переключающее устройство для надежного переключения токовых цепей

Формула изобретения

1. Переключающее устройство для надежного переключения токовых цепей, включенное в подводящую линию к потребителю (3) тока, содержащее первую последовательную ветвь (1, 2), которая гальванически соединяет первую входную точку (4, 5) с первой выходной точкой (6, 7), и вторую последовательную ветвь (1, 2), которая гальванически соединяет вторую входную точку (4, 5) со второй выходной точкой (6, 7), а также трансформатор (10) с, по меньшей мере, двумя обмотками (8, 9), отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одной из последовательных ветвей (1, 2) размещены параллельно друг другу, по меньшей мере, два переключающих элемента (11, 12), входы (20) переключения которых соединены с входной точкой последовательной ветви (4, 5), а выходы (21) переключения которых соединены с входной стороной соответствующей обмотки (8, 9) трансформатора (10), а выходные стороны обмоток (8, 9) соединены друг с другом и с выходной точкой последовательной ветви (6, 7), причем обмотки трансформатора выполнены таким образом, что напряженности (17, 18) магнитного поля обоих частичных токов (15, 16) тока (14) потребителя в трансформаторе (10) действуют противоположно направленно друг другу, и между выходными точками (6, 7) последовательных ветвей (1, 2) предусмотрена емкость (13).

2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одной из последовательных ветвей (1, 2) последовательно с потребителем включен конденсатор (19).

3. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) имеет управляющий вход (23), при задействовании которого размыкается соединение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения.

4. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) содержит предохранитель, который включен между входом (20) переключения и выходом (21) переключения.

5. Переключающее устройство по п.3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) имеет дополнительный вход (22), который проводящим образом соединен с последовательной ветвью (1, 2), и содержит, по меньшей мере, одно нелинейное звено (24), которое включено между входом (22) и выходом (21) переключения.

6. Переключающее устройство по п.5, отличающееся тем, что нелинейное звено (24) является проводящим, когда полярность напряжения на выходе (21) переключения противоположна полярности на входе (20) переключения.

7. Переключающее устройство по п.5, отличающееся тем, что нелинейное звено (24) является проводящим, когда величина напряжения на выходе (21) переключения превосходит величину напряжения на входе (20) переключения.

8. Переключающее устройство по п.3, отличающееся тем, что управляющие входы (23) переключающих элементов (11, 12) приводятся в действие посредством соответствующего устройства, по существу, одновременно.

9. Переключающее устройство по п.8, отличающееся тем, что управляющие входы (23) переключающих элементов (11, 12) связаны друг с другом и от, по меньшей мере, одного соответствующего устройства приводятся в действие, по существу, одновременно.

10. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) имеет управляющий вход (23), при задействовании которого размыкается соединение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения, и устанавливается соединение с другим входом (22) переключения, который проводящим образом соединен с последовательной ветвью (1, 2).

11. Переключающее устройство по п.10, отличающееся тем, что управляющие входы (23) переключающих элементов (11, 12) соединены друг с другом и приводятся в действие от соответствующего устройства, по существу, одновременно.

12. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) содержит управляемый компонент (25, 29) с управляющим входом (26, 30), с помощью которого может устанавливаться и прерываться соединение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения переключающих элементов.

13. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) содержит управляемый компонент (27, 31) с управляющим входом (28, 32), с помощью которого может устанавливаться и прерываться соединение между входом (22) переключения и выходом (21) переключения переключающих элементов.

14. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из переключающих элементов (11, 12) содержит два управляемых компонента (25, 27) или (29, 31) с соответствующим управляющим входом (26, 28), или (30, 32) с помощью которых может устанавливаться и прерываться соединение между входами (20) переключения и выходами (21) переключения, а также между входами (22) переключения и выходами (21) переключения.

15. Переключающее устройство по одному из пп.12-14, отличающееся тем, что управляющий компонент состоит из, по меньшей мере, одного контакта реле.

16. Переключающее устройство по одному из пп.12-14, отличающееся тем, что управляющий компонент состоит из, по меньшей мере, одного транзистора.

17. Переключающее устройство по одному из пп.12-14, отличающееся тем, что управляющий компонент состоит из, по меньшей мере, одного тиристора.

18. Переключающее устройство по п.14, отличающееся тем, что управляющие входы (26, 28, 30, 32) компонентов (25, 27, 29, 31) соединены с управляющим устройством (33), которое может принимать, по меньшей мере, два состояния, а именно состояние 1 и состояние 2, и которое имеет, по меньшей мере, один управляющий вход (36).

19. Переключающее устройство по п.18, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) в состоянии 1 управляет компонентами (25, 29) таким образом, что они проводящим образом соединяют входы (20) переключения с выходами (21) переключения переключающих элементов (11, 12), а компонентами (27, 31) управляет таким образом, что они размыкают соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения переключающих элементов (11, 12).

20. Переключающее устройство по п.18, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) в состоянии 2 управляет компонентами (25, 29) таким образом, что они размыкают соединения между входами (20) переключения с выходами (21) переключения переключающих элементов (11, 12), а компонентами (27, 31) управляет таким образом, что они устанавливают проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения переключающих элементов (11, 12).

21. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) посредством управляющего входа (36) переключается из состояния 1 в состояние 2, причем управляющее устройство (33) при этом переходе между состояниями, по существу, одновременно управляет компонентами (25, 29) таким образом, что соединение между входами (20) переключения и выходами (21) переключения размыкается, затем одним из компонентов (27) или (31) управляет таким образом, что устанавливается соединение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения, и затем вторым компонентом (27) или (31) управляет посредством его управляющего входа (28) или (32) таким образом, что соединение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения становится проводящим, когда напряжение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения становится близким к нулю.

22. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) посредством управляющего входа (36) переключается из состояния 2 в состояние 1 и при этом переходе между состояниями, по существу, одновременно управляет компонентами (27, 31) таким образом, что соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, затем одним из компонентов (25) или (29) управляет таким образом, что устанавливается соединение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения, и затем вторым компонентом (25) или (29) управляет посредством его управляющего входа (26) или (30) таким образом, что соединение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения становится проводящим, когда напряжение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения становится близким к нулю.

23. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) посредством управляющего входа (36) переключается из состояния 1 в состояние 2 и при этом переходе между состояниями, по существу, одновременно управляет компонентами (25, 29) таким образом, что соединение между входами (20) переключения и выходами (21) переключения размыкается, затем одним из компонентов (27) или (31) управляет таким образом, что устанавливается соединение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения, когда напряжение между входом (22) переключения и выходом (21) переключения становится близким к нулю, и затем вторым компонентом (27) или (31) управляет посредством его управляющего входа (28) или (32) таким образом, что соединение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения становится проводящим, когда напряжение между его входом (22) переключения и выходом (21) переключения становится, по существу, равным нулю.

24. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) посредством управляющего входа (36) переключается из состояния 2 в состояние 1 и при этом переходе между состояниями, по существу, одновременно управляет компонентами (27, 31) таким образом, что соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, затем одним из компонентов (25) или (29) управляет таким образом, что устанавливается соединение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения, когда напряжение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения становится близким к нулю, и затем вторым компонентом (25) или (29) управляет посредством его управляющего входа (26) или (30) таким образом, что соединение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения становится проводящим, когда напряжение между его входом (20) переключения и выходом (21) переключения становится близким к нулю.

25. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что к входным точкам (4, 5) подключен источник напряжения с переменной полярностью, как, например, сетевое напряжение, вторичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка трансформатора компонента коммутационной схемы.

26. Переключающее устройство по п.25, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) имеет дополнительный управляющий вход (34), который соединен с последовательной ветвью (1).

27. Переключающее устройство по п.25, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) имеет дополнительный управляющий вход (35), который соединен с последовательной ветвью (2).

28. Переключающее устройство по п.21, отличающееся тем, что переход из состояния 2 в состояние 1 в переключающем устройстве (33) инициируется посредством управляющего входа (34) или (35) в том случае, когда напряжение между входной точкой (4) и входной точкой (5) становится положительным, а переход из состояния 1 в состояние 2 инициируется посредством управляющего входа (36).

29. Переключающее устройство по п.21, отличающееся тем, что переход из состояния 2 в состояние 1 в переключающем устройстве (33) инициируется посредством управляющего входа (34) или (35) в том случае, когда напряжение между входной точкой (4) и входной точкой (5) становится отрицательным, а переход из состояния 1 в состояние 2 инициируется посредством управляющего входа (36).

30. Переключающее устройство по п.25, отличающееся тем, что к входной точке (5) и к дополнительной входной точке (40) подключен второй источник напряжения с переменной полярностью, как, например, сетевое напряжение, вторичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка трансформатора компонента коммутационной схемы, таким образом, что входная точка (40) имеет полярность, противоположную полярности входной точки (4).

31. Переключающее устройство по п.30, отличающееся тем, что переключающие элементы (11, 12) имеют соответственно дополнительный вход (41) переключения, который соединен с входной точкой (40) через дополнительную последовательную ветвь (42), и соответственно, по меньшей мере, один дополнительный управляемый компонент (43, 44) с управляющими входами (45, 46), который может управляться таким образом, что устанавливается проводящее соединение между входом (41) переключения и выходом (21) переключения.

32. Переключающее устройство по п.31, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) через дополнительный управляющий выход (47) соединено с управляющим входом (45) компонента (43), через дополнительный управляющий выход (48) - с управляющим входом (46) компонента (44) и через дополнительный вход (49) - с последовательной ветвью (42).

33. Переключающее устройство по п.32, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) во время нарастания входного напряжения (4, 5) компонентами (25, 27, 29, 31) управляет таким образом, что входы (20) переключения соединяются проводящим образом с выходами (21) переключения, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, а во время нарастания входного напряжения (40, 5) компоненты (27, 31, 43, 44) управляются таким образом, что входы (41) переключения проводящим образом соединяются с выходами (21) переключения, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, и посредством соответствующего сигнала на управляющем входе (36) управляющего устройства (33) компоненты (25, 29, 43, 44) управляются таким образом, что проводящие соединения между входами (20, 41) переключения и выходом (21) переключения размыкаются, а компоненты (27, 31) управляются таким образом, что между входами (22) переключения и выходами (21) переключения устанавливается проводящее соединение.

34. Переключающее устройство по п.32, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) во время спада входного напряжения (4, 5) компонентами (25, 27, 29, 31) управляет таким образом, что входы (20) переключения соединяются проводящим образом с выходами (21) переключения, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, а во время спада входного напряжения (40, 5) компоненты (27, 31, 43, 44) управляются таким образом, что входы (41) переключения проводящим образом соединяются с выходами (21) переключения, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, и посредством соответствующего сигнала на управляющем входе (36) управляющего устройства (33) компоненты (25, 29, 43, 44) управляются таким образом, что проводящие соединения между входами (20, 41) переключения и выходом (21) переключения размыкаются, а компоненты (27, 31) управляются таким образом, что между входами (22) переключения и выходами (21) переключения устанавливается проводящее соединение.

35. Переключающее устройство по п.32, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) во время нарастания входного напряжения (4, 5) компонентами (25, 27, 29, 31) управляет таким образом, что входы (20) переключения соединяются проводящим образом с выходами (21) переключения, когда измеренное на них напряжение близко к нулю, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, а во время нарастания входного напряжения (40, 5) компонентами (27, 31, 43, 44) управляет таким образом, что входы (41) переключения проводящим образом соединяются с выходами (21) переключения, когда измеренное на них напряжение близко к нулю, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, и посредством соответствующего сигнала на управляющем входе (36) управляющего устройства (33) компоненты (25, 29, 43, 44) управляются таким образом, что проводящие соединения между входами (20, 41) переключения и выходом (21) переключения размыкаются, а компоненты (27, 31) затем управляются таким образом, что между входами (22) переключения и выходами (21) переключения устанавливается проводящее соединение, когда измеренное на них напряжение близко к нулю.

36. Переключающее устройство по п.32, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) во время спада входного напряжения (4, 5) компонентами (25, 27, 29, 31) управляет таким образом, что входы (20) переключения соединяются проводящим образом с выходами (21) переключения, когда измеренное на них напряжение близко к нулю, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, а во время спада входного напряжения (40, 5) компонентами (27, 31, 43, 44) управляет таким образом, что входы (41) переключения проводящим образом соединяются с выходами (21) переключения, когда измеренное на них напряжение близко к нулю, а проводящее соединение между входами (22) переключения и выходами (21) переключения размыкается, и посредством соответствующего сигнала на управляющем входе (36) управляющего устройства (33) компоненты (25, 29, 43, 44) управляются таким образом, что проводящие соединения между входами (20, 41) переключения и выходом (21) переключения размыкаются, а компоненты (27, 31) управляются таким образом, что между входами (22) переключения и выходами (21) переключения устанавливается проводящее соединение, когда измеренное на них напряжение близко к нулю.

37. Переключающее устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что между входной точкой (4) и к дополнительной входной точкой (50) подключен источник напряжения с переменной полярностью, как, например, вторичная обмотка трансформатора, которая имеет дополнительный отвод для деления напряжения, как, например, центральный отвод вторичной обмотки трансформатора, и этот дополнительный отвод соединен с входной точкой (5) соответствующего изобретению переключающего устройства.

38. Переключающее устройство по п.37, отличающееся тем, что входная точка (50) через дополнительную последовательную ветвь (51) соединена с входами (22) переключения переключающих элементов (11, 12) и с входом (35) управляющего устройства (33).

39. Переключающее устройство по п.38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) посредством соответствующего сигнала на его управляющем входе (36) в течение первого полупериода входного напряжения подключается к входным точкам (4, 50) в состоянии 1, в течение второго полупериода входного напряжения переключается в состояние 2, во время перехода через нуль входного напряжения сохраняет соответственно существующее состояние 1 или состояние 2.

40. Переключающее устройство по п.19 или 20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) при переходе из состояния 2 в состояние 1 управляет затем компонентами (25, 29) таким образом, что они устанавливают проводящее соединение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения, когда напряжение между входом (20) переключения и выходом (21) переключения близко к нулю.

41. Переключающее устройство по п.19 или 20, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) при переходе из состояния 1 в состояние 2 управляет затем компонентами (27, 31) таким образом, что они устанавливают проводящее соединение между входом (22) переключения и выходом (21) переключения, когда напряжение между входом (22) переключения и выходом (21) переключения близко к нулю.

42. Переключающее устройство по пп.18, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) выполнено в виде интегральной схемы.

43. Переключающее устройство по пп.18, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) выполнено в виде электронного конструктивного узла.

44. Переключающее устройство по пп.18, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) выполнено в виде залитого герметизирующим составом модуля.

45. Переключающее устройство по одному из пп.18, 31, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) вместе с управляемыми компонентами (25, 27, 29, 31, 43, 44) выполнено в виде интегральной схемы.

46. Переключающее устройство по одному из пп.18, 31, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) вместе с управляемыми компонентами (25, 27, 29, 31, 43, 44) выполнено в виде конструктивного узла, гибридной интегральной схемы, толстопленочной микросхемы или тонкопленочной микросхемы.

47. Переключающее устройство по одному из пп.18, 31, 32 или 38, отличающееся тем, что управляющее устройство (33) вместе с управляемыми компонентами (25, 27, 29, 31, 43, 44) выполнено в виде залитого герметизирующим составом модуля или герметизированного в корпусе модуля.

48. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что обе обмотки (8, 9) трансформатора (10) выполнены как два параллельно проведенных проводника или две проводящие дорожки печатной схемы, которые связаны с переключающими элементами (11, 12) и выходной точкой (6) соответствующего изобретению устройства таким образом, что по ним протекают частичные токи (15, 16) тока (14) потребителя в противоположном направлении.

49. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость (13) образована из двух параллельно проведенных проводников или проводящих дорожек печатной схемы.

Описание изобретения к патенту

Для размыкания и замыкания токовых цепей применяются как механические контакты, скользящие контакты, такие как в случае токосъемников на рельсовых транспортных средствах, или коммутаторы в электромоторах, плавкие предохранители, так и полупроводниковые переключатели, такие как транзисторы, тиристоры и полупроводниковые реле.

Все эти переключающие элементы при прерывании токовых цепей подвергаются действию высокого напряжения самоиндукции из-за быстрого нарастания энергии, накапливаемой индуктивным образом во всей токовой цепи.

Это напряжение самоиндукции приводит к нагреву и разрушению полупроводниковых переключающих элементов и схем защиты, обуславливая перенос материалов контактных площадок и их сваривание, и за счет образования электрической дуги между контактными площадками может препятствовать размыканию токовой цепи.

При замыкании токовой цепи имеющаяся в токовой цепи емкость должна быстро заряжаться, что приводит кратковременно к большому току включения (пусковому току). Этот ток включения обуславливает перенос материала на еще не полностью замкнутых контактных площадках и может привести к разрушению полупроводниковых переключателей за счет локальных термических перегрузок.

Во время перехода переключающих элементов от проводящего состояния к непроводящему (запирающему) состоянию и от запирающего состояния к проводящему состоянию на переключающих элементах из-за одновременного присутствия тока и напряжения возникает мощность потерь, которую называют мощностью включения (пусковой мощностью).

Эта мощность включения при частых процессах переключения приводит к нагреву переключающих элементов, а также соседних с ними компонентов и тем самым создает угрозу надежной работе приборов и установок в целом.

Для защиты переключающих элементов от вредного действия напряжений самоиндукции применяются RC-схемы, которые, однако, при высокой частоте коммутационных операций сильно нагреваются.

Диодные схемы, известные также как нулевые вентили, защищают переключающие элементы от напряжения самоиндукции только спустя некоторое время срабатывания, но не применимы при переменном напряжении и обуславливают при каждой коммутационной операции мощность потерь, что ограничивает коэффициент полезного действия переключающих устройств, работающих с высокой частотой переключения, таких как преобразователи напряжения или компоненты коммутационных схем, и приводит к их нагреву и повреждению.

Кроме того, известны варисторные схемы, которые защищают переключатель от особенно высоких напряжений самоиндукции. Такие варисторы, однако, быстро нагреваются и поэтому не пригодны для использования при высокой частоте переключения и высоком напряжении, а также для точного ограничения перенапряжений до низких значений для защиты полупроводниковых компонентов.

Известно также, что посредством включенного параллельно нагрузке или параллельно переключающему элементу конденсатора можно эффективно ограничить напряжения самоиндукции и нагрев переключающего элемента при размыкании токовой цепи. Такая схема, однако, имеет недостаток, заключающийся в том, что при замыкании переключающего элемента конденсатор должен был бы заряжаться в режиме короткого замыкания или скачком, что обуславливает очень высокие пусковые токи, высокие потери включения и сильный износ переключающих элементов, так что емкость конденсатора остается ограниченной очень малым значением, и тем самым его действенность сильно ограничивается.

Исходя из вышеописанного задачей изобретения является создание переключающего устройства, которое обеспечивает надежную коммутацию токовых цепей.

Эта задача в соответствии с изобретением решается переключающим устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения.

Соответствующее изобретению переключающее устройство препятствует возникновению высокого напряжения самоиндукции посредством конденсатора, который кратковременно принимает на себя ток из размыкаемой токовой цепи потребителя и за счет своего процесса разряда препятствует быстрому нарастанию напряжения на обмотках трансформатора и включенных последовательно с ним размыкающихся переключающих элементов.

В соответствии с изобретением надежный процесс отключения токоведущих переключающих элементов достигается при этом за счет устранения пиков напряжения, мощности потерь и нагрева.

Устранение мощности потерь в соответствующем изобретению процессе отключения предотвращает также возникновение электрической дуги в электромеханических переключающих элементах и плавких предохранителях и обеспечивает возможность их надежного отключения в соответствии с изобретением.

Если в токовой цепи потребителя имеются большие запасы энергии, то соответствующее изобретению переключающее устройство может быть выполнено таким образом, что потребитель после отсоединения от источника напряжения остается короткозамкнутым, и поддерживается энергия в токовой цепи потребителя.

При замыкании токовой цепи потребитель посредством соответствующего изобретению переключающего устройства соединяется с источником напряжения через обмотку трансформатора, действующую как индуктивность, что обуславливает медленный контролируемый заряд емкости в токовой цепи потребителя. Медленное контролируемое нарастание тока и незначительная мощность потерь в переключающем элементе при включении тока потребителя через индуктивность обеспечивают в соответствии с изобретением надежный процесс замыкания переключающих элементов.

Напряжение на обмотке трансформатора преобразуется во вторую обмотку, которая затем, когда емкость в токовой цепи потребителя зарядится до напряжения источника напряжения, переводит второй переключающий элемент в состояние отсутствия напряжения, в котором в соответствии с изобретением при незначительной мощности потерь может осуществляться замыкание.

Так как соответствующее изобретению переключающее устройство обеспечивает надежные процессы переключения в значительной степени за счет исключения мощности потерь, изобретение может существенным образом способствовать миниатюризации и экономии затрат для приборов с высокой частотой переключения, таких как преобразователи постоянного напряжения, компоненты коммутационных схем, схемы управления двигателями, так как оно допускает существенно более высокие частоты переключения.

За счет сокращения мощности потерь в процессах переключения обеспечивается также важный вклад в защиту окружающей среды.

Так как в соответствующем изобретению переключающем устройстве применяется только один трансформатор и один зачастую очень маленький конденсатор для ограничения вредных напряжений и вредных быстрых нарастаний тока, может применяться переключающее устройство, работающее с постоянными напряжениями и синусоидальными или прямоугольными напряжениями.

На чертежах представлены примеры выполнения изобретения, описанные ниже более подробно. На чертежах показано следующее:

фиг.1 - первый пример выполнения соответствующего изобретению переключающего устройства;

фиг.2 - пример изменяющегося направления тока в потребителе;

фиг.3 - пример с использованием транзисторов и управляющего устройства 33;

фиг.4 - пример работы соответствующего изобретению переключающего устройства с двумя источниками напряжения;

фиг.5 - пример работы соответствующего изобретению устройства с источником переменного напряжения, образованного обмоткой трансформатора с центральным отводом;

фиг.6 - пример применения соответствующего изобретению переключающего устройства.

Соответствующее изобретению переключающее устройство имеет две последовательные ветви 1 и 2, которые находятся в подводящей линии к потребителю 3 и имеют две точки 4 и 5 подключения для подключения источника напряжения, а также две точки 6 и 7 подключения для подключения потребителя 3.

Последовательная ветвь 1 подразделена на две дополнительные последовательные ветви, которые содержат соответствующую обмотку 8 и 9 трансформатора 10, а также соответствующий переключающий элемент 11 или 12.

После трансформатора 10 обе обмотки 8 и 9 соединяются друг с другом и с точкой 6 подключения.

Параллельно потребителю включен конденсатор 13 между последовательными ветвями 1 и 2. Конденсатор 13 может при невысокой частоте коммутации переключающих устройств или высоких токах потребителя выбираться очень большим, а в случае высокой частоты коммутации переключающих устройств быть настолько малым, что емкость между ветвями 1 и 2 достаточна для достижения желательного защитного действия.

Ток 14 потребителя из последовательной ветви 1 разделяется на частичные токи 15 и 16 таким образом, что их напряженности 17 и 18 магнитного поля в сердечнике трансформатора 10 действуют противоположно друг другу и взаимно компенсируются.

Если оба частичных тока 15 и 16 в обмотках 8 и 9 одинаковы, то ток 14 потребителя не может накопить энергию в сердечнике трансформатора.

Если частичный ток 15 через переключающий элемент 11 прерывается, то отсутствует его компенсирующая напряженность 17 магнитного поля, вследствие чего оставшаяся токоведущая обмотка 9 действует как индуктивность и кратковременно прерывает остающийся частичный ток 16, так как сердечник трансформатора еще не намагничен. Поэтому ток 14 потребителя сразу после прерывания частичного тока 15 полностью выводится из конденсатора 13, так что оставшийся второй переключающий элемент 12 в соответствии с изобретением может надежно размыкаться в состоянии, характеризуемом практически полным отсутствием тока и напряжения при незначительной мощности потерь.

Конденсатор 13 после размыкания переключающего элемента 11 разряжается током 14 потребителя, вследствие чего напряжение на конденсаторе спадает, и возникает напряжение на обмотке 9 трансформатора, которое преобразуется на обмотку 8 трансформатора. Напряжение на обмотке 8 трансформатора вместе с напряжением на конденсаторе 13 обуславливает то, что переключающий элемент 11 в соответствии с изобретением в состоянии, характеризуемом почти полным отсутствием напряжения, может надежно размыкаться при очень незначительной мощности потерь.

Переключающие элементы 11 и 12 в простейшем случае могут состоять из одного переключающего контакта, плавкого предохранителя или транзистора, которые при размыкании токовой цепи одновременно или с незначительной задержкой переходят в непроводящее состояние. Переключающие элементы 11 и 12 могут быть выполнены как переключающие контакты, двухтактные или КМОП-транзисторные каскады, которые после отсоединения последовательной ветви 1 от точки подключения источника 4 напряжения создают соединение с последовательной ветвью 2 для отвода тока 14 потребителя и удержания накопленной в нагрузке 3 потребителя энергии в токовой цепи потребителя.

Для отвода накопленной в токовой цепи энергии переключающие элементы 11 и 12 могут также быть снабжены диодами, которые отводят ток 14 потребителя после отсоединения от источника напряжения в последовательную ветвь 2.

Дополнительная возможность состоит в том, чтобы с помощью измерителя напряжения измерять напряжение на переключающих элементах и устанавливать соединение с последовательной ветвью 2 с управляемым переключающим элементом в том случае, когда измеренное напряжение стало нулевым, благодаря чему в соответствии с изобретением реализуется надежный процесс замыкания, по существу без потерь, в состоянии отсутствия напряжения.

Потребитель может снова соединиться с источником напряжения за счет того, что только один или оба переключающих элемента 11 и 12 прерывают соединение с последовательной ветвью 2, и затем только один переключающий элемент соединяет соответствующую обмотку трансформатора с последовательной ветвью 1, так что конденсатор 13 заряжается через индуктивность обмотки трансформатора 10. Индуктивность обмотки при этом препятствует в соответствии с изобретением быстрому нарастанию тока заряда и тем самым обеспечивает в соответствии с изобретением надежное замыкание переключающего элемента при низких потерях, в состоянии, близком к полному отсутствию тока. Когда конденсатор 13 полностью заряжен, второй переключающий элемент также может в соответствии с изобретением установить соединение с источником напряжения в состоянии, характеризуемом практически полным отсутствием напряжения и при низких потерях, после чего частичные токи 15 и 16 в обмотках трансформатора уравновешивают друг друга.

Другой вариант выполнения соответствующего изобретению устройства состоит в том, что потребитель 3 соединен с последовательной ветвью 1 или 2 через последовательно включенный конденсатор 19. Следствием этого является изменяющееся направление тока в потребителе, которое при включении позволяет зарядить конденсатор 13 током потребителя до напряжения источника напряжения. Оба переключающих элемента 11 и 12 могут затем установить соединение с источником напряжения в состоянии отсутствия тока и отсутствия напряжения, без ввода энергии в трансформатор 10.

Соответствующее изобретению устройство может также применяться с источниками напряжения переменной полярности для выпрямления тока и для регулирования отбора мощности из источника напряжения. При этом трансформатор 10 в начале положительного полупериода посредством переключающих элементов 11 и 12 через последовательную ветвь 1 соединяется с источником напряжения, во время положительного полупериода, спустя интервал времени, определяемый соответствующим регулирующим устройством, вновь соединяется с нулевым проводом источника напряжения, последовательной ветвью 2, чтобы выработать положительный выпрямленный ток для потребителя. Трансформатор 10 в начале отрицательного полупериода посредством переключающих элементов 11 и 12 соединяется с источником напряжения через последовательную ветвь 1, а во время отрицательного полупериода, спустя интервал времени, определенный соответствующим регулирующим устройством, вновь соединяется с нулевым проводом источника питания, последовательной ветвью 2, чтобы сформировать отрицательный выпрямленный ток для потребителя.

Соответствующее изобретению устройство может также применяться с источниками напряжения переменной полярности с нулевым проводом, как, например, вторичной обмоткой трансформатора с центральным отводом для выпрямления тока и для регулирования отбора мощности из источника напряжения. При этом трансформатор 10 в начале положительного полупериода с помощью переключающих элементов 11 и 12 остается соединенным с положительным к данному моменту времени выводом источника напряжения, в течение положительного полупериода к моменту переключения, который определяется соответствующим регулирующим устройством, соединяется через переключающие элементы 11 и 12 с отрицательным к данному моменту времени выводом источника напряжения. Это соединение сохраняется до конца этого полупериода и через реверсирование полярности источника напряжения вплоть до следующего полупериода. Таким способом можно за счет установления моментов времени переключения подать потребителю положительный ток, если момент времени переключения находится во второй половине полупериода; подать отрицательный ток, если момент времени переключения находится в первой половине полупериода, и не подавать никакого тока, если момент времени переключения находится в середине полупериода.

Фиг. 6 иллюстрирует возможность того, каким образом описанное в настоящей заявке устройство может применяться в качестве активного сопротивления. Его можно тем самым очень просто использовать в качестве замены омического сопротивления для ограничения тока. При этом устройство полностью герметизировано в закрытом корпусе и снабжено как обычное сопротивление двумя выводами. Одна ветвь, таким образом, не подключается.

Устройство может иметь омическую характеристику, выполняться как источник напряжения или источник тока или с использованием дополнительного управляющего входа работать в качестве потенциометра или регулятора мощности, при этом проявляется чрезвычайно малая мощность потерь.

В схеме, показанной на фиг. 6b, мощность потерь составляет только всего лишь 0,05·U·I, то есть примерно 5% мощности потерь, которые проявлялись бы на омическом сопротивлении, как показано на фиг.6а. Значение сопротивления зависит от значения индуктивности L 10 и емкости С 13.

Другие варианты выполнения изобретения отражены в зависимых пунктах формулы изобретения. При этом комбинации признаков, для которых в явной форме не приведен соответствующий пример, также должны рассматриваться как входящие в объем настоящего изобретения.