ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H03K17/56 

Изобретение относится к полупроводниковым электротехническим устройствам.

Известны управляемые относительно слабым током силовые полупроводниковые выключатели на основе симметричных тиристоров (симисторов) [2] которые содержат симисторы или триаки в цепи нагрузки, причем включение тока в нагрузке, включенный последовательно с цепью анод-катод симистора на напряжение 220 или 380 В, осуществляется соединением (контактами реле) управляющего электрода с анодом симистора (или триака). Выключение переменного тока осуществляется размыканием этих контактов реле. Имеются и другие УВБ, в которых протекание переменного тока по управляющей цепи симистора осуществляется полупроводниковой схемой на протяжении всего промежутка времени включении симистора, задаваемого внешней схемой управления включением выключением.

Общим недостатком этих устройств является искажение формы кривой тока, появление резких толчков тока при включении, а также потребление энергии управляющей цепью симистора в течение всего времени протекания тока через нагрузку, что ухудшает экономические показатели выключателя. Для всех типов тиристоров включение может быть осуществлено импульсно в момент включения при неизменной полярности анодного напряжения.

Цель изобретения улучшение качества тока, протекающего через нагрузку и открытый симистор, путем уменьшения искажения формы кривой тока и исключения толчков тока при включении его, а также повышение надежности и экономичности выключателя, долговечности нагрузки (вольфрамовые нити).

Эта цель достигается тем, что в выключателе, содержащем симистор, источник U-постоянного тока, и сигнал-управляемое устройство включения-выключения симистора, устройство выполнено в виде последовательного соединения управляемого формирователя узловых импульсов и усилителя разнополярных импульсов, выход которого соединен с электродом управления симистора, а общая точка с катодом симистора, формирователь имеет второй вход дополнительно к первому, подключенный к источнику U_≈ переменного напряжения.

Развитие и уточнение совокупных признаков. Дополнительная цель унификация элементов сигнал-управляемого устройства, а именно развитие и уточнение построения формирователя узловых импульсов, управляемого внешним сигналом, и усилителя разнополярных сигналов. Тот и другой выполнены на операционных усилителях, формирователь выполнен с транзистором управления на его первом входе и дифференцирующей цепью на выходе, инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен через резистор к средней точке резистивного потенциометра, крайние точки которого соединены с полюсами источника переменного напряжения, один из которых подсоединен к катоду симистора, неинвертирующим входам операционных усилителей и эмиттеру транзистора, коллектор которого соединен со средней точкой потенциометра, а базовая цепь образует цепь управления формирователем, выход первого операционного усилителя соединен через конденсатор дифференцирующей цепи и входной резистор с инвертирующим входом усилительного элемента второго операционного усилителя, соединенного своим выходом с электродом управления симистора и резистором, второй вывод которого соединен с катодом симистора, вход усилителя разнополярных импульсов соединен с катодом симистора через резистор, образующий вместе с конденсатором дифференцирующую цепь, каждый из операционных усилителей содержит отрицательную обратную связь в виде резистора, соединяющего выход операционного усилителя с инвертирующим входом его усилительного элемента, источник напряжения постоянного тока имеет выход положительного и выход отрицательного относительно катода симистора напряжения.

Третья цель: упрощение устройств, составляющих усилитель разнополярных импульсов. Он выполнен на основе двух транзисторов с различным типом проводимости, коллекторы их соединены соответственно с положительным для (n-p-n-транзистора) и отрицательным для p-n-p-транзистора) выходами источника напряжения постоянного тока, базы транзисторов соединены с выходом формирователя, эмиттеры подсоединены к электроду управления симистора и резистору, второй вывод которого подключен к катоду симистора, операционный усилитель формирователя имеет обратное включение по входам (включен по схеме повторителя).

Четвертая цель: упрощение устройств, составляющих формирователь. Он содержит вместо потенциометра и операционного усилителя цепь, состоящую из последовательного соединения резистора и кремниевого стабилитрона, подключенного анодом к общей точке, то есть к катоду симистора, узел соединения этого резистора с катодом стабилитрона подключен к коллектору первого транзистора и обкладке конденсатора дифференцирующей цепи.

Пятая цель: расширение функциональных возможностей, то есть осуществление его работы на нагрузку индуктивного характера при 1≥cosϕ>0. Для этого формирователь снабжен конденсатором, подключенным параллельно той части потенциометра на втором входе формирователя, которая примыкает к общей точке, причем величина емкости конденсатора выбирается в зависимости от частоты сети, требуемого угла сдвига между током и напряжением в нагрузке по фазе, величины сопротивления свободной от конденсатора ветви потенциометра и отношения амплитуд напряжений на входе выходе потенциометра.

Наконец, источник напряжения постоянного тока содержит токоограничительный конденсатор, два диода, два накопительных конденсатора, два стабилитрона, одна из обкладок токоограничительного конденсатора соединена с одним из полюсов источника переменного напряжения, вторая с анодом и катодом диодов, противоположные электроды которых соединены соответственно с катодом стабилитрона и обкладкой одного из накопительных конденсаторов, с анодом второго стабилитрона и обкладкой второго накопительного конденсатора, противоположные обкладки накопительных конденсаторов, анод первого и катод второго стабилитрона соединены с общей точкой схемы, являющейся в данном случае вторым полюсом источника переменного напряжения.

На фиг. 1 а изображен известный выключатель переменного тока; на фиг. 1б осциллограмма тока в цепи нагрузки этого устройства; на фиг. 2а принципиальная схема предлагаемого устройства, общий вид и принципиальные схемы составных частей, входящих в сигнал-управляемое устройство включения-выключения симистора, а именно управляемого формирователя узловых импульсов и усилителя разнополярных импульсов; на фиг. 2 б осциллограммы токов в цепи управления симистора и в цепи нагрузки предлагаемого устройства; на фиг. 3 принципиальная схема предлагаемого устройства с упрощением устройств, составляющих усилитель разнополярных импульсов; на фиг. 4 принципиальная схема предлагаемого устройства с упрощением устройств, составляющих формирователь, а также в целом сигнал-управляемое устройство включения-выключения симистора и источник питания источник напряжения постоянного тока; на фиг. 5 векторные соотношения при ϕ≠0.

Обозначение существенных элементов устройства: 1 симистор; 2 сигнал-управляемое устройство включения-выключения симистора; 3 источник напряжения постоянного тока; 4 управляемый формирователь узловых импульсов; 5 усилитель разнополярных импульсов; 6, 8 14 составные части устройства 4; 7, 15, 16 и 17 составные части устройства 5, причем 4 и 5 составные части устройства 2; 6 и 7 усилительные элементы операционных усилителей (ОУ); 8 и 15 входные резисторы ОУ; 9 и 16 резисторы обратной связи ОУ 6 и 7; 10 и 11 резисторы потенциометра; 12 первый транзистор транзистор управления; 13 и 14 дифференцирующая цепь, входящая в состав устройства 4; 17 низкоомный резистор на выходе устройства 5; 18 и 19 транзисторы с различным типом проводимости n-p-n и p-n-p соответственно; 20 кремниевый стабилитрон (фиг. 4) заменяющий 6 с другими элементами 8, 9, 11 в устройстве 4; 21 конденсатор упрощенного источника 3; 22 и 23 выпрямительные диоды; 24 и 25 накопительные конденсаторы и 26 и 27 кремниевые стабилитроны, входящие в состав упрощенного источника 3.

Работа устройства ясна из представленных схем. Ток в нагрузке на фиг. 1 появляется не в момент появления на аноде симистора 1 напряжения иной полярности, чем в предыдущем периоде, а лишь после достижения достаточной величины, что приводит к искажению формы кривой тока, протекающего через нагрузку; кроме того, в момент замыкания контактов реле может возникнуть большой скачок тока или даже несколько таких скачков за счет дребезга контактов реле.

Устройства, принципиальные схемы которых изображены на фиг. 2-4, полностью исключают эти недостатки и имеют более высокий коэффициент полезного действия, чем прототип (фиг. 1), поскольку мощности, потребляемые схемами на электромагнитных реле, превышают мощности, требуемые для питания электронных схем, тем более работающих в импульсном режиме. В предлагаемых устройствах ток в цепи управляющий электрод катод симистора протекает импульсно и только при отсутствии положительного напряжения на базе транзистора 12, когда последний заперт. При этом на выходе делителя 10-11 выделяется часть переменного напряжения частоты сети, синфазная этому напряжению последовательность прямоугольных импульсов образуется на входе цепи 13-14 (фиг. 3 и 4) или соответственно противофазная ей на входе той же цепи (фиг. 2). Синфазность или противофазность этой последовательности определяется тем или иным включением входов операционного усилителя 6, 8, 9 к выходу делителя 10-11, причем в случае замены делителя и операционного усилителя с элементами 6, 8 и 9 на нелинейный элемент 20 (стабилитрон) и резистор 10, может быть получена только синфазная последовательность прямоугольных импульсов, при этом и усилитель разнополярных импульсов 5 выполняется как повторитель (на операционном усилителе или на элементах 17-19). При правильном включении усилительных элементов 4 и 5 (повторитель и повторитель или инвертор и инвертор) и при отсутствии тока в базовой цепи транзистора 12 (элемент 12 не влияет на величину амплитуды импульсов) симистор 1 включается каждый раз с появлением очередной полуволны на аноде симистора по отношению к его катоду. Поскольку при завершении предыдущей полуволны полярность напряжения анод-катод изменяется на обратную для включения симистора требуется на участке у-к его импульс полярности обратной предыдущему импульсу (фиг. 2а). Это и обеспечивает цепь 13-14 элемента 4 и усилитель разнополярных импульсов 5, т.к. положительный фронт напряжения сети развивает импульс положительной полярности, а падение напряжения при его прохождении через нуль импульс отрицательной полярности. Так обстоит работа устройства, если нагрузка имеет активный характер, когда фаза тока в нагрузке совпадает с фазой напряжения питания (сети переменного тока). Для расширения возможностей выключателя, а именно для работы на нагрузку, содержащую индуктивность и активное сопротивление, управляемый формирователь узловых импульсов снабжен конденсатором, включенным между эмиттером и коллектором транзистора 12. Это относится к вариантам, изображенным на фиг. 2 и 3. Величина емкости конденсатора С_оопределяется формулой:
C_o (Ф), а условие работоспособности неравенством:
ϕ_L≅ 2πfC_o где ϕ- сдвиг по фазе тока в нагрузке относительно напряжения, или требуемый угол отставания вектора U_со (фиг. 5) от вектора I₁₀ или U_~ (радиан), вызванный емкостным током I_co=U_co ωC_o;
K - арифметический делитель делителя напряжения 10, 11, т.е. отношение напряжения сети к той его части, которая подается на вход первого операционного усилителя;
f частота переменного тока (Гц), ω=2πf круговая частота, I/c;
R₁₀ величина сопротивления резистора R₁₀, определяющего амплитуду тока в цепи делителя (Ом), поскольку R₁₀>> R₁₁;
> ϕ_L ≥ 0 текущий ϕдля нагрузки.

При включении конденсатора С_о узловые импульсы, образующиеся на выходе формирователя и в управляющей цепи симистора, будут отставать по времени на некоторую часть периода переменного напряжения, совпадая с узлами тока в цепи нагрузки, содержащей индуктивность (катушки реле, трансформаторов и т.п. ), что и требуется для включения симистора в начале каждого полупериода (на силовых электродах симистора образуется переменное напряжение с амплитудой от долей Вольта до единиц Вольта, совпадающее по фазе с током, протекающим через нагрузку). Величина допустимого разброса по времени появления импульсов может регулироваться за счет той или иной ширины узловых импульсов, последняя зависит от произведения С₁₃R₁₄ (c).

Варианты устройства с активной нагрузкой (лампы освещения, печи) имеют самостоятельное значение, поэтому они выделены в отдельные п.п. формулы изобретения.

Работа источника напряжения постоянного тока ясна из фиг. 4. Конденсатор 21 выполняет роль ограничителя тока, протекающего через диоды 22 и 23 и накопительные конденсаторы 24 и 25, параллельно которым подключена маломощная нагрузка, в варианте фиг. 4 только импульсного характера. Конденсатор 21 находится под переменным напряжением, практически равным по амплитуде напряжению U_~.

Управляющий сигнал U_упр приводит к замыканию накоротко (практически) нижней части делителя, при этом поступление импульсов прекращается, и с момента завершения текущего полупериода ток через нагрузку не течет, поскольку симистор переходит в выключенное состояние.

Технико-экономический эффект объекта изобретения, обеспечивающего плавное включение и выключение тока в нагрузке, состоит в повышении долговечности (надежности) как бесконтактных элементов коммутации, так и нагрузки, чувствительной к резким перепадам тока, особенно при нахождении ее в холодном состоянии (вольфрамовые нити), или требующей малых искажений формы кривой тока, например, для питания измерительных аппаратов. Быстродействие объекта изобретения характеризуется отрезком времени от момента поступления сигнала U_упр до момента появления или прекращения тока в нагрузке и составляет менее половины периода U_~( Δ_t≅10 мс при f=50 Гц, Δ_t≅1,25 мс при f=400 Гц), что значительно превышает по быстродействию релейные устройства. Надежность и экономичность выключателя повышаются также за счет исключения электромеханических устройств и контактов из сигнал-управляемого устройства при простоте электронного управления.

Изобретение относится к полупроводниковым электротехническим устройствам. Выключатель переменного тока содержит симистор, устройство управления, источник постоянного тока, при этом устройство управления выполнено на формирователе импульсов и усилителе разнополярных импульсов. Для унификации указанные блоки могут быть выполнены на операционных усилителях. Приводятся также разновидности выполнения этих блоков. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий симистор, анод которого через нагрузку соединен с одной из шин источника напряжения переменного тока, а катод с другой его шиной и с одним из выводов источника напряжения постоянного тока, устройство управления, выход которого соединен с управляющим электродом симистора, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы протекающего через нагрузку тока, повышения надежности, устройство управления выполнено в виде последовательно соединенных формирователя импульсов и усилителя разнополярных сигналов, выход которого является выходом устройства управления, а общая шина усилителя соединена с катодом симистора, первый вход формирователя импульсов соединен с шиной источника напряжения переменного тока, второй вход с шиной управления. 2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью унификации элементов, формирователь импульсов и усилитель разнополярных импульсов выполнены на соответствующих операционных усилителях, при этом к инвертирующему входу операционного усилителя формирователя импульсов подключен коллектор транзистора через первый резистор, к которому подключен первый вывод второго резистора, второй вывод которого подключен к катоду симистора и эмиттеру транзистора, база которого подключена к шине управления, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к катоду симистора, выход через дифференцирующую цепочку к входной шине усилителя разнополярных импульсов, которая через соответствующий резистор соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с катодом симистора, к которому также подключен через соответствующий резистор выход операционного усилителя, каждый из операционных усилителей содержит отрицательную обратную связь в виде резистора, подключенного к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя. 3. Выключатель по п.2, отличающийся тем, что, с целью упрощения усилителя разнополярных импульсов, он выполнен на основе двух транзисторов с различным типом проводимости, коллекторы соединены с соответствующими шинами источника напряжения постоянного тока, базы транзисторов с выходом формирователя импульсов, эмиттеры подсоединены к управляющему электроду симистора и резистору, второй вывод которого подключен к катоду симистора, при этом операционный усилитель формирователя импульсов имеет обратное включение по входам. 4. Выключатель по п.3, отличающийся тем, что, с целью упрощения формирователя импульсов, он содержит цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора и кремниевого стабилитрона, анод которого подключен к катоду симистора, точка соединения указанных элементов к коллектору транзистора и обкладке конденсатора дифференцирующей цепи. 5. Выключатель по пп.1 3, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей выключателя за счет осуществления его работы на загрузку индуктивного характера (1≥ cosϕ >0), формирователь импульсов снабжен конденсатором, который подключен параллельно коллектор-эмиттерному переходу транзистора. 6. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что источник напряжения постоянного тока содержит конденсатор, два диода, два накопительных конденсатора, два стабилитрона, одна из обкладок конденсатора соединена с одной из шин источника переменного напряжения, вторая с анодом и катодом диодов, катод и анод которых соединены соответственно с катодом первого стабилитрона и анодом второго стабилитрона и обкладкой второго накопительного конденсатора.