тиристорный коммутатор

Формула изобретения

Тиристорный коммутатор, содержащий тиристор, один силовой электрод которого подключен к первому выводу конденсатора и через нагрузку к первой шине источника питания, а другой силовой электрод непосредственно к второй шине источника питания, при этом второй вывод конденсатора подключен к первому выводу резистора и через первый ключевой элемент к второй шине источника питания, причем вход первого ключевого элемента предназначен для подачи управляющего сигнала, а управляющий электрод тиристора предназначен для подачи отпирающего импульса, отличающийся тем, что в него введен второй ключевой элемент, включенный между вторым выводом резистора и первой шиной источника питания, управляющий вход второго ключевого элемента подключен к нагрузке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в приборах коммутации различных исполнительных элементов. Предлагаемый тиристорный коммутатор предназначен для использования в различных электронных устройствах, где требуется элемент с двумя устойчивыми состояниями ("включено" и "выключено"), например, в различных системах управления.

Существует большое разнообразие электронных коммутаторов. Такие устройства при подаче первого электронного импульс изменяют свое состояние, а при подаче второго приходят в исходное состояние. Причем, каждое состояние является устойчивым, и устройство может находиться в этом состоянии сколь угодно долго. Примерами таких коммутаторов могут являться устройства, приведенные в патенте США 3968479 (опубл. 06.06.76), в патенте США 3532937 (опубл. 06.01.70) и заявке ФРГ 2286470 (опубл. 28.05.78).

Тиристорные коммутаторы (ТК) с двумя устойчивыми состояниями получили самое широкое распространение в различных системах управления. При выборе ТК для управления необходимо учитывать, что условия эксплуатации подавляющего большинства систем накладывают жесткие ограничения по массе, габаритам, надежности, и т.д. При выборе блоков приема и исполнения команд управления предпочтение часто отдается тем ТК, которые не требуют начальной установки исходного состояния при включении питания и не потребляют энергии в выключенном состоянии.

Устройством, которое наиболее полно удовлетворяет таким предъявляемым требованиям, является устройство, принятое за прототип и приведенное в книге Я.С. Кублановского "Тиристорные устройства", М. "Энергия", 1978 на рис. 13г, стр.28.

Этот ТК содержит тиристор, один силовой электрод которого подключен к первому выводу конденсатора и через нагрузку к первой, а другой к силовой электрод непосредственно ко второй шинам источника питания, при этом второй вывод конденсатора подключен к первому выводу резистора и через первый ключевой элемент ко второй шине источника питания.

Роль первого ключевого элемента в этом устройстве играет также тиристор. В исходном состоянии тиристор и первый ключевой элемент (второй тиристор) закрыты. При подаче на управляющий электрод тиристора сигналы происходит включение тиристора. При этом через нагрузку, включенную в анодную цепь тиристора, протекает ток, достаточный для поддержания тиристора в открытом состоянии после снятия управляющего сигнала. Конденсатор заряжается до напряжения питания. При подаче управляющего сигнала на вход ключевого элемента происходит срабатывание последнего, происходит разряд конденсатора через ключевой элемент и тиристор. При этом ток разряда конденсатора уравновешивает ток через тиристор и, так как оба имеют противоположное друг другу направление, то тиристор выключается, т.е. переходит в свое второе устойчивое состояние.

ТК, выполненный по данной схеме, отвечает многим требованиям, предъявляемым к устройствам систем управления. Однако, он обладает и серьезным недостатком, который заключается в том, что при подаче управляющего сигнала на ключевой элемент, когда тиристор находится в выключенном состоянии, происходит заряд конденсатора по цепи: первая шина источника питания нагрузка тиристора конденсатор ключевой элемент вторая шина источника питания. В этом случае через нагрузку протекает импульсный ток заряда конденсатора, который вызывает появление помехи в электрических цепях, подключенных к нагрузке в анодной цепи тиристора, что может быть равноценно выдаче кратковременной ложной команды. Во многих случаях может привести к серьезным последствиям.

Техническим результатом изобретения является обеспечение помехоустойчивости устройства.

Указанный технический результат достигается тем что в тиристорный коммутатор, содержащий тиристор, один силовой электрод которого подключен к первому выводу конденсатора и через нагрузку к первой шине источника питания, а другой силовой электрод непосредственно ко второй шине источника питания, при этом второй вывод конденсатора подключен к первому выводу резистора и через первый ключевой элемент ко второй шине источника питания, введен второй ключевой элемент, включенный между вторым выводом резистора и первой шиной источника питания, управляющий вход второго ключевого элемента подключен к нагрузке тиристора.

Указанный результат достигается тем, что в предложенном устройстве по сравнению с прототипом предотвращено протекание тока по цепи нагрузки следующее по команде на выключение нагрузки, которая выдается, когда ТК уже находится в состоянии "выключено".

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема ТК, где 1 - первая шина источника питания, 2 вторая шина источника питания, 3 - тиристор, 4 нагрузки (резистор), 5 резистор, 6 резистор, 7 первый ключевой элемент, 8 второй ключевой элемент, 9 конденсатор, 10 - управляющий электрод тиристора, 11 управляющий электрод первого ключевого элемента, 12 резистор.

Первый силовой электрод тиристора 3 (анод) подключен через нагрузку 4 к первой шине источника питания 1 и первому выводу конденсатора 9. Второй силовой электрод тиристора 3 (катод) подключен ко второй шине источника питания 2. Второй вывод конденсатора 9 подключен через первый ключевой элемент (транзистор) 7 ко второй шине источника питания 2, а через резистор 6 и второй ключевой элемент (транзистор) 8 к первой шине источника питания 1. Управляющий вход второго ключевого элемента (база транзистора ) подключен через резистор 5 к нагрузке 4 тиристора 3. Резистор 12 обеспечивает надежное закрытие второго ключевого элемента в отсутствие сигнала на его управляющем входе, а резистор 5 обеспечивает необходимое ограничение величины тока управления второго ключевого элемента 8. В зависимости от исполнения второго ключевого элемента эти резисторы могут и отсутствовать.

Работа ТК происходит следующим образом. При подаче отпирающего импульса на управляющий электрод 10 тиристора 3 тиристор открывается. Через сопротивление нагрузки 4 протекает ток. При этом на нагрузке 4 появляется напряжение, которое через резистор 5 формирует базовый ток второго ключевого элемента транзистора 8, достаточный для поддержания последнего в открытом состоянии. Происходит заряд конденсатора 9 по пути: первая шина источника питания 1, резистор 6, собственно конденсатор 9, второй ключевой элемент (транзистор) 8, тиристор 3, вторая шина источника питания 2. При поступлении управляющего сигнала на вход 11 второго ключевого элемента 7 происходит открытие последнего и разряд конденсатора 9 по пути: первый ключевой элемент 7, тиристор 3, второй ключевой элемент 8, что приводит к закрытию тиристор 3, поскольку ток разряда конденсатора 9 имеет направление противоположное направлению протекания тока через нагрузку 4. В этой части функционирование устройства аналогично функционированию прототипа. Отличие заключается в том, что если на вход 11 первого ключевого элемента 7 подать управляющее напряжение, то через нагрузку 4 в анодной цепи тиристора ток протекать не будет. Это объясняется тем, что при выключенном состоянии тиристора 3 ток через нагрузку в его анодной цепи отсутствие, следовательно, на нагрузке 4 отсутствует напряжение, которое подается на вход второго ключевого элемента 2. При отсутствии управляющего напряжения второй ключевой элемент 2 закрыт. Цепь заряда-разряда конденсатора 9 разорвана. Следовательно, по сравнению с прототипом прохождение ложной (ТК уже находится в выключенном состоянии) команды на отключение ТК не вызывает появление импульсных помех в цепи нагрузки ТК. Резистор 12 обеспечивает надежное закрытие второго ключевого элемента в отсутствие сигнала на его управляющем входе. В зависимости от исполнения второго ключевого элемента этот резистор может и отсутствовать.

Необходимо отметить, что вариант исполнения ключевых элементов и 5 7 (биполярный или полевой транзистор, а в качестве первого ключевого элемента часто используют тиристор) не имеет принципиального значения.

Таким образом, разработанный ТК обладает высокой помехоустойчивостью. Основное назначение ТК работает в системах управления двигателями постоянного тока и другими исполнительными элементами. В своем первом устойчивом состоянии (состояние 0) ТК не производит подачу напряжения питания на нагрузку, а во втором устойчивом состоянии (состояние 1) ТК производит подачу напряжения питания на нагрузку. Новый ТК в отличии от прототипа допускает подачу на него команды на отключение, когда устройство уже находится в отключенном состоянии. В этом случае гарантируется отсутствие выдачи ложных команд в нагрузку ТК. Такое обеспечение помехоустойчивости ТК существенно повышает надежность функционирования систем управления выполненных с применением ТК.