Модульные демонстрационные панели с электронной защитой, работающие от устойчивых к короткому замыканию источников питания безопасного низкого напряжения - RU2739580C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Техническое решение касается модульной демонстрационной панели с электронной защитой, работающей от устойчивых к короткому замыканию источников питания безопасного низкого напряжения, для безопасного проведения экспериментов в школьных классах и учебных заведениях в области физики - электротехники и электрохимии.

Уровень техники

Различные комплекты (демонстрационные панели) используются для проведения экспериментов на уроках физики (электротехника и электрохимия), при этом демонстрационные панели получают электропитание от различных систем - аккумуляторных источников питания, локальных регулируемых источников безопасного низкого напряжения, центрального регулируемого источника безопасного низкого напряжения. В настоящее время они используются таким образом, что эти системы электропитания представляют угрозу для здоровья и/или материальных частей демонстрационных панелей. Они также ограничивают возможности экспериментов с точки зрения времени, а также ограничивают выводы и не создают равных условий для экспериментов на всех панелях.

Демонстрационные панели обычно собираются из пластиковых модульных элементов (коробок) с напечатанными на них символами электрической схемы. Модульные элементы размещаются на базовой плате. Эти демонстрационные панели позволяют проводить ряд возможных экспериментов, но они ограничиваются количеством модульных элементов в конкретном наборе. Дополнительные модульные элементы необходимо приобретать для проведения других экспериментов. Демонстрационные панели, выполненные из модульных элементов, обычно имеют батарейное или локальное питание. Если используется центральный источник питания, существует опасность повреждения модуля. Для демонстрационных панелей существует альтернативный вариант, так называемые чемоданные наборы, которые состоят из одной большой неизменяемой печатной платы, а не из отдельных модулей. Это позволяет проводить только ограниченное количество экспериментов. Другие эксперименты требуют другого чемоданного набора, который предоставляет больше возможностей для проведения экспериментов. Эти модули имеют аккумуляторную батарею, местное электропитание; альтернативно, они могут иметь центральный регулируемый источник питания. Ни один из демонстрационных типов панелей не имеет электрической защиты.

Аккумуляторные батареи являются наиболее распространенным типом блока питания для демонстрационных панелей. Невозможно регулировать настройки напряжения, и батарее может потребоваться замена. Эксперименты с повышенным потреблением тока могут проводиться только в течение коротких периодов времени. Существует опасность ожога при использовании мощных батарей. Электронные элементы могут быть повреждены, и потребуется их замена, если во время эксперимента будет установлено неправильное соединение. Эксперименты с использованием в качестве источника питания аккумуляторной батареи ограничены величиной напряжения используемых батарей. Это означает, что трудно проводить эксперименты в диапазонах напряжения с более высокими значениями.

Использование местных независимых источников питания является вопросом настройки этого источника для каждой демонстрационной панели. Напряжение не может быть установлено централизованно с панели управления преподавателя. Такое использование также создает риск повреждения демонстрационной панели или ожога учащегося, если они установили более высокое значение напряжения или более высокое ограничение тока. Хотя этот источник, который может быть приобретен отдельно для комплекта, включает в себя безопасные разъемы, использование безопасных кабелей невозможно, поскольку сам комплект не оснащен безопасными разъемами.

С другой стороны, централизованный регулируемый источник, используемый для питания демонстрационных панелей, располагается на рабочем месте преподавателя и может использоваться для централизованной установки напряжения. Панель управления преподавателя содержит низковольтную цепь и гальванически развязанное низкое переменное напряжение. В такой концепции обычно используется один источник гальванически развязанного безопасного низкого переменного напряжения, состоящий из трансформатора с коммутацией разъемов, или до трех источников гальванически развязанного безопасного низкого переменного напряжения с коммутацией выходного напряжения переменного/постоянного тока. Разъемы гальванически развязанного безопасного низкого переменного напряжения соединяются параллельно и обычно размещаются в электрической коробке вместе с разъемами низкого напряжения. Такое соединение может опасно влиять на отдельные части демонстрационных панелей, используемые учащимися для проведения экспериментов. В случае неправильного подключения может произойти короткое замыкание, что приведет к отключению рабочей станции преподавателя или переключению всей мощности на одну демонстрационную панель. Это может привести к чрезмерному нагреву демонстрационных компонентов и ожогу учащихся (например, при экспериментах с резисторными проводами). Это связано с тем, что мощность источника в текущем техническом состоянии должна быть суммой значений мощности, необходимых для всех демонстрационных панелей. Кроме того, короткое замыкание может повредить демонстрационные модули на демонстрационных панелях и повлиять на все другие рабочие станции, что сделает невозможным проведение текущего эксперимента. Распределение низкого напряжения от панели управления преподавателя к отдельным демонстрационным панелям также вызывает не незначительную потерю напряжения, что приводит к различным значениям напряжения на отдельных демонстрационных панелях. Если учащийся подключил устройство с более высоким потреблением мощности к одной демонстрационной панели, потеря напряжения в этой линии приводит к значительному снижению напряжения на других демонстрационных панелях. Потеря напряжения в кабельной цепи (и, следовательно, напряжение на демонстрационных панелях) зависит от расстояния от источника и потребляемой мощности устройств, подключенных к отдельным демонстрационным панелям. Это означает, что для распределения низкого напряжения от панели управления преподавателя на отдельные демонстрационные панели необходимо использовать провода с большим поперечным сечением.

Раскрытие сущности изобретения

Новое техническое решение состоит из модульной демонстрационной панели с электронной защитой, работающей от устойчивых к короткому замыканию источников питания безопасного низкого напряжения для безопасного проведения экспериментов в классах в области физики - электротехники и электрохимии.

Это решение позволяет централизованно устанавливать одинаковое напряжение для всех модульных демонстрационных панелей, включенных в систему рабочих станций учащихся, с рабочей станции преподавателя, с ограничением выходной мощности источника, при этом мощность для модульных демонстрационных панелей может быть безопасно ограничена мощностью локального источника. Это означает, что короткое замыкание одной модульной демонстрационной панели не повлияет на другие модульные демонстрационные панели. Существует также возможность настройки выходного напряжения. Модульные демонстрационные панели, включенные в это техническое решение, состоят из отдельных сменных модулей на печатной плате. На лицевой стороне печатной платы напечатано ее описание и соответствующий символ схемы или схема разводки и описан реальный элемент. Эти сменные модули имеют электронную защиту, встроенную в нижнюю часть. В случае какой-либо ошибки во время экспериментов эта защита предотвращает повреждение источника питания, модуля или компонентов модуля. Техническое решение предлагает набор отдельных известных технических элементов, расположенных в виде технического решения, указанного на верхней стороне. Это образует одну концепцию изобретения при заданном условии. Это техническое решение направлено на безопасное и неограниченное по времени выполнение экспериментов, что позволяет обеспечить одинаковые условия во время экспериментов на всех рабочих станциях учащихся, без вышеуказанных недостатков в отношении результатов экспериментов, присущих существующим техническим решениям.

Краткое описание чертежей

Модульные демонстрационные панели с электронной защитой, работающие от устойчивых к короткому замыканию источников питания безопасного низкого напряжения, иллюстрируются следующими фигурами: фиг. 1 - техническая концепция модульных демонстрационных панелей с электронной защитой, работающих от устойчивых к короткому замыканию источников питания безопасного низкого напряжения; фиг. 2 - модульная демонстрационная панель; фиг. 3 - демонстрационный модуль; фиг. 4 - электронная защита демонстрационного модуля.

Пример технической реализации изобретения

Техническое решение реализуется путем снабжения рабочих станций 1 учащихся, которые включают в себя модульные демонстрационные панели 2, устойчивыми к короткому замыканию источниками 3 безопасного низкого напряжения, питаемыми регулируемым напряжением 0-230 В от автоматического трансформатора 4 на рабочей станции 5 преподавателя. Модульные демонстрационные панели 2 состоят из отдельных демонстрационных модулей 6. Демонстрационные модули 6 состоят из печатной платы 18, снабженной компонентами 7, например светодиодами, безопасными разъемами 8 и защитной цепью 9. Защитная цепь располагается на нижней стороне демонстрационных модулей 6. В случае неправильного подключения безопасного разъема 8 эта схема обеспечивает безопасный отвод избыточной мощности.

Рабочая станция 10 преподавателя содержит панель управления 5 и источник 3 низкого напряжения, устойчивый к коротким замыканиям. Устойчивый к коротким замыканиям источник 3 низкого напряжения образован разделительным трансформатором 12, устойчивым к коротким замыканиям, и генерирует безопасное гальванически развязанное низкое переменное напряжение 11 (между выходными клеммами 17). Панель управления 5 на рабочей станции 10 преподавателя получает электропитание через кабель 13 электропитания от распределительной сети общего пользования с низким переменным напряжением и оснащается автоматическим трансформатором 4 и вольтметром 14 переменного напряжения. Выходное напряжение автоматического трансформатора 4 подключается через кабель 15 одновременно к входным клеммам 16 всех устойчивых к коротким замыканиям источников 3 безопасного низкого напряжения; они размещаются на всех рабочих станциях 1 учащихся. Все устойчивые к коротким замыканиям источники 3 безопасного низкого напряжения включают в себя устойчивые к короткому замыканию безопасные разделительные трансформаторы 12, которые безусловно устойчивы к короткому замыканию и имеют одинаковый тип. Вторичное напряжение трансформатора подключается к выходным разъемам 17. Поскольку входящие в комплект безопасные разделительные трансформаторы 12, устойчивые к короткому замыканию, относятся к одному и тому же типу, они имеют одинаковое первичное напряжение (т.е. выходное напряжение автоматического трансформатора 4), а также одинаковое вторичное напряжение (в пределах производственных допусков характеристик трансформаторов). Устойчивый к коротким замыканиям источник 3 безопасного низкого напряжения на рабочей станции 10 преподавателя идентичен устойчивым к коротким замыканиям источникам 3 безопасного низкого напряжения на всех рабочих станциях 1 учащихся. Преподаватель может проводить эксперимент одновременно с учащимися и сравнивать результаты. Напряжение устанавливается с помощью автоматического трансформатора 4, а значение выходного напряжения считывается с вольтметра 14 переменного напряжения. Диапазон вольтметра составляет 250 В переменного тока, 50 Гц, но шкала согласуется с соответствующим выходным напряжением устойчивого к коротким замыканиям источника 3 безопасного низкого напряжения на всех рабочих станциях 1 учащихся. Рабочих станций учащихся может быть от 1 до 99.

Промышленная применимость

Техническое решение применимо для проведения экспериментов в начальных и средних школах и в других учебных заведениях, особенно в области физики - электротехники, электрохимии, а также на объектах досуга.

Реферат

Изобретение относится к системе рабочих станций учащихся и преподавателя, включающей модульные демонстрационные панели, получающие электропитание от устойчивых к короткому замыканию источников безопасного низкого напряжения, для безопасного проведения экспериментов в школьных классах и учебных заведениях в области физики - электротехники и электрохимии. Технический результат - обеспечение возможности централизованной установки одинакового напряжения с рабочей станции преподавателя для всех МДП, включенных в систему рабочих станций учащихся, с ограничением выходной мощности источника электропитания, при этом мощность МДП может быть безопасно ограничена мощностью локального источника, что предотвращает влияние короткого замыкания одной МДП на другие МДП, а также, при необходимости, обеспечение возможности настройки выходного напряжения. Достигается тем, что при использовании МДП включают в себя по меньшей мере одну модульную панель (W), размещенную на рабочей станции (1) учащегося (РСУ), и одну - на рабочей станции (10) преподавателя (РСП), причем указанные панели состоят по меньшей мере из одного сменного (2) демонстрационного модуля (6), состоящего из печатной платы (18) с компонентами (7), безопасными разъемами (8) и цепью (9) защиты от перегрузки. РСУ (1) и РСП (10) оснащены устойчивыми к короткому замыканию источниками (3) безопасного низкого напряжения (ИБНП), которые получают регулируемое напряжение 0-230 В от автоматического трансформатора (4), размещенного на панели (5) управления преподавателя. При этом ИБНП (3) выполнены как безопасный разделительный трансформатор (12), стойкий к короткому замыканию, который генерирует гальванически развязанное безопасное низкое переменное напряжение (11) между выходными разъемами (17). Панель (5) управления на РСП (10) получает электропитание через кабель (13) от распределительной сети общего пользования с низким переменным напряжением и оснащена автоматическим трансформатором (4) и вольтметром (14) переменного напряжения. Выходное напряжение автоматического трансформатора (4) через кабель (15) подключено одновременно к входным клеммам (16) всех ИБНП (3). Вторичное напряжение безопасного разделительного трансформатора (12) подключено к выходным разъемам (17). При этом устойчивый к короткому замыканию ИБНП (3) на РСП (10) идентичен устойчивым к короткому замыканию ИБНП (3) на всех РСУ (1), поэтому напряжение устанавливается с помощью автоматического трансформатора (4), а значение выходного напряжения считывается с помощью вольтметра (14) переменного напряжения. 4 ил.

Формула