электронный ключ

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ, содержащий нагрузку, первый МДП-транзистор, второй транзистор, первый и второй резисторы, первый диод, первый трансформатор с тремя обмотками, блок управления, подключенный к входным питающим выводам, причем начало первой обмотки трансформатора соединено с первым питающим выводом блока управления, а конец первой обмотки соединен с первым выходом блока управления, управляющий вход которого соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого соединен с третьим выводом нагрузки, концом второй обмотки первого трансформатора и эмиттером второго транзистора, база которого соединена с одним выводом первого резистора, а коллектор через второй резистор подключен к затвору МДП-транзистора и катоду первого диода, отличающийся тем, что введены второй трансформатор с тремя обмотками, второй, третий и четвертый диоды, блок управления содержит второй выход, причем конец третьей обмотки первого трансформатора соединен с началом нулевой обмотки первого трансформатора, а начало третьей обмотки первого трансформатора соединено с катодом второго диода, анод которого соединен с вторым питающим выводом блока управления и анодом третьего диода, катод которого соединен с началом третьей обмотки второго трансформатора, конец которой соединен с началом первой обмотки второго трансформатора и первым питающим выводом блока управления, конец первой обмотки второго трансформатора соединен с вторым выходом блока управления, вторая обмотка второго трансформатора началом через анод катод четвертого диода подключена к другому выводу первого резистора, а концом к эмиттеру второго транзистора, начало второй обмотки первого трансформатора соединено через третий резистор с анодом первого диода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при построении систем вторичного электропитания, в частности, в устройствах коммутации и защиты от перегрузок по току и напряжению.

Известны электронные транзисторные ключи на основе МДП-транзисторов (Электричество. 1984 г. N 4, с.30, рис.8; Larry Wofford. PWM controller chip hits frequency higns of switching supplies. Electronic Design, N 12, v.33, 1985, p.100). Недостатком рассматриваемых устройств является отсутствие гальванической развязки цепей управления и электродов МДП-транзисторов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является электронный транзисторный ключ, содержащий нагрузку. МДП-транзистор, второй транзистор, первый и второй резисторы, первый диод, трансформатор с тремя обмотками, схему управления (авт. св. N 1704247, кл. H 02 M 3/335, 1992).

Недостатком этого устройства является значительная масса и габариты при работе на низких частотах. Объясняется это тем, что масса и габариты трансформатора определяются частотой коммутации электронного ключа и при низких частотах (например, при частотах 10 кГц и менее) масса и габариты трансформатора оказываются значительными.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных показателей устройства при низких рабочих частотах и расширение диапазона рабочих частот (в сторону низких частот) при сохранении малыми массы и габаритов устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в электронном транзисторном ключе, содержащем нагрузку, МДП-транзистор, второй транзистор, первый и второй резисторы, первый диод, первый трансформатор с тремя обмотками, схему управления, подключенную к входным питающим выводам, причем начало первой обмотки первого трансформатора соединено с первым питающим входом схемы управления, а конец первой обмотки соединен с первым выходом схемы управления, управляющий вход которой соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен со стоком МДП-транзистора, исток которого соединен с третьим выводом нагрузки, концом второй обмотки первого трансформатора и эмиттером второго транзистора, база которого соединена с одним выводом первого резистора, а коллектор через второй резистор к затвору МДП-транзистора и катоду первого диода введены второй трансформатор с тремя обмотками, второй, третий и четвертый диоды, схема управления снабжена вторым выходом, причем конец третьей обмотки первого трансформатора соединен с началом первой обмотки первого трансформатора, а начало третьей обмотки первого трансформатора соединено с катодом второго диода, анод которого соединен со вторым питающим входом схемы управления и анодом третьего диода, катод которого соединен с началом третьей обмотки второго трансформатора, конец которой соединен с началом первой обмотки второго трансформатора и первым питающим входом схемы управления, конец первой обмотки второго трансформатора соединен с вторым выходом схемы управления, вторая обмотка второго трансформатора началом через анод-катод четвертого диода подключена к другому выводу первого резистора, а концом к эмиттеру второго транзистора, начало второй обмотки первого трансформатора соединено через третий резистор с анодом первого диода.

Заявители не обнаружили технические решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема электронного транзисторного ключа; на фиг. 2 пример реализации схемы управления; на фиг. 3 временные диаграммы напряжений, поясняющие работу электронного транзисторного ключа.

Электронный транзисторный ключ (фиг. 1) содержит нагрузку 1, МДП-транзистор 2, второй транзистор 3, резисторы 4, 5, 6, диоды 7, 8, 9, 10, два трансформатора 11, 12, каждый из которых имеет три обмотки, схему управления 13, подключенную к двум питающим входам, первый выход схемы управления соединен с концом первой обмотки трансформатора 11, начало которой соединено с первым питающим входом схемы управления и концом второй обмотки трансформатора 11, начало которой через катод-анод диода 8 соединено с вторым питающим входом схемы управления и анодом диода 9, катод которого соединен с началом третьей обмотки трансформатора 12, конец которой соединен с первым питающим входом схемы управления 13 и началом первой обмотки трансформатора 12, конец которой подключен к второму выходу схемы управления 13, управляющий вход которой подключен к первому выводу нагрузки 1, второй вывод которой соединен со стоком МДП-транзистора 2, исток которого соединен с третьим выводом нагрузки 1, концами вторых обмоток трансформаторов 11 и 12 и эмиттером второго транзистора 3, база которого через резистор 4 подключена к катоду диода 10, анод которого соединен с началом второй обмотки трансформатора 12, коллектор второго транзистора 3 соединен через резистор 5 с затвором МДП-транзистора 2 и катодом диода 7, анод которого через резистор 6 подключен к началу второй обмотки трансформатора 11.

На фиг. 2 представлен один из возможных вариантов схемы управления, обеспечивающей формирование на выходе сигналов в соответствии напряжением, поступающим на управляющий вход управления 13. Представленный вариант схемы управления обеспечивает выключение МДП-транзистора 2 при превышении напряжением на нагрузке заданного уровня.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 14 генератор тактовых импульсов (ГТИ); 15 фазорасщепитель (ФР); 16, 17, 18 логические элементы И, 19 компаратор напряжения, 20 источник опорного напряжения (ИОН), 21, 22 выходные транзисторы.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу электронного транзисторного ключа, где 23 выход генератора тактовых импульсов 14, 24 первый выход фазорасщепителя 15 (соединенного с логическим элементом 16), 25 второй выход фазорасщепителя 15 (соединенного с логическим элементом 17), 26 выход компаратора 19, 27 выход логического элемента 18, 28 выход логического элемента 17, 29 выход логического элемента 16, 30 напряжение на первой обмотке трансформатора 11 (на начале обмотки относительно ее конца), 31 напряжение на переходе затвор-исток МДП-транзистора 2 относительно истока, 32 напряжение на первой обмотке трансформатора 12 (на начале обмотки относительно ее конца).

Сущность изобретения состоит в том, что за счет поддержания постоянной частоты подаваемых на управляющий электрод МДП-транзистора сигналов в широком диапазоне значений частоты коммутации транзистора улучшены массогабаритные характеристики устройства.

Электронный транзисторный ключ работает следующим образом.

Схема управления формирует сигналы открывающие МДП-транзистор 2, если напряжение на нагрузке 1 не превышает заданное и закрывает его, если напряжение превышает заданный уровень. Так генератор тактовых импульсов 14 формирует последовательность импульсов 23. Фазорасщепитель 15 разделяет сигналы на две последовательности 24 и 25, которые через логические элементы 16 и 17 поступают (при соответствующих уровнях сигналов на вторых входах логических элементов 16 и 17) соответственно через усиливающие транзисторы 21 и 22 на первый и второй выход схемы управления 13. Если напряжение на нагрузке 1 не превышает заданный источником опорного напряжения 20 уровень, то компаратор напряжения 19 формирует на своем выходе низкий уровень напряжения (интервал времени t_o-t_i). При этом транзистор 21 открывается в соответствии с сигналами поступающими с первого выхода фазорасщепителя 15 (диаграмма 29), а транзистор 22 поддерживается в выключенном состоянии независимо от сигналов, формируемых фазорасщепителем 15. В момент времени t_i напряжение на нагрузке 1, например, превысило заданный уровень. При этом компаратор напряжения 19 на своем выходе формирует высокий уровень напряжения, запрещая прохождение сигналов, формируемых фазорасщепителем 15, через логический элемент 16 и разрешая прохождение сигналов через логический элемент 17. Таким образом, при превышении напряжением на нагрузке 1 заданного уровня транзистора 21 поддерживается в выключенном состоянии, а транзистор 22 периодически включается. Если же напряжение на нагрузке 1 не превышает заданный уровень транзистор 22 поддерживается в выключенном состоянии, а транзистор 21 периодически включается. Период и длительность включения транзисторов 21 и 22 определяются работой генератора тактовых импульсов 14 и фазорасщепителя 15.

При нормальном напряжении на нагрузке 1 в интервалы времени включенного транзистора 21 схемы управления 13 на первую обмотку трансформатора 11 подается напряжение Е. При этом на вторичной обмотке трансформатора формируется ЭДС, которая через диод 6 подается на затвор МДП-транзистора 2 и транзистор 2 открывается. При выключенном транзисторе 21 энергия, накопленная в сердечнике трансформатора 11 возвращается в источник питающего напряжения Е через третью обмотку трансформатора 11 и диод 8. Поскольку переход затвор-исток МДП-транзисторов представляет собой емкостную нагрузку, напряжение на затворе МДП-транзистора 2 после выключения транзистора 21 схемы управления 13 до его очередного включения уменьшается незначительно и МДП-транзистор 2 поддерживается в открытом состоянии. При превышении напряжения на нагрузке 1 выше заданного транзистора 21 схемы управления 13 перестает периодически включаться, но начинает периодически включаться транзистор 22 схемы управления 13. При включенном транзисторе 22 напряжение Е подается на первую обмотку трансформатора 12. Под действием этого напряжения на второй обмотке трансформатора 12 формируется напряжение открывающее по цепи диод 10 резистор 4 переход база-эмиттер транзистор 3, который снижает напряжение на затворе МДП-транзистора 2 по цепи резистор 2 переход коллектор-эмиттер транзистора 3. МДП-транзистор 2 при этом переходит в выключенное состояние. В моменты времени выключенного транзистора 22 схемы управления 13 энергия, накопленная в сердечнике трансформатора 12 (при включенном транзисторе 22), передается в питающий источник напряжения Е по цепи: третья обмотка трансформатора 12 диод 3. Периодическое включение второго транзистора 3 обеспечивает поддержание МДП-транзистора 2 в выключенном состоянии.

Резисторы 2 и 6 служат соответственно для ограничения тока разряда и заряда перехода затвор-исток МДП-транзистора 2.

Таким образом электронный транзисторный ключ обеспечивает коммутацию напряжений (токов) с интервалами времени произвольной длительности (например, от 0,0001 до 10 с и более), что позволяет его использовать в защитах от переходных процессов в сетях питания постоянным током, от перегрузок по току и т.п. При этом масса и габариты электронного транзисторного ключа не определяются частотой его коммутации, поскольку наиболее громоздкие компоненты (трансформаторы 11 и 12) работают на частоте, значительно превышающей частоту коммутации электронного транзисторного ключа.