способ управления магнитно-транзисторным ключом и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления магнитно-транзисторным ключом, согласно которому на его вход подают управляющее напряжение, преобразуют его в ток намагничивания, трансформируют накопленную энергию, гальванически развязывая выходное напряжение от входного напряжения, выпрямляют его и формируют на выходе напряжения, соответствующие уровням логических сигналов, путем подачи вспомогательного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности управления путем подавления внешних помех, дополнительно формируют коммутирующий ток и передают его энергию для генерации выходного напряжения в зависимости от управляющего напряжения, причем при уровне управляющего напряжения, соответствующем состоянию логической "единицы", предельно насыщают магнитный сердечник ключа, исключая передачу энергии коммутирующего тока на выход ключа и формируя на нагрузке напряжение, соответствующее уровню логической "единицы", а при уровне управляющего напряжения, соответствующем состоянию логического "нуля", трансформируют энергию коммутирующего тока, формируя на нагрузке напряжение, соответствующее уровню логического "нуля".

2. Устройство для управления магнитно-транзисторным ключом, содержащее коммутирующий элемент на магнитном сердечнике с тремя обмотками, первая из которых соединена с выходом порогово-ключевого элемента, и формирователь выходного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности управления путем подавления внешних помех, в него дополнительно введен формирователь коммутирующего тока, соединенный с второй обмоткой, включенной согласно с третьей обмоткой, соединенной с входом формирователя выходного напряжения, при этом формирователь коммутирующего тока выполнен на конденсаторе и двух резисторах, первый из которых подключен к началу второй обмотки и к одному выводу второго резистора, соединенного другим выводом с первой обкладкой конденсатора, соединенного второй обкладкой с концом второй обмотки и подключенного параллельно источнику постоянного напряжения, а общая точка соединения резисторов связана с выходом источника переменного напряжения.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что порогово-ключевой элемент содержит три диода, четыре резистора, первый транзистор p - n - p- и второй транзистор n - p - n-типа проводимости, при этом первый диод включен в коллектор первого транзистора, а второй диод - в коллекторную цепь второго транзистора, эмиттеры которых соединены в общую точку и соответственно через первый и второй, третий и четвертый резисторы связаны с входными выводами, причем между базами транзисторов включен третий диод, катод которого подключен к общей точке соединения первого и второго резисторов, а катод - к общей точке соединения третьего и четвертого резисторов.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирователь выходного напряжения содержит транзистор n - p - n-типа проводимости, в коллекторную цепь которого включен первый резистор, а между базой и эмиттером - второй резистор, зашунтированный конденсатором и через второй и третий резисторы связанный с выходом диодного мостового выпрямителя, вход которого является входом формирователя выходного напряжения, выход которого образован между коллектором и эмиттером транзистора.

5. Устройство по пп. 2 - 4, отличающееся тем, что коммутирующий элемент на магнитном сердечнике дополнительно снабжен двумя экранирующими обмотками.

6. Устройство по пп. 3 - 5, отличающееся тем, что в него введен двухпозиционный переключатель, подвижный вывод которого подключен к одному выводу порогово-ключевого элемента, а неподвижные выводы соединены соответственно с другим выводом порогово-ключевого элемента и с коллекторами транзисторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и импульсной технике и может найти применение в системах приема и передачи дискретной информации по линиям связи с "гальванической развязкой", в частности в различных регулирующих, логических и диалоговых программируемых контроллерах и схемах ввода-вывода ЭВМ.

Известен способ управления магнитно-транзисторным ключом и устройство для его осуществления, по которому на вход ключа подают управляющее напряжение, преобразуют его в ток намагничивания и затем намагничивают магнитный элемент ключа, после чего трансфоpмируют энергию, накопленную на его входе, в его выходную цепь.

Устройство для осуществления этого способа содержит силовой транзистор, в коллекторную цепь которого включена нагрузка, трансформатор тока, два транзисторных ключа, резисторы, диод, вспомогательный источник питания и дополнительный трансформатор.

Недостатками данного технического решения является невозможность передачи длительных входных сигналов уровня логической "единицы" ("1"), и, кроме того, в нем не обеспечивается помехозащищенность.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления магнитно-транзисторным ключом, по которому подают на его вход управляющее напряжение, преобразуют его в ток намагничивания, трансформируют накопительную энергию, выходное напряжение "гальванически развязывают" от входного напряжения, выпрямляют его и формируют на выходе напряжения, соответствующие уровням логических сигналов путем подачи на нагрузку вспомогательного напряжения.

Устройство для осуществления этого способа содержит коммутирующий элемент на магнитном сердечнике с тремя обмотками, порогово-ключевой элемент, связанный с первой обмоткой, и формирователь выходного напряжения.

Недостатком данного технического решения является наличие ограничения на форму сигналов напряжения ввода и вывода, а также то, что передачу входного сигнала на выход осуществляют с промежуточным преобразованием этого сигнала, что усложняет устройство, реализующее данный способ. Кроме того, данное устройство не может подавлять помехи.

Целью изобретения является повышение надежности управления путем подавления внешних помех.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе управления магнитно-транзисторным ключом, согласно которому на его вход подают управляющее напряжение, преобразуют его в ток намагничивания, трансформируют накопленную энергию, "гальванически" развязывая выходное напряжение от входного напряжения, выпрямляют его и формируют на выходе напряжения, соответствующее уровням логических сигналов путем подачи на нагрузку вспомогательного напряжения, согласно изобретению, дополнительно формируют коммутирующий ток и передают его энергию для генерации выходного напряжения в зависимости от управляющего напряжения, причем при уровне управляющего напряжения, соответствующего состоянию логической "единицы", предельно насыщают магнитный сердечник ключа, исключая передачу энергии коммутирующего тока на выход ключа и формируя на нагрузке напряжение, соответствующее уровню логической "единицы", а при уровне управляющего напряжения, соответствующего состоянию логического "нуля", трансформируют энергию коммутирующего тока, формируя на нагрузке напряжение, соответствующее уровню логического "нуля".

Поставленная цель достигается также за счет того, что в известное устройство для управления магнитно-транзисторным ключом, содержащее коммутирующий элемент на магнитном сердечнике с тремя обмотками, первая из которых соединена с выходом порогово-ключевого элемента, и формирователь выходного напряжения, введен формирователь коммутирующего тока, соединенный со второй обмоткой, включенной согласно с третьей обмоткой, соединенной с входом формирователя выходного напряжения, при этом формирователь коммутирующего тока выполнен на конденсаторе и двух резисторах, первый из которых подключен к началу второй обмотки и к одному выводу второго резистора, соединенного другим выводом с первой обкладкой конденсатора, соединенного второй обкладкой с концом второй обмотки и подключенного параллельно источнику постоянного напряжения, а общая точка соединения резисторов связана с выходом источника переменного напряжения.

Поставленная цель достигается также за счет того, что порогово-ключевой элемент содержит три диода, четыре резистора, первый транзистор p-n-p и второй транзистор n-p-n типа проводимости, при этом первый диод включен в коллекторную цепь первого транзистора, второй диод включен в коллекторную цепь второго транзистора, эмиттеры которых соединены в общую точку и соответственно через первый и второй, третий и четвертый резисторы связаны со входными выводами, причем между базами транзисторов включен третий диод, катод которого подключен к общей точке соединения первого и второго резисторов, а катод - к общей точке соединения третьего и четвертого резисторов.

Поставленная цель достигается также за счет того, что формирователь выходного напряжения содержит транзистор n-p-n типа, в коллекторную цепь которого включен первый резистор, а между базой и эмиттером включен второй резистор, зашунтированный конденсатором, и через второй и третий резисторы связанный с выходом диодного мостового выпрямителя, вход которого является входом упомянутого формирователя выходного напряжения, выход которого образован между коллектором и эмиттером транзистора.

Кроме того, поставленная цель достигается за счет того, что коммутирующий элемент на магнитном сердечнике дополнительно снабжен двумя экранирующими обмотками.

Поставленная цель достигается также за счет того, что в устройство введен двухпозиционный переключатель, подвижный вывод которого подключен к одному выводу порогово-ключевого элемента, а неподвижные выводы соединены соответственно с другим выводом порогово-ключевого элемента и с коллекторами транзисторов.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа управления; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема данного устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие сущность способа и функционирование устройства для его осуществления.

Устройство для реализации способа управления магнитно-транзисторным ключом содержит коммутирующий элемент 1 (см. фиг. 1) на магнитном сердечнике 2 с тремя обмотками 3, 4 и 5, порогово-ключевой элемент 6, формирователь 7 коммутирующего тока и формирователь 8 выходного напряжения. Взаимодействие трех обмоток коммутирующего элемента 1 на фиг. 1 условно представлено пунктирными линиями, изображающими ключ 9 между второй 4 и третьей 5 обмотками, который управляется под действием первой обмотки 3. При этом формирователь 7 выполнен на конденсаторе 10 (см. фиг. 2) и двух резисторах 11 и 12. Резистор 11 подключен между началом обмотки 4, одним выводом резистора 12 и выводом 13, к которому подводится переменный ток. Конденсатор 10 подключен к выводам 14 и 15, на которые подводится постоянный ток (+12 В).

Порогово-ключевой элемент 6 выполнен на двух транзисторах 16 и 17, трех диодах 18, 19 и 20 и четырех резисторах 21, 22, 23 и 24, при этом транзистор 16 выполнен на структуре p-n-p типа проводимости и его коллектор через диод 19 связан с началом обмотки 3, эмиттер соединен с ее концом, а также через резистор 21 и диод 18 соединен с базой транзистора 17 n-p-n типа проводимости, коллектор которого через диод 20 тоже связан с началом обмотки 3, эмиттер соединен с ее концом, а также через резистор 22 связан с катодом диода 18, который через соответствующие резисторы 23 и 24 соединен с выводами 25 и 26, на которые подаются входные сигналы. Формирователь 8 выходного напряжения содержит выходной транзистор 27 n-p-n типа проводимости, в коллекторную цепь которого включен резистор 28, а эмиттерный переход зашунтирован параллельной цепочкой на резисторе 29 и конденсаторе 30 и через резисторы 31 и 32 подключен в диагональ мостового диодного выпрямителя 33, входом соединенного с обмоткой 5. Выход формирователя 8 образован между коллектором и эмиттером транзистора 27 выводами 34 и 35. Вспомогательный источник обозначен позицией 36. Коммутирующий элемент снабжен также двумя экранирующими обмотками 37 и 38. Двухпозиционный переключатель выполнен на контактах 39 и 40 и подключен к выводам 25 и 26, на которые подаются входные сигналы.

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления магнитно-транзисторным ключом, функционирует следующим образом.

При отсутствии напряжения на выводах 25 и 26 базы транзисторов 16 и 17 смещены на свои эмиттеры с помощью резисторов 23 и 24, вследствие чего эти транзисторы закрыты и обмотка 3 не нагружена. В обмотке 5 при этом генерируется ЭДС за счет коммутирующего тока в обмотке 4. Напряжение, снимаемое с обмотки 5, преобразуется с помощью формирователя 8 выходного напряжения в состояние "нулевого" уровня на выходных выводах 34 и 35. При появлении входного сигнала на выводах 25 и 26 транзисторы 16 и 17 начинают открываться и нагружать обмотку 3, что приводит к "отсечке" трансформатора 2, а напряжение, снимаемое с обмотки 5, преобразуется в состояние уровня "единица" на выходных выводах 34 и 35 следующим образом: коммутирующее напряжение частотой f_ком. порядка 500 кГц (выводы 13, 15 фиг. 3, а) и напряжение источника постоянного тока +12 В (выводы 14 и 15) подаются на формирователь 7 коммутирующего тока. Резисторы 11 и 12 и конденсатор 10 формируют оптимальный по амплитуде и форме ток в обмотке 4.

Конденсатор 10 компенсирует реактивную энергию по цепи питания +12 В. Этот ток, создавая магнитный поток в магнитопроводе сердечника, генерирует в обмотках 3 и 5 одинаковые по форме ЭДС. При этом напряжения на указанных обмотках имеют форму согласно фиг. 3, в. При отсутствии входного сигнала - логический "0" - транзисторы 16 и 17 закрыты смещением, обеспечиваемым резисторами 21 и 22. Цепь ЭДС в обмотке 3 разомкнута и тока нагрузки в этой обмотке нет.

ЭДС в обмотке 5 является источником базового тока транзистора 27 и при ее наличии транзистор удерживается в режиме "насыщения" (транзистор открыт) и на выходе (выводы 34 и 35) устанавливается напряжение низкого уровня - логический "0". Диодный мостовой выпрямитель 33 осуществляет двухполупериодное выпрямление напряжения, снимаемое с обмотки 5. Резисторы 31 и 32 ограничивают ток базы транзистора 27, а также ввиду их симметричного включения дополнительно подавляют синфазную помеху в выходном сигнале и с конденсатором 30 образуют фильтр высоких частот. Для формирования выходного сигнала на выводах 34 и 35 дополнительно введено смещение базы транзистора 27 на эмиттер с помощью резистора 29, а также резистора 28 балластного сопротивления, включенного в цепь коллектора.

При подаче входного сигнала (фиг. 3, б) транзистор 16 или 17 в зависимости от полярности ЭДС на обмотке 3 начнет открываться и в его коллекторной цепи появится ток, обусловленный параметрами схемы (диод, транзистор, обмотка), но достаточный для насыщения магнитопровода сердечника 2. При насыщении магнитопровода сердечника генерации ЭДС в обмотке 5 прекращается, на выходе выпрямительного моста 33 устанавливается напряжение на уровне логического "0" (фиг. 3, д, интервал t₂, t₄), которое приводит к закрытию транзистора 27 и появлению на его коллекторе напряжения уровня логической "1" (выводы 34 и 35, фиг. 3, е), интервал времени t₂ и t₄.

На вход данного устройства может подключаться и пассивная линия ("сухой" контакт), которая показана на фиг. 2 пунктиром в виде переключающегося контакта 39 и 40. Функционирование такого устройства аналогично описанному выше.

На фиг. 3 показаны формы сигналов на участке схемы:

а - напряжение на выводах 13 и 15;

б - входной сигнал f_вх. ;

в - напряжение на обмотках 3 и 5;

г - напряжения на выходе мостового выпрямителя 33;

д - напряжение на обкладках конденсатора 30;

е - выходной сигнал f_вых.

Как видно из диаграмм, приведенных на фиг. 3, в данном устройстве срез выходного сигнала не определен с точностью до 1/2t f_ком, относительно среза входного сигнала.

Однако эта неточность в передаче сигнала с входа на выход соизмерима с неопределенностью входных сигналов, обусловленной линиями связи, к тому же эта ошибка незначительна, так как входные сигналы, как правило, имеют частоту в 3-4 раза меньше частоты коммутирующего напряжения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение, предназначенное для реализации нового принципа "гальванического разделения" цепей связи при приеме и передаче данных, представленных в последовательном формате, позволяет передавать состояние линии связи с входа на выход "развязки" без изменения, т. е. состояние логического "нуля" линии связи в состояние логического "нуля" выходов, и состояние логической "единицы" линии связи в состояние логической "единицы" выходов магнитно-транзисторного ключа.

В свою очередь это позволяет вести передачу и прием в байт-ориентированных и бит-ориентированных протоколах управления информационным каналом без преобразования кодов данных при выдаче в линию и прием с линии связи.

При этом система становится некритичной к физическому состоянию линии связи, т. е. уровни логического "0" и логической "1" выбираются произвольно, что резко повышает помехоустойчивость системы и позволяет произвольно выбирать ее физический протокол обмена, а также работать как на активную линию связи, так и на пассивную.

Некритичность развязки к физическому состоянию линии связи позволяет организовать такие линии связи, которые невозможны для существующих "развязок" (прием релейных сигналов без организации дополнительных источников питания, как внешних, так и внутренних).

Применение предлагаемого технического решения в народном хозяйстве обеспечивает технико-экономический эффект по следующим критериям:

устройство позволяет построить локальные вычислительные сети микропроцессорных (МП) систем с более простой топологией и упрощает узлы формирования сигналов в линиях связи;

данное предложение дает возможность вводить релейные сигналы, используя пассивные линии связи;

схема устройства в аварийных ситуациях из-за высокого напряжения пробоя изоляции повышает надежность МП систем и позволяет использовать их для приема и передачи сигналов по высоковольтным линиям связи. (56) Авторское свидетельство СССР N 1241453, кл. H 03 K 17/60, 1986.

Авторское свидетельство СССР N 1372611, кл. H 03 K 17/60, 1988.