Коммутаторы

Коммутаторы применяются в ИИС для временнОго разделения каналов, т.е. поочередного подключения датчиков к измерительному устройству ИИС, а также для подключения выходных сигналов системы в определённой последовательности к устройствам представления (отображения) информации ИИС (т.е. на стыке блоков 3 и 4).

Классификация коммутаторов:

¾ контактные (замыкание механических контактов);

¾ бесконтактные (на диодах, транзисторах и т.д.).

К контактным относятся электромагнитные реле различных типов. Их быстродействие мало (5-15 мс срабатывание и 10-15 мс отпускание). Т.е. сумма времени срабатывания и времени отпускания даёт потерю времени на переключение контакта. Это время обычно равно от 5 – 25 мс у обычных реле, до 2-5 мс у герконов (с магнитоуправляемыми контактами). К контактным коммутаторам относятся и шаговые искатели, предельная частота которых не превышает нескольких десятков Гц.

Бесконтактные коммутаторы – имеют быстродействие на несколько порядков выше и позволяют производить переключения с частотой в десятки МГц. Однако, их сопротивление в проводящем состоянии значительно больше, чем у контактных, а в непроводящем состоянии отлично от бесконечности.

Кроме этого, бесконтактные ключи в открытом состоянии имеют остаточные ЭДС (е _о), а в закрытом состоянии – остаточные токи (I _о). в сложных ключах можно добиться уменьшения е _о до единиц мкВ, а I _о – до единиц нА и менее.

Коммутаторы могут работать либо в циклическом режиме, либо в адресном режиме.

В циклическом режиме – все (!) датчики или каналы периодически поочерёдно (!) подключаются к линии связи или системе.

В адресном режиме подключение датчиков происходит по определённой программе. Разновидностью адресного режима является адаптивная коммутация, когда адрес определяется в результате анализа состояния коммутируемых величин.

Основные характеристики коммутаторов:

1. Погрешность коэффициента передачи:

γ = (U вх – U вых)/ U вх

где U вх, U вых – сигналы на входе и выходе коммутатора.

2. Быстродействие (число переключений “ν” в секунду).

3. число входных каналов N (какое число датчиков или каналов может обслужить коммутатор).

К другим характеристикам коммутаторов относят: динамический диапазон коммутируемых величин; число одновременно образуемых каналов; предельное количество переключений и др. (Динамический диапазон – это отношение максимальной амплитуды к минимальной амплитуде).

Наиболее важная характеристика – погрешность коэффициента передачи, т.к. преимущественно коммутируются аналоговые сигналы. При передаче кодовых сигналов эта характеристика имеет меньшее значение.

Погрешность коммутатора γ зависит от числа коммутируемых каналов и растёт с их увеличением. Для уменьшения погрешности коэффициента передачи используют групповой принцип построения коммутаторов. Такой коммутатор состоит из “ k ” групп по “ n ” каналов. Причём, существует некоторое оптимальное число k _опт групп, при котором обеспечивается минимум погрешности передачи, причём, можно показать, что это число равно корню квадратному из общего числа датчиков “ nk ”, если в каждой группе включено “ n ” датчиков, т.е. , где - общее число датчиков.

Рассмотренная погрешность коэффициента передачи коммутатора является статической погрешностью.

Кроме статической погрешности коммутаторы имеют и динамическую погрешность, обусловленную переходными процессами, взаимными помехами между каналами и помехами от вспомогательных цепей.

Другой характеристикой коммутатора, ограничивающей его возможности, является быстродействие. Дело в том, что ключи, вносящие малые погрешности (контактные) имеют и малое быстродействие, а ключи с высоким быстродействием (бесконтактные) не всегда обеспечивают требуемую точность.

Выходом из положения, устраняющим это противоречие, является двухступенчатая коммутация, широко используемая в промышленных системах.

Рис.

Как видно, датчики Д разбиваются на “ m ” групп, каждую из которых обслуживает свой коммутатор, выполненный из инерционных (контактных) реле, имеющих сопротивление включения R _пр≈0 и сопротивление выключения R ₀≈∞. С выхода коммутатора в каждой группе коммутируемое напряжение поступает на усилитель или АЦП, а затем на групповой коммутатор, выполненный в виде быстродействующего(!) бесконтактного(!) коммутатора. Теперь такой недостаток бесконтактного коммутатора как высокая погрешность из-за неидеальности ключа () не будет сильно проявляться, т.к. на вход коммутатора подаётся усиленное напряжение (много превышающее падение на открытом ключе), либо кодовые сигналы.

Коммутаторы работают так, что к входу ИИС сначала подключается:

1-й датчик 1-ой группы, затем

1-й датчик 2-ой группы, затем

1-й датчик 3-ой группы, и т.д.

…………………………..

2-й датчик 1-ой группы, затем

2-й датчик 2-ой группы, затем

………………………..

после n -й датчик 1-ой группы, затем

n -й датчик 2-ой группы, затем

………………………… и т.д.

Благодаря временнОму сдвигу в работе коммутатора в каждой группе и общего (группового) коммутатора время опроса одного датчика может быть значительно меньше времени переключения внутригруппового (контактного) коммутатора. Т.о. устраняется противоречие между точностью и быстродействием коммутаторов.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОММУТАТОРОВ.

1. Электромеханические контактные коммутаторы – шаговые искатели (ряд неподвижных частиц, расположенных по окружности в несколько рядов, вдоль которых под действием электромагнита перемещается подвижная щётка. В одном ряду число неподвижных контактов – 11,17,25,50, а число рядов, по которым одновременно перемещаются жёстко связанные между собой, но электрически изолированные щётки – равно 4 или 8). Скорость коммутации – несколько десятков шагов в секунду. Мощность, потребляемая электромагнитом – до 50Вт.

2. Оптоэлектронные (бесконтактные) коммутаторы (иногда называемые фотоэлектрическими). Переключение цепей за счёт поочерёдного освещения фотоэлементов с помощью специальных устройств. Частота переключений может достигать десятков МГц.

3. Линейные коммутаторы (контактные и бесконтактные)

Пример бесконтактного линейного коммутатора:

Рис.

Коммутатор с помощью ключей К 1, …, К n поочерёдно подключает n входов Ux ₁, …, Ux _n к выходу. Каждый из ключей имеет информационный Ux и управляемый входы. На управляемые входы поступает напряжение с кольцевого счётчика, состоящего из триггерных ячеек. Счётчик запускается импульсами от мультивибратора. После появления на входе счётчика 1-го импульса открывается ключ К 1, n -ый импульс открывает ключ Кn, а с приходом (n +1)-го импульса начинается новый цикл.

Линейный коммутатор имеет на каждый коммутируемый вход по отдельному ключу.

4. Пирамидальные коммутаторы.

В них имеется несколько ступеней переключения. В каждой последующей ступени коммутатора удваивается количество контактных групп. Однако, ввиду резкого увеличения ключей пирамидальные коммутаторы почти не находят применения в измерительных устройствах.

Проблема увеличения числа входов без пропорционального увеличения числа ключей решается в матричных коммутаторах.

4. Матричные коммутаторы (контактные и бесконтактные)

Принцип действия:

Рис.

При замыкании любого из ключей К подаётся питание на соответствующую шину. Чтобы сработало какое-либо реле, находящееся в узле матрицы, питающее напряжение необходимо подать одновременно на две шины. Например, для срабатывания реле К ₄₅, необходимо замкнуть ключ К ₄ из разряда “десятки” и ключ К ₅ из разряда “единицы”.

Сравнивая линейные коммутаторы с матричными, можно сделать вывод, что если в первых на каждый коммутируемый вход необходим отдельный ключ (число входов равно числу ключей), то в матричном коммутаторе число ключей существенно меньше, чем число коммутируемых входов (в данном примере для коммутации 100 входов потребовалось всего лишь 20 ключей).

Элементная база бесконтактных измерительных коммутаторов

Наибольшее применение в них нашли полупроводниковые транзисторы и диоды. Они имеют сопротивление:

¾ в замкнутом состоянии r _з от 2 до 100 Ом

¾ в разомкнутом состоянии r _р от 10⁶ до 10⁸ Ом

Остаточная ЭДС е ₀ от 1 до 100мкВ

Частота коммутации – до 10⁶ срабатываний в секунду

Коммутационные элементы с изменением оптронов позволяют гальванически разделить измерительную цепь, но пока имеют невысокие метрологические характеристики:

r _з – до 800 Ом

r _р­­ – порядка 10⁵ Ом

Постоянная времени – несколько десятков мс.

Классификация коммутаторов по характеру включения в цепи относительно нагрузки:

а) последовательно с сопротивлением нагрузки

б) параллельно с сопротивлением нагрузки

в) комбинированное включение

Рис.

При расчёте погрешностей коммутаторов следует учитывать характер включения ключей в цепи относительно нагрузки (последовательное, параллельное или комбинированное включение), характер датчиков (генераторные или параметрические), а также технические характеристики элементов, используемых в качестве ключей (r _з, r _р, е ₀, I ₀ и др.). Расчёт погрешностей производится итерационным методом: определяется погрешность в первом цикле расчёта и, если она велика, то уменьшают число n коммутируемых цепей, например, переходя к схеме двухступенчатого коммутатора (мы его рассмотрели выше) т.д.

Методика расчёта погрешностей, формулы для расчёта приведены в учебниках (1. Новопашенный; 2. Цапенко).

Промышленность серийно выпускает коммутаторы измерительных сигналов, например:

¾ коммутатор аналоговый Ф240 с контактными ключами для коммутаций напряжений постоянного тока от 50мВ до 180В;

¾ коммутатор измерительных сигналов Ф799 для коммутации напряжения постоянного тока от -10 до +10В двух модификаций: Ф799/1 повышенной точности с контактными коммутационными элементами и Ф799/2 повышенного быстродействия с бесконтактными коммутационными элементами.