RU2568655C1 - Key element with real-time diagnostic function - Google Patents

Key element with real-time diagnostic function Download PDF

Info

Publication number
RU2568655C1
RU2568655C1 RU2014125910/03A RU2014125910A RU2568655C1 RU 2568655 C1 RU2568655 C1 RU 2568655C1 RU 2014125910/03 A RU2014125910/03 A RU 2014125910/03A RU 2014125910 A RU2014125910 A RU 2014125910A RU 2568655 C1 RU2568655 C1 RU 2568655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
keys
key element
input
control
Prior art date
Application number
RU2014125910/03A
Other languages
Russian (ru)
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АВТЭКС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "АВТЭКС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АВТЭКС"
Priority to RU2014125910/03A priority Critical patent/RU2568655C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2568655C1 publication Critical patent/RU2568655C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: key element is made as in-series circuit of at least two controlled keys represented by field effect transistors and power supply source. The device comprises pair-wise comparison unit for the controlled keys, which is designed to control and compare voltage drop at open in-series controlled keys.
EFFECT: improved authenticity of the keys control, continuous control is provided.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к средствам автоматики и телемеханики и может быть использовано в качестве высоконадежного переключающего элемента с малым временем переключения, в частности, в системах с блоками безопасности для контроля исправности силовых управляемых ключей.The invention relates to automation and telemechanics and can be used as a highly reliable switching element with a short switching time, in particular, in systems with safety units for monitoring the health of power controlled keys.

Известно устройство, содержащее управляемые ключи, к выходам которых через диоды подключены исполнительные органы, которое содержит также контрольное устройство, первый блок включения, через который общие точки управляемых ключей связаны с первой шиной источника питания, второй блок включения, включенный последовательно в цепь связи общих точек исполнительных органов со второй шиной источника питания, и токозадающие элементы, например резисторы, подключенные одними выводами к выходам управляемых ключей, а другими выводами - ко второй шине источника питания, вход контрольного устройства подключен параллельно первому блоку включения. Устройство позволяет проверить работоспособность каждого из выходных каскадов без нарушения функционирования системы управления, в которой оно установлено. При этом косвенно проверяется и сама система управления (см. патент РФ 2101748, G05B 23/00, G05B 23/02, 1996).A device is known that contains controlled keys, the outputs of which are connected via actuators to diodes, which also contains a control device, a first switching unit through which common points of controlled keys are connected to the first bus of the power supply, a second switching unit connected in series to the communication circuit of common points executive bodies with a second bus of the power source, and current-setting elements, for example, resistors, connected by one output to the outputs of controlled keys, and by other outputs to the second the power supply bus, the input of the control device is connected in parallel with the first switching unit. The device allows you to check the operability of each of the output stages without disrupting the functioning of the control system in which it is installed. At the same time, the control system itself is indirectly checked (see RF patent 2101748, G05B 23/00, G05B 23/02, 1996).

После включения питания перед проведением теста все ключи в известном устройстве закрыты. При этом ток через управляемые ключи устройства не протекает, исполнительные органы выключены, цепи токозадающих элементов разомкнуты, на входе фиксирующего устройства напряжение равно нулю и сигнал на его выходе отсутствует. В данном случае отсутствие сигнала на выходе фиксирующего устройства свидетельствует об отсутствии неисправности типа короткозамкнутого ключа.After turning on the power before the test, all keys in the known device are closed. In this case, the current does not flow through the controlled keys of the device, the actuators are turned off, the circuits of the current-sensing elements are open, the voltage at the input of the fixing device is zero and there is no signal at its output. In this case, the absence of a signal at the output of the locking device indicates the absence of a malfunction of the type of short-circuited key.

Для контроля управляемых ключей необходимо поочередно формировать команды на их открытие и не подавать управляющие сигналы на открытие блоков включения. В этом случае через соответствующий токозадающий элемент и открытый управляемый ключ потечет ток в цепь управления фиксирующего устройства, которое сработает на время подачи команды на ключ и выключится после ее снятия (в то время как при пробое любого ключа фиксирующего устройство будет формировать выходной сигнал постоянно).To control the controlled keys, it is necessary to form commands to open them one by one and not to send control signals to open the switching units. In this case, current will flow through the corresponding current-collecting element and the open controlled key to the control circuit of the fixing device, which will work for the time the command is issued to the key and turn off after it is removed (while the breakdown of any key of the fixing device will generate an output signal continuously).

Таким образом, известное устройство для проверки ключей требует перевода их в тестовый режим, что существенно ограничивает область его применения. В частности, его использование для контроля нормально замкнутых ключей блока безопасности возможно только при отключении данного блока на время тестирования. Это же обстоятельство снижает достоверность контроля, поскольку последний осуществляется не постоянно, а лишь периодически, при переводе устройства безопасности в тестовый режим.Thus, the known device for checking keys requires translating them into test mode, which significantly limits the scope of its application. In particular, its use for monitoring normally closed keys of a security unit is possible only when the unit is turned off during testing. The same circumstance reduces the reliability of the control, since the latter is not carried out continuously, but only periodically, when the safety device is put into test mode.

Наиболее близким к предложенному является ключевой элемент высоковольтного вентильного преобразователя, в который для диагностики введены блок резисторов, блок измерения сигналов, а силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов. С одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами. Первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика (см. Патент РФ 2417498, H02H 7/10, 05.04.2010).Closest to the proposed one is a key element of a high-voltage valve converter, into which a resistor block, a signal measuring unit are inserted for diagnostics, and the power switches of the high-voltage valve are divided into two parts, forming a midpoint connected to a common power bus of the signal measuring unit. On the one hand from the midpoint, current-limiting resistors are connected to the first terminals of the power switches of the high-voltage valve, and on the other, to their second terminals. The first conclusions of each of the resistors of the resistor block are connected to a common power supply bus of the signal measuring unit, and their second conclusions are connected respectively to the second conclusions of current-limiting resistors and the inputs of the signal measuring unit, the outputs of which are connected to the inputs of the optical transmitter (see RF Patent 2417498, H02H 7/10 04/05/2010).

В этом устройстве силовые ключи высоковольтного вентиля закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы блока измерения сигналов через токоограничивающие резисторы, где оно ограничивается резисторами блока резисторов, образующими с токоограничивающими резисторами так называемые делители напряжения. При «пробитом» силовом ключе высоковольтного вентиля напряжение равно нулю. При исправном силовом ключе высоковольтного вентиля величина напряжения отлична от нуля. Блок измерения сигналов измеряет величину напряжения на силовых ключах высоковольтного вентиля, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля непосредственно. Величину напряжения на остальных силовых ключах высоковольтного вентиля блок измерения сигналов определяет через разность напряжений между соседними делителями напряжения, выполняя в этом режиме функции блока сравнения со средней точкой.In this device, the power switches of the high-voltage valve are closed and an alternating voltage is present on them, which is supplied to the inputs of the signal measuring unit through current-limiting resistors, where it is limited by the resistors of the resistor block, which form the so-called voltage dividers with current-limiting resistors. With a “broken” power key of a high-voltage valve, the voltage is zero. If the power switch of the high-voltage valve is operational, the voltage value is non-zero. The signal measuring unit measures the voltage across the power switches of the high voltage valve connected directly to the midpoint of the high voltage valve. The signal measurement unit determines the voltage value on the remaining power switches of the high-voltage valve through the voltage difference between adjacent voltage dividers, performing in this mode the functions of a comparison unit with a midpoint.

Данное устройство может быть использовано для контроля ключей блоков безопасности, однако в нем контроль состояния силовых ключей выполняется в определенных условиях: до и после работы преобразователя, когда напряжение подано, но силовые ключи высоковольтного вентиля выключены (либо во время работы преобразователя в моменты выключенного состояния силового ключа). Во время работы преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности и измерение их нагрева заявляемым устройством в этом случае блокируются.This device can be used to control the keys of safety blocks, but in it the state of power switches is monitored under certain conditions: before and after operation of the converter, when voltage is applied, but the power switches of the high-voltage valve are turned off (or during operation of the converter when the power is off) key). During operation of the converter, the power switches of the high-voltage valve are in the open state, therefore, the mode of monitoring their health and measuring their heating by the claimed device are blocked in this case.

Таким образом, и данному устройству по существу присущ тот же недостаток: в рабочем состоянии ключ не контролируется, контроль его исправности осуществляется только в тестовом режиме.Thus, this device essentially has the same drawback: in the working state, the key is not controlled, its serviceability is monitored only in test mode.

К недостаткам известного устройства следует отнести также ограниченную сферу использования - ряд измерений возможен только для блоков, содержащих множество одинаковых силовых ключей.The disadvantages of the known device should also include a limited scope of use - a number of measurements are possible only for blocks containing many identical power keys.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение достоверности контроля ключей, что имеет определяющее значение для ключей блоков безопасности за счет осуществления непрерывного контроля в процессе работы. Кроме того, предлагаемое устройство применимо для одиночных ключей, что также весьма важно для использования в блоках безопасности, имеющих, как правило, управляющий ключ на выходе, в безопасном состоянии разомкнутый и замыкающийся только при возникновении нештатной ситуации.The technical result expected from the use of the invention is to increase the reliability of key control, which is crucial for the keys of security units due to the implementation of continuous monitoring during operation. In addition, the proposed device is applicable for single keys, which is also very important for use in safety units, which, as a rule, have a control key at the output, in a safe state, open and closed only when an emergency occurs.

Указанный результат достигается тем, что в ключевом элементе с диагностикой в реальном времени, выполненном в виде последовательной цепи из не менее двух контролируемых ключей и источника питания и содержащем блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, последний выполнен с возможностью контроля и сравнения падения напряжений на открытых последовательно включенных контролируемых ключах, которые выполнены в виде полевых транзисторов.This result is achieved by the fact that in the key element with real-time diagnostics, made in the form of a serial circuit of at least two monitored keys and a power source and containing a pairwise voltage comparison unit for the monitored keys, the latter is configured to control and compare the voltage drop in open series-connected controlled keys, which are made in the form of field-effect transistors.

Кроме того, блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах может быть выполнен с возможностью контроля суммарного напряжения на последних и/или на выходах ключевого элемента.In addition, the pairwise voltage comparison unit on the controlled keys can be configured to control the total voltage at the last and / or outputs of the key element.

При этом входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах могут быть выполнены с возможностью регулировки входного тока.In this case, the input circuit of the pairwise voltage comparison unit on the controlled switches can be configured to adjust the input current.

И, наконец, входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах могут быть выполнены в виде блока дискретизации, снабженного регулятором дискретизации, обеспечивающим возможность регулировки входного тока путем изменения частоты дискретизации или интервала накопления, вход и выход которого подключены к выходу блока дискретизации и его управляющему входу соответственно.And finally, the input circuits of the pairwise voltage comparison unit on the controlled keys can be made in the form of a sampling unit equipped with a sampling regulator that provides the ability to adjust the input current by changing the sampling frequency or the accumulation interval, the input and output of which is connected to the output of the sampling unit and its control the entrance, respectively.

Рассмотрим сначала простейшую реализацию предлагаемого устройства, а затем поясним возможные варианты.Consider first the simplest implementation of the proposed device, and then explain the possible options.

Принципиальная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1, где обозначено:A schematic diagram of the proposed device is shown in FIG. 1, where indicated:

1, 2, 3 - цепи управления ключами,1, 2, 3 - key management circuits,

4 - источник питания,4 - power source,

5 - дополнительный полевой транзистор (ключ),5 - additional field effect transistor (key),

6, 7 - контролируемые полевые транзисторы (ключи),6, 7 - controlled field effect transistors (keys),

8 - нагрузка,8 - load

9, 10 - клеммы, являющиеся выходами ключевого элемента,9, 10 - terminals that are the outputs of the key element,

11 - блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах с дополнительным входом 12.11 - block pairwise comparison of voltages on the controlled keys with an additional input 12.

Контролируемые полевые транзисторы 6 и 7 включены в последовательную цепь с транзистором 5 и нагрузкой 8. Входы блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах в рассматриваемом примере подключены к стоку и истоку каждого из полевых транзисторов 6, 7, выполненных по возможности идентичными, а блок 11 выполняется с возможностью попарного сравнения входных напряжений на открытых ключах 6, 7, например, в виде двух входных дифференциальных усилителей, выходы которых соединены со входами схемы сравнения, выход которой и является выходом блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах.The controlled field effect transistors 6 and 7 are connected in series with the transistor 5 and the load 8. The inputs of the block 11 for pairwise comparison of voltages on the controlled keys in this example are connected to the drain and source of each of the field effect transistors 6, 7, made as identical as possible, and block 11 performed with the possibility of pairwise comparison of the input voltages on the public keys 6, 7, for example, in the form of two input differential amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of the comparison circuit, the output of which is swing block 11 pairwise comparison voltages controlled switches.

На фиг. 2 изображен пример принципиальной схемы входной цепи блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, для которой входной ток определяется частотой дискретизации. На фиг. 2 обозначено: 13 - резистор обратной связи, 14 - входная емкость, 15 - ключ, 16 - выходной интегратор.In FIG. 2 shows an example of a circuit diagram of the input circuit of block 11 for pairwise comparison of voltages on controlled keys, for which the input current is determined by the sampling frequency. In FIG. 2 is indicated: 13 - feedback resistor, 14 - input capacitance, 15 - key, 16 - output integrator.

Входная емкость (входной измерительный конденсатор) 14 через переменно переключающийся с частотой F ключ 15 подключается к измеряемой цепи (то есть входу блока 11, на фиг. 2 не показана) и к входу выходного интегратора 16. При этом входное сопротивление такой входной цепи определяется выражением R=1/(CF), где С - емкость конденсатора 14.The input capacitance (input measuring capacitor) 14 is connected through a switch 15 alternating with a frequency F to the measured circuit (i.e., the input of block 11, not shown in Fig. 2) and to the input of the output integrator 16. The input resistance of such an input circuit is determined by the expression R = 1 / (CF), where C is the capacitance of the capacitor 14.

В этом случае при измерении падений напряжения на каналах транзисторов 6 и 7 на фиг. 1 на открытых каналах и больших токах влияния частоты F выборки практически нет. Тогда как на закрытых каналах токи утечки становятся соизмеримы с входными токами измерительных входов блока 11, и изменением частоты сэмплирования F можно подобрать входной ток измерения, обеспечивающий попадание напряжения на входах в измеряемый диапазон и таким образом, в частности, проконтролировать утечку закрытого полевого транзистора 5 (фиг. 1) (т.е. меняется делитель, состоящий из сопротивления утечки верхнего ключевого элемента и параллельно включенных сопротивления полевых ключей и входного сопротивления измерительной схемы блока 11). Это позволяет оценить с нужной точностью величину тока утечки исследуемого ключевого элемента (в данном случае полевого транзистора 5). Изменение частоты F производится, например, управляющим процессором или микроконтроллером (на фиг. 1 не показан), контролирующим работу блока 11 таким образом, чтобы измеряемые падения напряжения на ключах 6, 7 в закрытом и открытом состоянии находились в оптимальном диапазоне. Информационный вход микроконтроллера подключен к выходу интегратора 16. Микроконтроллер измеряет выходное напряжение интегратора 16 и одновременно, путем изменения частоты F, обеспечивает нахождение измеряемого напряжения в оптимальном диапазоне характеристики. Замыкание ключа 15 может осуществляться и с постоянной частотой, а регулироваться длительность импульса, то есть интервал накопления. Блок дискретизации в рассматриваемом случае образован ключом 15, конденсатором 14, интегратором 16 и микроконтроллером.In this case, when measuring voltage drops on the channels of transistors 6 and 7 in FIG. 1 on open channels and high currents, there is practically no influence of the sampling frequency F. Whereas on closed channels, leakage currents become comparable with the input currents of the measuring inputs of block 11, and by changing the sampling frequency F, one can select the input measurement current, which ensures that the voltage at the inputs is in the measured range and thus, in particular, control the leakage of the closed field-effect transistor 5 ( Fig. 1) (i.e., the divider is changed, consisting of the leakage resistance of the upper key element and the parallel resistance of the field keys and the input resistance of the measuring circuit oka 11). This allows you to evaluate with the necessary accuracy the leakage current of the investigated key element (in this case, field-effect transistor 5). The frequency F is changed, for example, by a control processor or microcontroller (not shown in Fig. 1), which controls the operation of block 11 so that the measured voltage drops on the switches 6, 7 in the closed and open state are in the optimal range. The information input of the microcontroller is connected to the output of the integrator 16. The microcontroller measures the output voltage of the integrator 16 and at the same time, by changing the frequency F, ensures that the measured voltage is in the optimal range of characteristics. The closure of the key 15 can be carried out with a constant frequency, and the pulse duration, i.e. the accumulation interval, can be adjusted. The discretization block in this case is formed by a key 15, a capacitor 14, an integrator 16 and a microcontroller.

Следует учитывать, что выполнение входных цепей блока 11 с возможностью регулировки входного тока может осуществляться и с помощью управляемого резистивного делителя напряжения. Соответствующие делители напряжения устанавливаются на входах блока 11 и управляются микроконтроллером, подключенным вышеописанным образом и работающим по вышеописанному алгоритму.It should be borne in mind that the implementation of the input circuits of block 11 with the possibility of adjusting the input current can be carried out using a controlled resistive voltage divider. Corresponding voltage dividers are installed at the inputs of block 11 and are controlled by a microcontroller connected in the manner described above and operating according to the above-described algorithm.

Тем не менее, регулировка входных токов блока 11 с использованием блока дискретизации схемотехнически проще, надежнее и более эффективна.However, adjusting the input currents of block 11 using a sampling block is schematically simpler, more reliable, and more efficient.

В блоке дискретизации может использоваться АЦП или схема выборки-хранения. Пример построения блока дискретизации показан на фиг. 3, на которой изображен микроконтроллер 17, регулирующий частоту сэмплирования fCLK АЦП 18, входной ток которого ввиду использования схемы с переносом заряда в первом приближении пропорционален этой частоте. Для простоты показан АЦП 18 с двумя дифференциальными входами, как и блок измерения 11 на фиг. 1. Критерий регулирования прост: до тех пор, пока входной ток iвх не будет превышать ток утечки контролируемого закрытого ключа (транзистор 5 на фиг. 1) на достаточную величину, описанный (см. раньше) резистивный делитель из сопротивления закрытого транзистора и входного сопротивления измерительной схемы будет подавать на входы измерительной схемы слишком большую часть напряжения питания? и АЦП 18 будет в «зашкале» - т.е. выдавать по обоим каналам максимальный код. Задача микроконтроллера 17 - увеличивать частоту дискретизации fCLK до появления в каналах разумных незашкаливающих кодов - с некоторым запасом (например, половина шкалы или 1/3 шкалы). Такое решение позволяет использовать ту же самую измерительную схему как для контроля идентичности и, соответственно, исправности открытых транзисторов 6, 7, так и, после их закрывания, измерять величину тока утечки транзистора 5 (или, при открытом транзисторе 5, другого ключа, стоящего последовательно в этой цепи).An ADC or a sampling-storage circuit may be used in the sampling unit. An example of constructing a sampling unit is shown in FIG. 3, which depicts a microcontroller 17 that controls the sampling frequency f CLK of the ADC 18, whose input current is proportional to this frequency due to the use of the charge transfer circuit. For simplicity, an ADC 18 with two differential inputs is shown, as well as a measurement unit 11 in FIG. 1. The control criterion is simple: until the input current i in exceeds the leakage current of the controlled private key (transistor 5 in Fig. 1) by a sufficient amount described (see earlier) the resistive divider from the resistance of the closed transistor and the input resistance will the measuring circuit supply too much of the supply voltage to the inputs of the measuring circuit? and the ADC 18 will be “off scale” - i.e. give the maximum code on both channels. The task of the microcontroller 17 is to increase the sampling frequency f CLK until reasonable non-encapsulating codes appear in the channels - with some margin (for example, half a scale or 1/3 of a scale). This solution allows you to use the same measuring circuit to control the identity and, accordingly, the health of open transistors 6, 7, and, after closing them, measure the leakage current of transistor 5 (or, with transistor 5 open, another key in series in this chain).

Необходимо подчеркнуть, что полевые транзисторы 6, 7 могут относиться как к одному функциональному блоку, так и к различным, в частности контролируемой системе автоматического управления, блоку контроля или блоку безопасности в любой комбинации. Дополнительный полевой транзистор 5 также может относиться к системе управления или блоку безопасности, то есть как к цепочке из N контролируемых ключей, так и быть выделенным, обеспечивая контроль и лучшие показатели функционирования при переключении цепочки.It must be emphasized that field-effect transistors 6, 7 can relate to one functional unit as well as different ones, in particular, a controlled automatic control system, a control unit, or a safety unit in any combination. The additional field effect transistor 5 can also relate to a control system or a security unit, that is, to a chain of N controlled keys, or to be isolated, providing control and better performance when switching the chain.

В случае, когда ключевой элемент или его часть представляют собой последовательно включенные каналы полевых транзисторов, а безопасным состоянием является разомкнутое, методом контроля работоспособности является обычно кратковременное размыкание ключей с проверкой состояния цепи. При этом во многих случаях частое полное отключение является нежелательным (ввиду срабатывания управляемых ключевым элементом цепей безопасности), а кратковременное отключение без срабатывания основных систем затруднено. В этом случае нормально замкнутый ключевой элемент на интервалах между отключениями может оказаться неконтролируемым, что недопустимо для систем безопасности.In the case when the key element or part of it is a series-connected channels of field-effect transistors, and the safe state is open, the method of monitoring operability is usually a short-time opening of the keys with checking the status of the circuit. At the same time, in many cases, frequent complete shutdown is undesirable (due to the operation of the safety circuits controlled by a key element), and short-term shutdown without triggering of the main systems is difficult. In this case, a normally closed key element in the intervals between outages may be uncontrollable, which is unacceptable for security systems.

Так, например, полное замыкание низкоомного канала полевого транзистора вследствие электрического пробоя или механического смещения проводников может оказаться не выявленным ввиду того, что не изменит существенно ток в цепи. Между тем это вполне реальная ситуация, например, при бросках напряжения питания или разрядах напряжения в окружающих силовых цепях (в том числе имеющих емкостную или индуктивную конструктивную связь с цепями ключевого элемента). Предлагаемое устройство позволяет исключить данную ситуацию посредством непрерывного контроля равенства или заданной пропорциональности падений напряжений на каналах обоих ключей 6, 7 (при частичном пробое может возникнуть существенный ток утечки, нарушающий это равенство), а также неизменность сопротивлений каналов обоих транзисторов (при частичном пробое или полном замыкании эта величина сразу же изменяется).So, for example, a complete short circuit of the low-resistance channel of a field-effect transistor due to electrical breakdown or mechanical displacement of the conductors may not be detected due to the fact that the current in the circuit does not change significantly. Meanwhile, this is a very real situation, for example, during power surges or voltage discharges in the surrounding power circuits (including those having a capacitive or inductive constructive connection with the key element circuits). The proposed device allows to eliminate this situation by continuously monitoring the equality or a given proportionality of voltage drops on the channels of both switches 6, 7 (in case of partial breakdown, a significant leakage current may occur that violates this equality), as well as the immunity of the resistance of the channels of both transistors (in case of partial breakdown or full short circuit, this value immediately changes).

Выполнение блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах с высокоомными входами не допускает пробоя на напряжениях существенно выше используемых в цепях ключей.The implementation of the block 11 pairwise comparison of voltages on the controlled keys with high-impedance inputs does not allow breakdown at voltages significantly higher than those used in the key circuits.

Как уже отмечалось, при контроле ключей в реальном времени используется тот факт, что сопротивления открытых каналов контролируемых транзисторов 6 и 7 либо известны, и измерительная схема при сравнении напряжений учитывает их соотношение, либо равны, что при последовательном включении обеспечивает равенство напряжений. В наиболее простом варианте, когда сопротивления ключей 6 и 7 (каналов транзисторов) равны (т.е. транзисторы технологически идентичны), а блок 11 выполнен в виде простейшего автомата с логическим выходом, блок 11 в зависимости от модуля разности двух входных напряжений и выбранного допустимого порога срабатывания (разбаланса) генерирует, например, логический «0» для разницы меньше порога и логическую «1» при более существенном разбалансе. Последнее говорит о неисправности. При разомкнутых ключевых элементах 6, 7 данная измерительная схема фактически контролирует саму себя и, помимо этого, равенство токов утечки двух транзисторов (6 и 7), что при положительном результате контроля также соответствует логическому «0» на выходе, а при разбалансе цепей - логической «1».As already noted, in real-time key monitoring, the fact is used that the open channel resistances of the monitored transistors 6 and 7 are either known, and the measuring circuit, when comparing the voltages, takes into account their ratio or are equal, which, when connected in series, ensures equal voltages. In the simplest case, when the resistances of the keys 6 and 7 (transistor channels) are equal (i.e., the transistors are technologically identical), and block 11 is made in the form of a simple automaton with a logic output, block 11 depending on the module of the difference between the two input voltages and the selected allowable threshold (unbalance) generates, for example, a logical "0" for the difference is less than the threshold and a logical "1" with a more significant imbalance. The latter indicates a malfunction. With the key elements 6, 7 open, this measuring circuit actually controls itself and, in addition, the equality of the leakage currents of the two transistors (6 and 7), which with a positive control result also corresponds to a logical “0” at the output, and if the circuit is unbalanced, to a logical "one".

При исполнении блока 11 на базе, например, АЦП с многоканальным синхронным УВХ (УВХ или СВХ - устройство или схема выборки-хранения соответственно, а синхронность измерений необходима для компенсации всплесков тока в цепи нагрузки) и микроконтроллера последний осуществляет не только сравнение напряжений в каналах, но и в соответствии с диапазоном измеряемых значений может производить перестройку частоты дискретизации для АЦП и УВХ с соответствующим изменением входных токов измерительных цепей. При этом выход блока 12 в данном случае является цифровым интерфейсом для передачи более полной диагностической информации о состоянии каждого ключа по результатам измерений и в зависимости от режима работы.When block 11 is executed on the basis of, for example, an ADC with multichannel synchronous UVX (UVX or SVX is a device or sampling-storage scheme, respectively, and synchronization of measurements is necessary to compensate for current surges in the load circuit) and the microcontroller, the latter not only compares the voltage in the channels, but, in accordance with the range of measured values, it can also perform tuning of the sampling frequency for the ADC and I / O with a corresponding change in the input currents of the measuring circuits. In this case, the output of block 12 in this case is a digital interface for transmitting more complete diagnostic information about the status of each key according to the measurement results and depending on the operating mode.

Следует заметить, что при смене полярности источника питания 4 соответственно используются полупроводниковые приборы противоположной проводимости. Если в последовательной цепи источника питания 4, нагрузки 8, полевого транзистора 5 используется N>2 полевых транзисторов, то при их четном количестве блок 11 осуществляет попарное сравнение напряжений, например, на соседних полевых транзисторах: первом и втором, третьем и четвертом и т.д. Если же N нечетное, один из контролируемых полевых транзисторов используется при контроле дважды: первый со вторым и первый с третьим, например, при N=3.It should be noted that when changing the polarity of the power source 4, respectively, semiconductor devices of opposite conductivity are used. If N> 2 field-effect transistors are used in the serial circuit of the power supply 4, load 8, field-effect transistor 5, then with an even number of them, block 11 performs pairwise comparison of voltages, for example, on neighboring field-effect transistors: first and second, third and fourth, etc. d. If N is odd, one of the monitored field effect transistors is used twice during the control: the first with the second and the first with the third, for example, with N = 3.

Если блок 11 выполняется с возможностью контроля напряжения на полевых транзисторах 6, 7, то дополнительных соединений не требуется, если же с возможностью контроля суммарного падения на всем ключевом элементе, то есть включая дополнительный полевой транзистор 5, клемма 9 соединяется с дополнительным входом блока 11.If block 11 is configured to control the voltage across field-effect transistors 6, 7, then no additional connections are required, but if it is possible to control the total drop across the entire key element, that is, including an additional field-effect transistor 5, terminal 9 is connected to the additional input of block 11.

Блок 11 при N>2 выполняется с возможностью сравнения напряжений не только на соседних ключах (полевых транзисторах), но и на других их парах, что способствует существенному увеличению надежности контроля и работы схемы в целом. Например, при N=3, сопоставляя напряжения на парах 1-2, 2-3 и 1-3, а также между клеммами 9, 10, мы имеем возможность не реагировать на случайные броски токов утечки (например, ключа 1 в паре 1-2, если такой же бросок не зафиксирован в паре 1-3, и т.п.).Block 11 for N> 2 is performed with the ability to compare voltages not only on adjacent switches (field effect transistors), but also on their other pairs, which contributes to a significant increase in the reliability of control and operation of the circuit as a whole. For example, with N = 3, comparing the voltages at pairs 1-2, 2-3 and 1-3, as well as between terminals 9, 10, we are able to not respond to random surges of leakage currents (for example, key 1 in pair 1- 2, if the same throw is not fixed in pair 1-3, etc.).

Данное решение предназначено, прежде всего, для применения в тех ключах безопасности, где нагрузка включена последовательно и безопасным состоянием является разомкнутый ключ (т.е. нагрузка обесточена). Особенностью данного варианта является то, что большую часть рабочего времени ключ находится в замкнутом состоянии, и размыкание его для тестирования с нужной периодичностью невозможно или нежелательно. Тогда как все диагностические мероприятия должны проводиться в реальном времени и обеспечивать требуемую высокую вероятность размыкания ключа при соответствующей команде для осуществления функции безопасности. Ситуация дополнительно осложняется тем, что в процессе работы и при аварийных ситуациях цепи нагрузки могут подвергаться кратковременному воздействию высоких напряжений и токов, после чего информация о работоспособности ключа наиболее актуальна.This solution is intended primarily for use in those safety keys where the load is connected in series and the open state is safe (i.e. the load is de-energized). A feature of this option is that most of the working time the key is in a closed state, and opening it for testing at the right frequency is impossible or undesirable. While all diagnostic measures should be carried out in real time and provide the required high probability of opening the key with the appropriate command to implement the security function. The situation is further complicated by the fact that during operation and in emergency situations, load circuits can be subjected to short-term exposure to high voltages and currents, after which information about the key's operability is most relevant.

Наличие дополнительного транзистора 5, не охваченного схемой измерения, как одного из силовых элементов ключа может решить вопрос независимости от недостаточно высокого напряжения пробоя входных цепей измерительного блока 11. При этом управление ключом строится таким образом, чтобы транзистор 5 принимал на себя основные проблемы перепада мощности и напряжения при коммутации, а его контроль происходит только по утечке в закрытом состоянии измерением суммы падений напряжений на транзисторах 6 и 7. Тогда в данной схеме наибольшая вероятность деградации приходится именно на полевой транзистор 5, который должен выбираться с большим запасом прочности и, желательно, из типов, демонстрирующих именно постепенную деградацию при воздействиях, а транзисторы 6 и 7 эксплуатируются в щадящем режиме, контролируется их сохранность и ими гарантируется размыкание ключа безопасности. Причем процесс деградации транзистора 5 контролируется по увеличению тока утечки в закрытом состоянии (при известных - напряжении в цепи и температуре), что оценивают по сумме падения напряжений на каналах полевых транзисторов. Распределение напряжений на закрытом ключе при самом высоковольтном и аварийном воздействии (удар молнии, попадание на ключ самого высокого из присутствующих в системе силовых напряжений и т.п.), исходя из которых производится выбор типов транзисторов по предельным значениям, определяется утечками в цепях и может регулироваться добавлением соответствующих высоковольтных резисторов.The presence of an additional transistor 5, which is not covered by the measurement circuit, as one of the key power elements can solve the problem of independence from an insufficiently high breakdown voltage of the input circuits of the measuring unit 11. In this case, the key is controlled in such a way that the transistor 5 takes on the main problems of the power difference and voltage during switching, and its control occurs only by leakage in the closed state by measuring the sum of the voltage drops on transistors 6 and 7. Then in this circuit the greatest probability s degradation falls on FET 5, which should be selected with a large safety margin and preferably of the types exhibiting namely gradual degradation during impacts, and transistors 6 and 7 are operated in the power saving mode, is controlled by their safety and their guaranteed unlocking security key. Moreover, the degradation process of transistor 5 is controlled by increasing the leakage current in the closed state (with known voltage in the circuit and temperature), which is estimated by the sum of the voltage drop across the channels of the field effect transistors. Closed-circuit voltage distribution during the highest voltage and emergency conditions (lightning strike, hitting the highest power voltage present in the system, etc.), based on which transistor types are selected according to the limit values, is determined by leaks in the circuits and can regulated by the addition of appropriate high voltage resistors.

Для схожих по структуре полевых транзисторов 6 и 7 в одинаковых условиях работы (на одном токе и при идентичном управлении) температурная зависимость сопротивления канала проявляется одинаково с высокой точностью. При этом существенным моментом является положительный температурный коэффициент сопротивления как для большинства используемых кремниевых структур, так и медных проводников контактов, что вызывает соответствующую положительную обратную связь по мощности и облегчает выявление даже начальной дефектности (при увеличении температуры растет сопротивление и мощность при стабильном токе, что дополнительно увеличивает температуру). Таким образом, регистрируемая разность напряжения между каналами или для одного канала относительно других однозначно говорит о неисправности: пробое или деградации структуры транзистора или нарушениях в цепи управления. Все это делает предлагаемое решение, при всей его простоте, весьма надежным для диагностики ключей безопасности (а также других последовательных многотранзисторных ключевых схем) в реальном времени.For field-effect transistors 6 and 7, similar in structure, under the same operating conditions (at the same current and with identical control), the temperature dependence of the channel resistance is manifested equally with high accuracy. An important point is the positive temperature coefficient of resistance for both most silicon structures and copper contact conductors, which causes a corresponding positive feedback on power and facilitates the detection of even initial defects (with increasing temperature, resistance and power increase at a stable current, which additionally increases the temperature). Thus, the recorded voltage difference between the channels or for one channel relative to the other clearly indicates a malfunction: breakdown or degradation of the transistor structure or irregularities in the control circuit. All this makes the proposed solution, with all its simplicity, highly reliable for real-time diagnostics of security keys (as well as other sequential multi-transistor key circuits).

При последовательно включенном в цепь между нагрузкой и нашим ключом любом другом ключевом элементе (например, тоже со сложной схемой) предлагаемая схема измерения на закрытых (запертых) полевых транзисторах ключа разности напряжений позволяет судить об их утечках или неисправностях в цепи их управления. Но теперь сумма всех этих напряжений уже не равна напряжению питания и, в свою очередь, говорит о величине утечки закрытого внешнего ключевого элемента (поскольку ток утечки проходит через последовательно включенные входные сопротивления измерительных каналов и легко измеряется по падению напряжения на них). Причем контролироваться может как внешний ключевой элемент, так и любой из расположенных "выше" по схеме полевых транзисторов (если их много) - просто за счет анализа суммы напряжений на тех закрытых, что включены "ниже" него (а если он включен посередине, то можно судить о транзисторах и выше, и ниже).With any other key element (for example, also with a complex circuit) connected in series between the load and our switch, the proposed measurement circuit for closed (locked) field effect transistors of the voltage difference switch allows us to judge their leaks or malfunctions in their control circuit. But now, the sum of all these voltages is no longer equal to the supply voltage and, in turn, indicates the magnitude of the leakage of the closed external key element (since the leakage current passes through the input resistance of the measuring channels in series and is easily measured by the voltage drop across them). Moreover, it can be controlled by either an external key element or any of the field-effect transistors located “above” (if there are a lot of them) - simply by analyzing the sum of the voltages on those closed ones that are included “below” it (and if it is turned on in the middle, then it is possible to judge transistors above and below).

Это делается той же схемой, но здесь (на разомкнутых ключах, т.е. - закрытых каналах полевых транзисторов), имея дело с малыми токами утечки, подстраиваемся к их измерению в широком диапазоне, изменяя частоту дискретизации F.This is done by the same circuit, but here (on open keys, i.e. - closed channels of field-effect transistors), dealing with low leakage currents, we adjust to their measurement in a wide range, changing the sampling frequency F.

Таким образом, заявленное устройство позволяет достаточно эффективно контролировать исправное состояние ключей, относящихся, как отмечено выше, к контролируемому блоку, в том числе безопасности, прежде всего в замкнутом состоянии, то есть состоянии высокой проводимости. Но с его помощью также может проводиться диагностика ключа по утечкам его элементов и в разомкнутом состоянии при низкой проводимости ключевого элемента.Thus, the claimed device allows you to effectively control the working condition of the keys related, as noted above, to the monitored unit, including security, especially in the closed state, that is, the state of high conductivity. But with its help, the key can also be diagnosed by leaks of its elements and in the open state with a low conductivity of the key element.

Claims (4)

1. Ключевой элемент с диагностикой в реальном времени, выполненный в виде последовательной цепи из не менее двух контролируемых ключей и источника питания и содержащий блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, отличающийся тем, что последний выполнен с возможностью контроля и сравнения падения напряжений на открытых последовательно включенных контролируемых ключах, которые выполнены в виде полевых транзисторов.1. The key element with real-time diagnostics, made in the form of a serial circuit of at least two monitored keys and a power source and containing a pairwise voltage comparison unit for the monitored keys, characterized in that the latter is configured to control and compare the voltage drop on open series included controlled keys, which are made in the form of field effect transistors. 2. Ключевой элемент по п. 1, отличающийся тем, что блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах выполнен с возможностью контроля суммарного напряжения на последних и/или на выходах ключевого элемента.2. The key element according to claim 1, characterized in that the pairwise voltage comparison unit on the monitored switches is configured to control the total voltage at the last and / or outputs of the key element. 3. Ключевой элемент по п. 1, отличающийся тем, что входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах выполнены с возможностью регулировки входного тока.3. The key element according to claim 1, characterized in that the input circuits of the pairwise voltage comparison unit on the monitored switches are configured to adjust the input current. 4. Ключевой элемент по п. 3, отличающийся тем, что входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах выполнены в виде блока дискретизации, снабженного регулятором дискретизации, обеспечивающим возможность регулировки входного тока путем изменения частоты дискретизации или интервала накопления, вход и выход которого подключены к выходу блока дискретизации и его управляющему входу соответственно. 4. The key element according to claim 3, characterized in that the input circuits of the pairwise voltage comparison unit on the monitored switches are made in the form of a sampling unit equipped with a sampling regulator that allows you to adjust the input current by changing the sampling frequency or the accumulation interval, the input and output of which are connected to the output of the discretization block and its control input, respectively.
RU2014125910/03A 2014-06-26 2014-06-26 Key element with real-time diagnostic function RU2568655C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014125910/03A RU2568655C1 (en) 2014-06-26 2014-06-26 Key element with real-time diagnostic function

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014125910/03A RU2568655C1 (en) 2014-06-26 2014-06-26 Key element with real-time diagnostic function

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2568655C1 true RU2568655C1 (en) 2015-11-20

Family

ID=54598084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014125910/03A RU2568655C1 (en) 2014-06-26 2014-06-26 Key element with real-time diagnostic function

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2568655C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU853571A1 (en) * 1977-10-03 1981-08-07 Предприятие П/Я А-7460 Device for checking switch elements
US4365171A (en) * 1980-12-23 1982-12-21 General Electric Company Low loss snubber circuit
RU2101748C1 (en) * 1996-04-02 1998-01-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Monitoring device for controlled switches
RU2156533C1 (en) * 1999-04-29 2000-09-20 Никифоров Виктор Евгеньевич Device for equalizing of voltage unbalance on connected cells of storage battery or batteries
RU2417498C1 (en) * 2010-04-05 2011-04-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Device for monitoring of high-voltage valve converter switch condition

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU853571A1 (en) * 1977-10-03 1981-08-07 Предприятие П/Я А-7460 Device for checking switch elements
US4365171A (en) * 1980-12-23 1982-12-21 General Electric Company Low loss snubber circuit
RU2101748C1 (en) * 1996-04-02 1998-01-10 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Monitoring device for controlled switches
RU2156533C1 (en) * 1999-04-29 2000-09-20 Никифоров Виктор Евгеньевич Device for equalizing of voltage unbalance on connected cells of storage battery or batteries
RU2417498C1 (en) * 2010-04-05 2011-04-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Device for monitoring of high-voltage valve converter switch condition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109425816B (en) Testing MOS power switches
US11984743B2 (en) Battery pack and charging method for a battery pack
US9931957B2 (en) Battery system with a battery, which is designed to supply a high-voltage network with electric energy, and a measuring device for measuring at least one insulation resistance of the battery
CN106461723B (en) Field effect transistor and related fault detection device
CN107643490A (en) Battery monitor system
KR102653766B1 (en) Method and apparatus for automatically testing switching members
JP2018038035A (en) Solid state circuit breaker and motor driving system
US10565042B2 (en) Bus failure detection transceiver architecture and transceiver operation method
CN107409055B (en) POE four-pair active detection device and method
CA2685651A1 (en) Fail-safe system and test module, notably for use in a railroad signaling system
RU2568655C1 (en) Key element with real-time diagnostic function
US6205039B1 (en) Device for supervising a high voltage converter station
CN110958002B (en) Solid state power switching device
RU148178U1 (en) HIGH SECURITY SERIAL KEY ELEMENT AND REAL-TIME CONTROL
PL191165B1 (en) Ac switch operation monitoring circuit
EP2130277B1 (en) Circuit and method for compensating capacitive earth currents in networks
RU2573891C1 (en) Key element with high safety level
US20120176706A1 (en) Reliable signaling of fault conditions in battery systems with series-connected cells
US20230396095A1 (en) Current Distribution Device Comprising A Load Detection Unit For Measuring A Detection Voltage
Khludenev Insulation monitoring impact on relay protection malfunction
DE102008018642B4 (en) Monitoring circuit and method for testing the circuit
CN109856505B (en) Immune time detection method for voltage sag
US10263613B2 (en) Safety-oriented load switching device and method for operating a safety-oriented load switching device
EP3317741B1 (en) A safety circuit, a safety circuit operation method and an electrically operated motor comprising a safety circuit
US9690643B2 (en) Engine-control computer and method for detecting failures of such a computer