PL238724B1 - Układ detektora ładunku elektrycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ detektora ładunku elektrycznego, przeznaczony, w szczególności do detekcji ładunków elektrostatycznych, upływności ładunku lub wyładowań niezupełnych w eksperymentach z obszaru fizyki i elektrotechniki.

W znanym z polskiego opisu patentowego PL 227 598 B1 układzie do pomiaru wolnozmiennego ładunku elektrycznego - Fig. 4, wejście układu połączone jest z bramkami tranzystorów: pierwszego i drugiego oraz z końcówkami pierwszymi: klucza i kondensatora sprzęgającego, których końcówki drugie połączone są z połączonymi wyjściami: wzmacniacza oraz układu według wynalazku. Źródło tranzystora pierwszego połączone jest z końcówkami pierwszymi: rezystora trzeciego oraz kondensatora pierwszego, których końcówki drugie połączone są z poziomem odniesienia. Źródło tranzystora drugiego połączone jest z końcówkami pierwszymi: rezystora czwartego oraz kondensatora drugiego, których końcówki drugie połączone są z poziomem odniesienia. Dren tranzystora pierwszego połączony jest z emiterem tranzystora trzeciego oraz wyjściem pierwszym źródła prądowego pierwszego, którego wyjście drugie połączone jest z dodatnim wyjściem zasilającym. Dren tranzystora drugiego połączony jest z emiterem tranzystora czwartego oraz wyjściem pierwszym źródła prądowego drugiego, którego wyjście drugie połączone jest z ujemnym wyjściem zasilającym. Baza tranzystora trzeciego połączona jest z wyjściem układu zadającego napięcie drenu tranzystora pierwszego. Baza tranzystora czwartego połączona jest z końcówką pierwszą rezystora dziesiątego, którego końcówka druga połączona jest z końcówkami pierwszymi: kondensatora szóstego, rezystora ósmego, kondensatora czwartego i rezystora szóstego. Końcówki drugie: kondensatora szóstego oraz rezystora ósmego połączone są z poziomem odniesienia. Końcówki drugie: kondensatora czwartego oraz rezystora szóstego połączone są z ujemnym wyjściem zasilającym. Kolektory tranzystorów: trzeciego oraz czwartego połączone są z wejściem wzmacniacza.

Znany układ detektora ładunku elektrycznego, mimo skomplikowanej budowy, zastosowanie jego jest ograniczone, podatność na uszkodzenia jest duża, a przy tym, nie zapewnia bezpieczeństwa użytkownikowi.

Istota układu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku polega na tym, że elektrod a pierwsza połączona jest z końcówką pierwszą neonówki i ze stykiem zwiernym pierwszego zestyku przełączającego przekaźnika, którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora pierwszego, a elektroda druga połączona jest z końcówką pierwszą rezystora i ze stykiem zwiernym drugiego zestyku przełączającego przekaźnika, którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego. Końcówka druga neonówki połączona jest z końcówką drugą rezystora, wyjście pierwsze wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia połączone jest ze stykami rozwiernymi zestyków przełączających: pierwszego i drugiego przekaźnika. Neonówka umieszczona jest w nieprzeźroczystej obudowie, przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka pierwsza światłowodu. Fototranzystor umieszczony jest w nieprzeźroczystej obudowie, przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka druga światłowodu. Emiter fototranzystora połączony jest z pierwszym wejściem mikrokontrolera, którego wejście drugie połączone jest z kolektorem fototranzystora.

Układ detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, dzięki zastosowaniu separacji galwanicznej, w postaci światłowodu oraz przekaźnika, umożliwia bezpieczny pomiar ładunków elektrycznych w szerokim zakresie. Dzięki zastosowaniu układu mikrokontrolera wykonywany pomiar jest precyzyjny, a wyniki przesyłane są w dogodnej do dalszego przetwarzania formie cyfrowej. Układ cechuje się ponadto prostą budową i dużą niezawodnością działania.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat budowy układu detektora ładunku elektrycznego.

Elektroda pierwsza E1 połączona jest z końcówką pierwszą neonówki N i ze stykiem zwiernym pierwszego zestyku przełączającego przekaźnika P, którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora pierwszego C1. Elektroda druga E2 połączona jest z końcówką pierwszą rezystora R i ze stykiem zwiernym drugiego zestyku przełączającego przekaźnika P, którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego C2. Końcówka druga neonówki N połączona jest z końcówką drugą rezystora R. Wyjście pierwsze wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia HV połączone jest ze stykami rozwiernymi zestyków przełączających: pierwszego i drugiego przekaźnika P. Neonówka N umieszona jest w nieprzeźroczystej obudowie ON, przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka pierwsza światłowodu S. Fototranzystor T umie

PL 238 724 B1 szony jest w nieprzeźroczystej obudowie OT, przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka drugą światłowodu S. Emiter fototranzystora T połączony jest z pierwszym wejściem układu mikrokontrolera uK, którego wejście drugie połączone jest z kolektorem fototranzystora T. Końcówka pierwsza cewki przekaźnika P połączona jest z pierwszym wyjściem układu mikrokontrolera uK, którego wyjście drugie połączone jest z końcówką drugą cewki przekaźnika P. Port komunikacyjny układu mikrokontrolera uK stanowi wyjście Wy układu według wynalazku. Wyjście drugie wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia HV oraz końcówki drugie kondensatorów: pierwszego C1 i drugiego C2 połączone są z poziomem odniesienia.

W fazie pierwszej działania układu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, program układu mikrokontrolera uK ustawia stan niski napięcia na wyjściach układu mikrokontrolera uK: pierwszym i drugim. Stan niski napięcia na wyjściach: pierwszym i drugim układu mikrokontrolera uK poprzez końcówki pierwszą i drugą cewki przekaźnika P ustala stan niski napięcia zasilania przekaźnika P, po czym przekaźnik P przechodzi w stan wyłączenia, w którym styki zestyków przełączających przekaźnika P rozwierne: pierwszy i drugi są zwarte ze swoimi stykami wspólnymi oraz styki zwierne: pierwszy i drugi są, rozwarte ze swoimi stykami wspólnymi. Rozwarte styki zwierne zestyków przełączających przekaźnika P ze swoimi stykami wspólnymi, powodują odłączenie elektrod: pierwszej E1 i drugiej E2 od zasilania z końcówek pierwszych odpowiednio kondensatorów: pierwszego C1 i drugiego C2. Zwarte styki rozwierne zestyków przełączających przekaźnika P ze swoimi stykami wspólnymi powodują zamknięcie obwodów ładowania kondensatorów: pierwszego C1 i drugiego C2, a kondensatory: pierwszy C1 i drugi C2 są ładowane. Ładowanie kondensatora pierwszego C1 odbywa się w obwodzie złożonym z: zasilacza wysokiego napięcia HV i jego wyjścia pierwszego wysokiego napięcia, styku rozwiernego i styku wspólnego pierwszego zestyku przełączającego przekaźnika P, końcówki pierwszej kondensatora pierwszego C1, kondensatora pierwszego C1 i jego końcówki drugiej, poziomu odniesienia oraz wyjścia drugiego wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia HV. Ładowanie kondensatora drugiego C2 odbywa się w obwodzie złożonym z: zasilacza wysokiego napięcia HV i jego wyjścia pierwszego wysokiego napięcia, styku rozwiernego i styku wspólnego drugiego zestyku przełączającego przekaźnika P, końcówki pierwszej kondensatora drugiego C2, kondensatora drugiego C2 i jego końcówki drugiej, poziomu odniesienia i wyjścia drugiego wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia HV.

W fazie drugiej działania układu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, program układu mikrokontrolera uK, po upływie ustalonego czasu wymaganego do pełnego naładowania kondensatorów: pierwszego C1 i drugiego C2 do wartości napięcia zasilania, ustawia stan niski napięcia na wyjściu pierwszym oraz stan wysoki napięcia na wyjściu drugim układu mikrokontrolera uK. Stan niski napięcia na wyjściu pierwszym oraz stan wysoki napięcia na wyjściu drugim układu mikrokontrolera uK powoduje zasilanie i przejście przekaźnika P w stan włączenia, w którym styki zestyków przełączających przekaźnika P rozwierne: pierwszy i drugi są rozwarte ze swoimi stykami wspólnymi oraz styki zwierne: pierwszy i drugi są zwarte ze swoimi stykami wspólnymi. Zwarte styki zwierne zestyków przełączających przekaźnika P ze swoimi stykami wspólnymi, powodują zamknięcie obwodów zasilania elektrod: pierwszej E1 i drugiej E2 oraz napięcie z końcówki pierwszej kondensatora pierwszego C1 przez styk wspólny i styk zwierny pierwszego zestyku przełączającego przekaźnika P, podawane jest na elektrodę pierwszą E1, a napięcie z końcówki pierwszej kondensatora drugiego C2 przez styk wspólny i styk zwierny drugiego zestyku przełączającego przekaźnika P, podawane jest na elektrodę drugą E2. Podane napięcia na elektrody: pierwszą E1 i drugą E2 są sobie równe i powodują wyrównanie potencjałów obwodu zasilania neonówki N, złożonego z szeregowo połączonych: neonówki N i rezystora R. Wyrównanie potencjałów obwodu zasilania neonówki N, powoduje przerwanie przepływu prądu przez neonówkę N i w efekcie brak emisji przez nią światła.

W fazie trzeciej działania układu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, do elektrody pierwszej E1 zbliżany jest badany obiekt, w efekcie czego następuje przepływ ładunku elektrycznego w obszarze pomiędzy badanym obiektem a elektrodą pierwszą E1. Przepływ ładunku elektrycznego w otoczeniu elektrody pierwszej E1 powoduje stopniową zmianę jej potencjału względem elektrody drugiej E2. Różnica potencjałów pomiędzy elektrodami: pierwszą E1 i drugą E2 powoduje zasilenie obwodu zasilania neonówki N.

Po przekroczeniu wartości napięcia progowego zapalenia neonówki N, neonówka N zaczyna emitować światło, a jej rezystancja wewnętrzna gwałtownie maleje, powodując przepływ prądu przez obwód zasilania neonówki N i stopniowe wyrównywanie potencjałów pomiędzy elektrodami: pierwszą E1 i drugą E2. Emitowane światło przez neonówkę N trafia przez końcówkę pierwszą światłowo

PL 238 724 B1 du S do światłowodu S i dalej wewnątrz światłowodu S przekazywane jest do jego końcówki drugiej, z której emitowane jest na powierzchnię światłoczułą fototranzystora T, oświetlając go. Oświetlony fototranzystor T włącza się i zaczyna przewodzić prąd z wejścia drugiego układu mikrokontrolera uK do kolektora fototranzystora T i dalej przez fototranzystor T do jego emitera i wejścia pierwszego układu mikrokontrolera uK. Przepływ prądu przez wejścia: pierwsze i drugie układu mikrokontrolera uK jest wykrywane przez program mikrokontrolera uK i powoduje uruchomienie czasomierza układu mikrokontrolera uK.

W fazie czwartej działania układu detektora ładunku elektrycznego według wynalazku, napięcie pomiędzy elektrodami: pierwszą E1 i drugą E2 obniża się na tyle, że przekracza wartość napięcia progowego zgaszenia neonówki N i neonówka N przestaje emitować światło, a jej rezystancja wewnętrzna gwałtownie rośnie, powodując przerwanie przepływu prądu w obwodzie zasilania neonówki N. Zanik emisji światła przerywa proces oświetlania fototranzystora T i w efekcie fototranzystor T się wyłącza, przerywając przepływ prądu z wejścia drugiego układu mikrokontrolera uK do kolektora fototranzystora T i dalej przez fototranzystor T do jego emitera i wejścia pierwszego układu mikrokontrolera uK. Przerwanie przepływu prądu przez wejścia: pierwsze i drugie układu mikrokontrolera uK jest wykrywane przez program mikrokontrolera uK i powoduje zatrzymanie czasomierza układu mikrokontrolera uK. Program mikrokontrolera uK po zatrzymaniu czasomierza przelicza wartość odmierzonego czasu na wartość ładunku elektrycznego, która została utracona lub przyjęta przez elektrodę pierwszą El, następnie przesyła wyniki obliczeń przez port komunikacyjny układu mikrokontrolera uK do wyjścia Wy układu według wynalazku oraz uruchamia fazę pierwszą działania układu według wynalazku.

Claims (1)

1. Układ detektora ładunku elektrycznego, znamienny tym, że elektroda pierwsza (E1) połączona jest z końcówką pierwszą neonówki (N) i ze stykiem zwiernym pierwszego zestyku przełączającego przekaźnika (P), którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora pierwszego (C1), a elektroda druga (E2) połączona jest z końcówką pierwszą rezystora (R) i ze stykiem zwiernym drugiego zestyku przełączającego przekaźnika (P), którego styk wspólny połączony jest z końcówką pierwszą kondensatora drugiego (C2), końcówka druga neonówki (N) połączona jest z końcówką drugą rezystora (R), wyjście pierwsze wysokiego napięcia zasilacza wysokiego napięcia (HV) połączone jest ze stykami rozwiernymi zestyków przełączających: pierwszego i drugiego przekaźnika (P), przy czym neonówka (N) umieszczona jest w nieprzeźroczystej obudowie (ON), przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka pierwsza światłowodu (S), fototranzystor (T) umieszczony jest w nieprzeźroczystej obudowie (OT), przez ścianę której do jej wnętrza wprowadzona jest końcówka druga światłowodu (S), a emiter fototranzystora (T) połączony jest z pierwszym wejściem mikrokontrolera (uK), którego wejście dmgie połączone jest z kolektorem fototranzystora (T).