RO126003A2 - Sistem de alimentare pentru releu electronic pilotat de microcontroler - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de alimentare a unui releu electronic inteligent, care încorporează un microcontroler sau un alt circuit electronic echivalent. Sistemul conform invenţiei are în componenţă un redresor (1) cu filtru, aflat în legătură cu un regulator (2), în serie cu care este montat un element (3) de acţionare, o referinţă (4) de tensiune asigurând o prestabilizare a tensiunii la intrarea unui stabilizator (6) serial, prin care este alimentat un microcontroler (7), curentul de repaus fiind sesizat pe un element (5) de reacţie care controlează regulatorul (2), microcontrolerul (7) care acţionează asupra elementului (3) de acţionare fiind pus în legătură cu nişte traductoare (10) analogice sau digitale, cu nişte butoane (11) de acţionare sau cu o interfaţă de comunicaţie (8) ce utilizează o reţea de curent alternativ.

Description

SISTEM DE ALIMENTARE PENTRU RELEU ELECTRONIC PILOTAT DE MICROCONTROLER

b) Precizarea domeniului tehnic in care poate fi folosita invenția;

Prezenta invenție se refera la un sistem de alimentare al unui releu electronic inteligent ce incorporează un microcontroler sau alte circuite electronice echivalente. Releul electronic conține un sistem electronic de comanda ce actioneaza bobina unui releul electromecanic sau actioneaza asupra unui dispozitiv semiconductor de putere (tiristor, triac, tranzistor). Datorita varietatii sistemelor de alimentare, bobinele releelor electromecanice sunt dimensionate pentru diverse valori ale tensiunii si frecventei tensiunii de alimentare (tensiuni continue sau alternative). Aceasta duce la necesitatea selecției tipului de releu electronic in stricta corespondenta cu tensiunea utilizata de aplicația in care este folosit. Prezenta invenție permite realizarea unui releu electronic universal a cărui tensiune de alimentare poate fi atat continua cat si alternativa (indiferent de tipul sistemului de distribuție energetic in instalație) fara a fi necesara comutarea mai multor nivele ale tensiunii de intrare si fara a utiliza un transformator sau un convertor DC-DC separat. Invenția este destinata domeniului automatizărilor, a electronicii de larg consum sau acționarii unor subansamble in aparatura științifica. Invenția poate fi aplicata in relee de timp, termostate electronice, relee de semnalizare, relee de poziție etc, in general se poate aplica tuturor releelor care necesita gabarit mic si alimentare direct din rețeaua de tensiune sau din bateriile de acumulatoare ale stafiilor electrice, ale minicentralelor solare sau eoliene. Invenția este extrem de benefica daca se implementează echipamentelor care necesita interschimbabilitate indiferent de tensiunea de alimentare (adica tara de destinație a echipamentului sau aplicația in care funcționează) si consum redus.

GL- 2 Ο Ο 9 - Ο Ο 3 θ 5 - 1 ί “W ίυύϋ

c) Indicarea stadiului anterior al tehnicii si indicarea documentelor care stau la baza acestuia;

Studiul brevetelor de invenție americane din ultimii 20 de ani, cu referire la sisteme de alimentare si comanda pentru relee electromagnetice sau statice, arata existenta următoarelor soluții:

alimentarea si comanda elementului de acționare se poate face utilizând un circuit integrat specializat care detectează trecerea prin zero a tensiunii rețelei de alimentare. Elementul de execuție este un releu electromagnetic a cărui contact este conectat in paralel cu un triac. Secventialitatea conectării tandemului releutriac ajuta la creșterea duratei de viata a contactelor releului [1];

alimentarea releului static cu optocuplor si triac se face clasic cu tranzistor open colector [2] de la tensiune redusa iar amortizarea supratensiunilor pe triac se realizează prin circuite de stingere RC. Releul static are exact aceeași funcție ca in [1] de a evita producerea arcului electric intre contactele releului electromagnetic la închiderea si deschiderea circuitului de forța ;

alimentarea unui releu static convențional cu posibilitatea reducerii radiațiilor electromagnetice perturbatoare este prezentat in [3], Folosește o tensiune continua de alimentare fara a preciza in mod direct cum se obține;

alimentarea releului in [4] se face pe baza unui convertor DC-DC ce generează secvențial doua tensiuni, una mai mare pentru acționarea bobinei elementului de acționare si apoi una mai redusa pentru menținerea acestuia in stare actionata; utilizarea unui convertor DC-DC urmat de un generator de curent constant ce alimentează bobina elementului de acționare [5];

utilizarea unui releul electromagnetic de curent permite comutarea unui circuit electronic comandat de un aplificator operațional pentru a asigura o variație de curent prin bobina suficienta pentru a menține contactele releului închise [6]; alimentarea bobinei releului electromagnetic cu o tensiune variabila provenita dintr-un stabilizator liniar, tensiunea este mai mare la momentul acționarii si mai redusa pe durata acționarii [7];

un sistem electronic detectează valoarea tensiunii de intrare cuprinsa intre doua praguri si comuta tensiunea pe releul electromagnetic in funcție de aceasta [8];

un sistem de alimentare DC-DC ridica tensiunea scăzută de intrare si stochează

ίλ - 2 Ο Ο 9 - O o j b 5 - ¹ I -05- 2CC9 tiristor care descarcă condensatorul pe bobina unui electromagnet de tensiune redusa producând mișcarea armaturii acesteia [9];

d) Expunerea invenției in termeni care sa permită înțelegerea problemei tehnice si a soluției asa cum este revendicata precum si avantajele invenției in raport cu stadiul anterior al tehnicii;

Prezenta invenție se refera la un sistem de alimentare pentru un releu electronic inteligent pilotat de un microcontroler sau de un alt tip de circuit electronic echivalent. Releul electronic clasic este un dispozitiv ce conține un element de acționare si un circuit electronic ce comanda elementul de acționare. Elementul de acționare poate fi un releu sau un dispozitiv semiconductor (tranzistor, tiristor sau triac) si se caracterizează printr-un circuit de comanda de mica putere (bobina releului sau electrodul de comanda al dispozitivului semiconductor) si un circuit de forța (cu rol de întrerupător sau comutator) definit de tensiunea si curentul nominal pe care poate sa-l rupă fara a se defecta. Elementul de acționare se dimensionează in funcție de aplicația in care funcționează releul electronic, de aceea in general releele nu sint interschimbabile intre instalații lucrând la tensiuni diferite. Invenția permite realizarea unui releu electronic universal cu funcționare fiabila indiferent de variația tensiunii de alimentare si a tipului acesteia (tensiune continua sau alternativa) in limite foarte largi (de la 4% la 100% din tensiunea maxima de alimentare) avand si funcție multipla: releu de timp, de temperatura, de poziție, releu inteligent, etc. Avantajul imediat este posibilitatea utilizării releului in orice tara din lume indiferent de sistemul de alimentare cu energie electrica al acesteia sau in instalații cu tipuri diferite de tensiuni (continue sau alternative) fara sa conteze polaritatea alimentarii releului. Invenția utilizează dispozitive semiconductoare ce reprezintă un standard industrial fiind ieftine si disponibile oriunde.

Sunt revendicate: sistemul de alimentare al releului electronic pilotat de microcontroler, ce permite alimentarea elementului de execuție si a celui de comanda cu orice tensiune de alimentare continua sau alternativa cuprinsa intre tensiunea minima de lucru a elementului de acționare si tensiunea maxima a rețelei de alimentare, faptul ca sistemul de alimentare poate alimenta un element de acționare electromecanic sau unul electronic, faptul ca disipatia termica a elementelor regulatoare ale sistemului de

©<- 2009-00365-1 1 -05- 2009 de alimentare, faptul ca sistemul de alimentare permite conectarea traductorilor digitali sau analogici direct la microcontroler, faptul ca sistemul de alimentare permite alimentarea dispozitivelor de semnalizare cu LED-uri sau cu cristale lichide, faptul ca permite comanda elementului de acționare manual sau automat prin microcontroler, faptul ca permite comunicarea intre dispozitive similare alimentate din aceeași rețea de tensiune alternativa utilizând ca mediu de comunicație insasi rețeaua de alimentare.

e) Prezentarea pe scurt a desenelor explicative

Figura 1. Aceasta figura prezintă schema bloc a sistemului de alimentare pentru releu electronic pilotat de microcontroler.

Tensiunea de alimentare (9) (10V...240V), curent alternativ sau curent continuu, este redresata si filtrata in redresorul si filtrul (1) dimensionat pentru valorile maxime ale tensiunii de intrare si aplicata unui regulator (2). In serie cu elementul regulator se gaseste elementul de acționare (3) care poate fi un releu electromagnetic sau un releu static cu triac sau tiristor. O referința de tensiune (4) asigura o prestabilizare a tensiunii la intrarea stabilizatorului serial (6) ce alimentează microcontrolerul (7). Curentul de repaus al ansamblului este sesizat pe elementul de reacție (5) care controlează regulatorul (2). Microcontrolerul (7) actioneaza asupra elementului de acționare (3) modificând curentul absorbit de acesta. La microcontroler (7) sunt conectați o serie de traductori analogici (10) sau digitali (nefigurati), butoane de acționare (11) sau interfața de comunicație ce utilizează rețeaua de curent alternativ (8). A, B si C reprezintă puncte de test unde sunt măsurate tensiunile.

Figura 2. Figura prezintă un exemplu de aplicare al invenției pentru un element de acționare cu semiconductor (triac).

Tensiunea de alimentare (10V...240V) alternativa sau continua se aplica prin conectorul

J102 si rezistenta R107 la intrarea punții redresoare D103. Condensatorul C102 asigura filtrajul tensiunii redresate. Q101 este tranzistorul regulator, polarizat prin rezistentele R101 si R102. Q102 realizează comanda tranzistorului regulator. R103 si R104 asigura

c\-l 0 0 9-00365-- W

1 -05- 2009 polarizarea tranzistorului Q102. Q103 este tranzistorul de reacție si este polarizat prin R104, R105 si R106.

R112, R113, optocuplorul U101, rezistentele R114, R115 si triacul Q105 reprezintă releul static (sau ansamblul elementului de acționare). D102 este preregulatorul de tensiune iar C103 condensatorul de filtraj al acestuia. Circuitul de comanda al releului static este format din R108, R111 si Q104. Circuitul de semnalizare al acționarii releului static este format din D104 si R109. C104 împreuna cu R108 este un filtru al tensiunii de intrare. U101 este stabilizatorul liniar. C105 este filtrul de ieșire al stabilizatorului liniar. Microcontrolerul U102 actioneaza asupra tranzistorului Q104 prin intermediul R110. Traductorul analogic R117 este conectat la intrarea analogica IN1 a microcontrolerului. Butonul S102, polarizat prin rezistenta R118 este conectat la intrarea digitala IN2 a microcontrolerului. Un LED de semnalizare auxiliar D106 este conectat prin R116 la ieșirea digitala OUT2 a microcontrolerului U102.

Figura 3 prezintă un exemplu de aplicare al invenției pentru un element de acționare electromagnetic (releu).

Tensiunea de alimentare (10V...240V) alternativa se aplica prin conectorul J2 si rezistenta R7 la intrarea punții redresoare D3. Condensatorul C2 asigura filtrajul tensiunii redresate. Q1 este tranzistorul regulator, polarizat prin rezistentele R1 si R2. Q2 realizează comanda tranzistorului regulator. R3 si R4 asigura polarizarea tranzistorului Q2. Q3 este tranzistorul de reacție si este polarizat prin R4, R5 si R6. Elementul de execuție este releul K1. D1 este dioda supresoare a inductantei bobinei releului K1. D2 este preregulatorul de tensiune iar C3 condensatorul de filtraj al acestuia. Circuitul de comanda al releului electromagnetic este format din R8, R11 si Q4. Circuitul de semnalizare al acționarii releului electromagnetic este format din D4 si R9. C4 împreuna cu R8 este un filtru al tensiunii de intrare. U1 este stabilizatorul liniar. C5 este filtrul de ieșire al stabilizatorului liniar. Microcontrolerul U2 actioneaza asupra tranzistorului Q4 prin intermediul R10. Un senzor de temperatura digital (U3) este conectat la intrarea digitala IN2 a microcontrolerului U2. Ieșirea OUT2 a microcontrolerului U2 este conectata la intrarea unei interfețe modulatoare de comunicație X10 (U4). Ieșirea interfeței modulatoare se conectează la rețeaua de tensiune alternativa.

lM Ο Ο 9 - Ο Ο 3 6 5 - 1 1 -05- 2G03

Figura 4 prezintă formele de unda ale tensiunilor in punctele A, B si C (din figurai) pentru starea neactionata a elementului de acționare inductiv

Figura 5 prezintă formele de unda ale tensiunilor in punctele A, B si C (din figurai) pentru starea actionata a elementului de acționare inductiv

f) Expunerea detailata a invenției pentru care se solicita protecția

Invenția se refera la un ansamblu electronic de alimentare a cărui schema bloc este prezentata in figura 1. Ansamblul se compune dintr-un circuit serie format din redresorul si filtrul (1), un element regulator (2), elementul de acționare (3) care poate fi un releu electromagnetic sau un releu static cu triac sau tiristor, o referința de tensiune (4) si elementul de reacție (5) care controlează regulatorul (2). Referința de tensiune (4) asigura si o prestabilizare a tensiunii la intrarea stabilizatorului serial (6) ce alimentează microcontrolerul (7). Microcontrolerul (7) actioneaza asupra elementului de acționare (3) modificând curentul absorbit de acesta si implicit curentul in întregul circuit serie descris. La microcontrolerul (7) sunt conectați o serie de traductori analogici (10) sau digitali (nefigurati), butoane de acționare (11) sau interfața de comunicație pentru rețeaua de curent alternativ (8). A, B si C reprezintă puncte de test unde sunt măsurate tensiunile.

Tensiunea continua sau alternativa de intrare (9) este redresata si filtrata in blocul redresor si filtru (1). Daca tensiunea este continua, redresarea are doar rolul de a permite conectarea oricărei polaritati la bornele de alimentare (9). Regulatorul (2) asigura un curent de repaus prin elementul de acționare (3), referința de tensiune (4) si elementul de reacție (5). Situația de repaus a elementului de acționare este evidențiata in figura 4 unde tensiunea medie de alimentare a elementul de acționare este mai mica decât tensiunea de menținere a acestuia (ecuația 1).

Uc-Ub < Um ecuația 1

Unde: Uc = tensiunea in punctul C

Ub = tensiunea in punctul B

^- 2009-00365

1 -G5- 2009

In repaus, tensiunea la bornele elementului de acționare oscilează in limitele impuse de elementul de reacție (5) asigurând o tensiune Ub > Vref unde Vref este tensiunea stabilizata de referința (4). Tensiunea Ub este aplicata la intrarea unui stabilizator de tensiune (6) care alimentează microcontrolerul (7) sau circuitul electronic echivalent. Curentul consumat de blocurile (6) respectiv (7) este suficient de mic pentru a menține condiția stipulata de ecuatial. Microcontrolerul (7) prin programul înscris in acesta, comanda elementul de acționare prin însumarea unui curent suplimentar prin elementul de acționare (3) astfel incat:

Uc-Ub > Ua ecuația 2

Unde: Uc = tensiunea in punctul C

Ub = tensiunea in punctul B

Ua = tensiunea de anclansare a elementului de acționare

Situația in care elementul de acționare a fost comandat este evidențiat in figura 5 unde in momentul inițial este satisfăcuta ecuatia2. Apoi elementul de reacție sesizează modificarea circulației de curent si comanda regulatorul (2) in sensul blocării momentane a acestuia. Blocarea regulatorului duce la satisfacerea ecuației 3.

Uc-Ub > Um ecuația 3

Unde: Uc = tensiunea in punctul C

Ub = tensiunea in punctul B

Um = tensiunea de menținere a elementului de execuție

Astfel elementul de acționare este alimentat cu o tensiune medie cuprinsa intre tensiunea de anclansare Ua si tensiunea de menținere Um. Frecventa de oscilație a acestei tensiuni este dependenta de inductanta (sau impedanta) elementului de acționare si de capacitatea de reglaj destinata acestui scop (C1 figura3, C101 figura2) si se ajusteaza la o valoare convenabila tipului de element de acționare.

Un prim exemplu de realizare al invenției este prezentat in schema detaliata din figura 2 unde elementul de acționare este repre; r dioda-fototriac

U103 ce comanda un triac de putere Q105. Curentul prin fotodioda este limitat de R113 si D101, in timp ce R112 este dimensionata pentru a satisface ecuatia2 respectiv ecuația 3. Sarcina (care in acest exemplu este rezistiva) se montează in serie cu conectorul J101 la rețeaua de curent alternativ. Un traductor analogic rezistiv de deplasare R117 este conectat la intrarea analogica IN1 a microcontrolerului U102. Un buton S101 si un LED de semnalizare D106 sunt conectate pe bornele IN2 respectiv OUT2 a microcontrolerului U102. După ce are loc alimentarea cu energie la bornele J102, o apasare a butonului S101 duce la anclansarea triacului Q105 si semnalizarea stării de anclansare prin LED-ul D104. Modificarea rezistentei traductorului rezistiv sub o valoare de prag prestabilita prin program duce la blocarea triacului Q105, stingerea LED-ului D104 si aprinderea intermitenta a LED-ului D106.

Cel de-al doilea exemplu de realizare al invenției este prezentat in figura 3. Figura reprezintă schema electronica detaliata a unui releu inteligent ce poate comunica prin rețeaua de tensiune alternativa (aceeași cu rețeaua de alimentare a dispozitivului) utilizând un protocol specializat X10. Elementul de acționare este un releu electromagnetic K1. Un senzor de temperatura pe bus de un fir U3 comunica cu microcontrolerul U2 prin pinul bidirecțional IN/OUT2. In microcontroler este implementat un ceas de timp real. La intervale de timp prestabilite, microcontrolerul citește temperatura ambianta de la senzorul de temperatura si trimite valoarea acesteia prin interfața U4 unui dispozitiv conectat la aceeași rețea de tensiune alternativa printr-o interfața X10 similara. Prin programul înscris in microcontroler se actioneaza releul K1 ori de cate ori temperatura ambianta este mai mica decât o temperatura prestabilita prin program, cu un histerezis programat inițial. Prestabilirea temperaturii se poate face din butoane iar afișarea acesteia local se poate realiza pe un LCD conectat la microcontroler pe același bus cu butoanele (aceste elemente nu sunt figurate in figura 3 pentru simplificarea exemplului de aplicație)

Claims (8)

1. Sistem de alimentare al unui releu electronic caracterizat prin aceea ca poate fi alimentat cu orice tensiune de alimentare continua sau alternativa cuprinsa intre tensiunea nominala necesara comenzii elementului de acționare si maximul tensiunii rețelei de alimentare.

2. Sistem de alimentare al unui releu electronic conform cu revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca elementul de acționare poate fi electromagnetic (releu) sau electronic (tiristor, triac, tranzistor).

3. Sistem de alimentare conform cu revendicările 1 si 2 caracterizat prin aceea ca elementul de comanda este un microcontroler sau un circuit electronic echivalent.

4. Sistem de alimentare conform cu revendicările 1, 2 si 3 caracterizat prin aceea ca disipatia termica a elementelor regulatoare este menținută la valoare minima (nu se încălzesc) indiferent de valoarea tensiunii de alimentare si a tipului acesteia (AC sau DC).

5. Sistem de alimentare conform cu revendicarea 3, caracterizat prin aceea ca permite conectarea la elementul de comanda a traductorilor digitali sau analogici. Traductorii utilizați trebuie sa fie izolați galvanic de instalația pe care o deservesc.

6. Sistem de alimentare conform cu revendicarea 3, caracterizat prin aceea ca permite conectarea la elementul de comanda a unor dispozitive de semnalizare sau afișare cu consum redus ( cristale lichide sau LED-uri eficiente).

7. Sistem de alimentare conform cu revendicarea 3, caracterizat prin aceea ca permite comanda elementului de execuție manual (de către un operator prin intermediul unor butoane) sau automat (de către programul înscris in microcontroler).

1 O O 9 - O O 3 6 5 - 1 > -35- 2359

8. Sistem de alimentare conform cu revendicările 3, 4, 5, 6 si 7, caracterizat prin aceea ca permite comunicarea prin protocoale specializate ( de exemplu X10) intre dispozitive alimentate similar, utilizând pentru comunicație aceeași rețea de curent alternativ ca si pentru alimentarea releului electronic inteligent.