonego z kondensatora i rezystora z równolegle podłączoną diodą, który steruje przekaźnikiem elektromechanicznym i zapewnia izolacje na stykach i służy do czasowego załączania obciążenia (forum elektroda.pl, temat „Softstart baterii kondensatorów, nr wpisu #4: „prezeswal”, 28 Cze 2009 22:29). Układ ten nie nadaje się jednak do załączania napięć przemiennych oraz wymaga stosowania przekaźnika, który jest elementem wielkogabarytowym. Nie nadaje się również do zastosowania w dwustanowych układach sterowania urządzeń przemysłowych ze względu na niepowtarzalne parametry, na przykład histerezy.There is also a known technical solution of a two-state switching system containing control elements in the form of a divider consisting of a capacitor and a resistor with a diode connected in parallel, which controls the electromechanical relay and provides insulation on the contacts and is used for temporary load switching (forum elektroda.pl, topic "Soft start of capacitor bank , entry number # 4: "Prezywal", 28 Jun 2009 22:29). However, this system is not suitable for switching alternating voltages and requires the use of a relay, which is a large-size element. It is also not suitable for use in two-state control systems of industrial devices due to unique parameters, e.g. hysteresis.

Istotą wynalazku jest dwustanowy układ wejściowy, który zawiera opornik wejściowy połączony szeregowo z wejściem mostka prostowniczego i od plusa mostka prostowniczego poprzez diodę Zenera oraz źródło prądowe do anody diody świecącej transoptora przełączającego, której katoda połączona jest z minusem mostka prostowniczego. Opornik obciążający połączony jest z jednej strony z plusem mostka prostowniczego, a z drugiej strony z kluczem wysokonapięciowym normalnie otwa rtym. Klucz transoptora przełączającego normalnie otwarty połączony jest z opornikiem wyjściowym będącym układem polaryzacji i opornikiem szeregowym, który jest połączony z kondensatorem filtrującym, stanowiąc obwód całkujący i wejściem, przerzutnika Schmitta. Wyjście przerzutnika Schmitta połączone jest z diodą świecącą transoptora wysokonapięciowego poprzez opornik ograniczający. Opornik obciążający połączony z analogowym stykiem normalnie otwartym, transoptora wysokonapięciowego tworzy dzielnik oporowy poprzez mostek prostowniczy z opornikiem wejściowym dla zasilania diody Zenera. Równolegle za opornikiem wejściowym i mostkiem prostowniczym, pomiędzy zacisk dodatni i ujemny mostka prostowniczego, włączony jest układ dociążający złożony z klucza analog owego normalnie otwartego, którego pierwszy styk połączony jest szeregowo z opornikiem dociążającym, a jego wejście sterujące połączone jest z jedną stroną szeregowego dwójnika załączającego złożonego z kondensatora będącego w dwójniku załączającym i z opornika będącego w dwójniku załączającym i podłączonego z drugiej strony do zacisku dodatniego mostka prostowniczego. Do wejścia sterującego podłączone są również, jeden zacisk opornika polaryzującego i katoda diody zabezpieczającej, a jej anoda i drugi zacisk opornika polaryzującego oraz drugi styk klucza analogowego normalnie otwartego podłączone są do zacisku ujemnego mostka prostowniczego.The essence of the invention is a two-state input circuit, which includes an input resistor connected in series with the input of the rectifier bridge and from the plus of the rectifier bridge through the zener diode and the current source to the anode of the light diode of the switching optocoupler, the cathode of which is connected to the minus of the rectifier bridge. The load resistor is connected, on the one hand, to the plus of the rectifier bridge, and on the other hand, to the normally open high-voltage key. The switch of the normally open switching optocoupler is connected to the output resistor being a bias circuit and a series resistor which is connected to the filter capacitor as an integrating circuit and input of the Schmitt trigger. The output of the Schmitt trigger is connected to the light-emitting diode of the high-voltage optocoupler through a limiting resistor. The load resistor connected to the analog normally open contact of the high voltage optocoupler forms a resistance divider through a rectifier bridge with an input resistor to power the zener diode. Parallel after the input resistor and the rectifier bridge, between the positive and negative terminals of the rectifier bridge, a load circuit is connected, consisting of a normally open analog key, the first contact of which is connected in series with the load resistor, and its control input is connected to one side of the serial switching junction consisting of a capacitor in the closing two-terminal and a resistor in the closing two-terminal and connected on the other side to the positive terminal of the rectifier bridge. Also connected to the control input are one terminal of the polarizing resistor and the cathode of the protection diode, and its anode and the other terminal of the polarizing resistor and the other contact of the normally open analog key are connected to the negative terminal of the rectifier bridge.

Zaletą układu jest ograniczenie prądu na oporności opornika wejściowego włączonego przed mostek prostowniczy. Ograniczenie prądu na jego oporności chroni mostek prostowniczy przed krótkotrwałymi napięciami udarowymi mogącymi pojawić się w układzie wejściowym podczas przełączeń energetycznych, przy zachowaniu pozostałych parametrów układu wejściowego.The advantage of the system is the limitation of the current through the resistance of the input resistor connected before the rectifier bridge. Limiting the current on its resistance protects the rectifier bridge against short-term surge voltages that may appear in the input circuit during power switching, while maintaining other parameters of the input circuit.

PL 221 498 B1PL 221 498 B1

Zaletą układu według wynalazku jest też możliwość uzyskania odpowiednio dużego prądu łączeniowego styku przekaźnika zewnętrznego włączonego w obwód z układem wejściowym ograniczonym w czasie stałą czasową układu RC i z zachowaniem możliwości pracy w szerokim zakresie napięć wejściowych oraz bariery przeciwzakłóceniowej. Jest to realizowane kosztem niewielkiego zwiększenia mocy wydzielanej w układzie w chwili podania napięcia.The advantage of the system according to the invention is also the possibility of obtaining a sufficiently high switching current of the external relay contact connected to the circuit with the input circuit limited in time by the time constant of the RC circuit and maintaining the possibility of operation in a wide range of input voltages and the anti-interference barrier. This is done at the cost of a slight increase in the power dissipated in the system when voltage is applied.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku w postaci schematu.The subject of the invention is shown in the example in the form of a diagram in the drawing.

W układzie wyróżnione są dwa stany: przed przełączeniem i po przełączeniu. Pierwszy występuje, gdy napięcie na wejściu jest niższe od napięcia progowego przełączania. Napięcie wejściowe WE poprzez opornik wejściowy R1 będący częścią dzielnika oporowego wraz z opornikiem R2, mostek diodowy M i diodę Zenera DZ wymusza w źródle prądowym ŹP prąd, który przepływa przez diodę świecącą transoptora przełączającego TP. Źródło prądowe ŹP wymusza stałą wartość prądu niezależnie od napięcia wejściowego, przez co straty mocy są ograniczane.Two states are distinguished in the system: before and after the change-over. The first occurs when the input voltage is below the switching threshold voltage. The input voltage WE through the input resistor R1, which is part of the resistance divider together with the resistor R2, the diode bridge M and the Zener diode DZ, forces the current source in the current source, which flows through the light diode of the switching optocoupler TP. The CPR current source forces a constant current value regardless of the input voltage, thus reducing power losses.

Dopóki napięcie na dzielniku oporowym złożonym z oporników wejściowego R1 i obciążającego R2 jest niższe od napięcia diody Zenera DZ, nie działa źródło prądowe ŹP i prąd przez diodę świecącą nie płynie. Analogowy styk czynny normalnie otwarty transoptora przełączającego TP jest rozwarty i na wejście przerzutnika Schmitta PS podane jest napięcie przez oporniki wyjściowy R4 i szeregowy M3. Opornik szeregowy R3 z kondensatorem filtrującym C tworzą układ całkujący określający stałą czasową działania układu. Na wyjściu przerzutnika Schmitta PS i na wyjściu WY układu jest stan niski. W tym stanie przez diodę świecącą transoptora wysokonapięciowego TW płynie prąd poprzez opornik ograniczający R5 i analogowy styk czynny normalnie otwarty tego transoptora przewodzi i występuje przepływ prądu przez opornik obciążający R2. Powoduje to spadek oporności układu widziany od strony wejścia układu WE. Gdy napięcie na dzielniku oporowym złożonym z oporników wejściowego R1 i obciążającego R2 wzrasta powyżej napięcia diody Zenera DZ, źródło prądowe ŹP zaczyna działać i przez diodę świecącą transoptora TP zaczyna płynąć prąd o stałej wartości określonej przez wydajność źródła prądowego ŹP. Analogowy styk czynny transoptora przełączającego TP zostaje zwarty i na oporniku wyjściowym R4 pojawia się spadek napięcia. Ten spadek napięcia z opóźnieniem zależnym od opornika szeregowego R3 i kondensatora filtrującego C wywołuje zmianę napięcia wejściowego przerzutnika Schmitta PS, co spowoduje poniżej pewnego progu przełączania zmianę stanu przerzutnika Schmitta PS i zmianę stanu na wyjściu WY na wysoki.As long as the voltage on the resistive divider composed of the input resistors R1 and the load resistors R2 is lower than the voltage of the Zener diode DZ, the current source ZP does not work and the current does not flow through the light-emitting diode. The analog normally open active contact of the switching optocoupler TP is open and the input of the Schmitt trigger PS is supplied with voltage through the output resistors R4 and serial M3. The series resistor R3 with the filter capacitor C form an integrating circuit that determines the time constant of the circuit operation. There is a low state at the output of the Schmitt trigger PS and at the output WY of the circuit. In this state, a current flows through the light-emitting diode of the high-voltage optocoupler TW through the limiting resistor R5 and the analog normally open contact of this optocoupler conducts and the current flows through the load resistor R2. This causes a decrease in the resistance of the system as seen from the input side of the WE circuit. When the voltage across the resistive divider of the input resistors R1 and the load resistors R2 increases above the voltage of the Zener diode DZ, the current source ZP starts to work and a constant current starts flowing through the light-emitting diode of the optocoupler TP, determined by the efficiency of the current source ZP. The analog active contact of the switching optocoupler TP is closed and a voltage drop appears at the output resistor R4. This voltage drop with a delay depending on the series resistor R3 and the filter capacitor C causes the input voltage of the Schmitt trigger PS to change, which will cause the Schmitt trigger PS to change state below a certain switching threshold and to change the state at the output WY to high.

Dioda świecąca transoptora wysokonapięciowego TW gaśnie, jego analogowy styk czynny rozwiera się i prąd przestaje płynąć przez opornik obciążający R2. Oporność układu widziana od strony wejścia WE wzrasta. Wartość napięcia załączania układu jest zależna od wartości oporników wejściowego R1 i obciążającego R2, stanowiących wejściowy dzielnik oporowy i napięcia pracy Uz diody Zenera DZ. Wartość napięcia wyłączania jest zależna od napięcia diody Zenera DZ. Dwustanowy układ wejściowy posiada histerezę napięciową. Dodatkowo w układzie zastosowano układ dociążający włączony między zacisk dodatni i ujemny mostka prostowniczego M. Układ dociążający złożony jest z klucza analogowego T normalnie otwartego (tranzystor MOS, bipolarny, IGBT) z włączonym szeregowo opornikiem dociążającym R7. Zamknięcie klucza analogowego T dociąża wejście dwustanowe w pierwszej chwili po podaniu na nie napięcia. Wysterowanie tego układu uzależnione jest od stałej czasowej szeregowego dwójnika załączającego złożonego z opornika w dwójniku załączającym R6 i kondensatora w dwójniku załączającym C1, oraz będącego wraz z nimi w dzielniku opornika polaryzującego R8. Dioda D podłączona równolegle do opornika polaryzującego R8 zapobiega podaniu ujemnego napięcia na wejście sterujące WS klucza analogowego T, przez to nie dopuszcza do jego uszkodzenia podczas rozładowania pojemności w dwójniku załączającym C1.The LED of the high-voltage optocoupler TW goes out, its analog active contact opens and the current stops flowing through the load resistor R2. The system resistance seen from the WE input side increases. The value of the switching voltage of the system depends on the value of the input resistors R1 and the loading resistors R2, which are the input resistance divider, and the operating voltage Uz of the DZ Zener diode. The value of the cut-off voltage depends on the voltage of the Zener diode DZ. The two-state input circuit has a voltage hysteresis. Additionally, the system uses a load circuit connected between the positive and negative terminals of the M rectifier bridge. The load circuit is composed of a normally open T analog key (MOS, bipolar transistor, IGBT) with a load resistor R7 connected in series. Closing the T analog key charges the binary input at the first moment after applying voltage to it. The control of this system depends on the time constant of the serial switching two-terminal block consisting of a resistor in the switching two-terminal R6 and a capacitor in the switching two-terminal C1, and the polarizing resistor R8, which is in the divider. The D diode, connected in parallel to the R8 polarizing resistor, prevents negative voltage from being applied to the control input WS of the analog key T, thus preventing its damage during the discharge of the capacitance in the switching two-terminal C1.

Claims

Patent claims

1. A two-state variable resistance input circuit with galvanic isolation, including a rectifier, a Zener diode, a current source, a switching optocoupler, a high-voltage optocoupler, a resistive divider consisting of an input and load resistor, a Schmitt trigger, an integrating circuit and a polarization circuit, characterized in that the input resistor (R1) is connected in the circuit before the rectifying bridge (M), which is in the resistance divider with the load resistor (R2).

2. The binary input circuit according to claim A load circuit in accordance with claim 1, characterized in that at the input of the binary circuit (WE) after the input resistor (R1) and the rectifier bridge (M), a load circuit consisting of a normally open analog key (T), whose first contact (S1) is connected

The PL 221 498 B1 is connected in series with the load resistor (R7), and its control input (WS) is connected to one side of the serial switching two-terminal composed of a capacitor in the closing two-way terminal (C1), and a resistor in the closing two-terminal (R6) and connected to the positive terminal of the rectifier bridge (M) and to the control input (WS), one terminal of the polarizing resistor (R8) and the cathode of the protection diode (D) are connected, and its anode and the other terminal of the polarizing resistor (R8) the contact (S2) of the normally open analog key (T) is connected to the negative terminal of the rectifier bridge (M).