РЕВЕРСИВНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H03K17/66 

Предлагаемое изобретение относится к области устройств для электронной коммутации индуктивной нагрузки и может быть использовано в устройствах питания обмоток электромагнитных аппаратов и электрических машин. Преимущественно предлагаемое изобретение предназначено для управления питанием обмоток электромагнитов магнитных систем управления космических аппаратов.

Известен реверсивный коммутатор индуктивной нагрузки а.с. 188823, содержащий мост из транзисторов разного типа проводимости, устройства управления транзисторами моста и устройства, обеспечивающие рассеивание электромагнитной энергии обмоток электромагнитов при выключении транзисторов моста.

Недостатком данного устройства является то, что пары транзисторов моста разного типа проводимости, подключающие индуктивную нагрузку к шинам питания в том или ином направлении, обеспечивают лишь релейную коммутацию нагрузки. После включения транзисторной пары ток в индуктивной нагрузке нарастает от нуля до максимальной величины за сравнительно короткое время. В некоторых космических аппаратах предъявляются такие высокие требования к точности ориентации, что релейное включение электромагнитов является нежелательным. Для исключения ударных воздействий на космический аппарат предпочтительно плавное нарастание тока в обмотках электромагнитов от нуля до максимального значения в течение оптимального заданного времени. Для такого режима работы необходимо, чтобы одна из пар транзисторов одного типа проводимости работала не только в ключевом, но и в активном режиме.

В качестве прототипа предлагаемого устройства принят реверсивный переключатель с электродинамическим торможением по а.с. CCCР N 764133, кл. H 03 K 17/66. Это устройство наиболее близко к предлагаемому по совокупности существенных признаков.

Устройство содержит мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через резисторы соединены с их эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, два транзистора, коллекторы которых подключены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов.

Устройство содержит также два управляемых транзистора, коллекторы которых соединены с базами транзисторов, а базы через резисторы соединены с выводами для подключения сигналов управления.

Известное устройство работает следующим образом. При появлении на одном из выходов управляющего сигнала открывается один из силовых транзисторов второй пары и накрест расположенный силовой транзистор первой пары.

Через открытые силовые транзисторы и индуктивную нагрузку протекает ток. При снятии сигнала управления закрывается силовой транзистор второй пары, а через силовой транзистор первой пары и диод, подключенный анодом к противоположному от транзистора выводу для подключения нагрузки, происходит рассеивание накопленной энергии. Поддержание силового транзистора в открытом состоянии обеспечивается транзистором, коллектор которого подключен к базе данного силового транзистора, а его открытое состояние обеспечивается за счет энергии, накопленной в индуктивной нагрузке, по цепи база-эмиттер данного транзистора и диод.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает плавное регулирование тока в нагрузке, так как силовые транзисторы первой и второй пары работают в ключевом режиме.

В ряде случаев возникает необходимость плавного регулирования тока в нагрузке от нуля до максимального значения, определяемого напряжением источника питания и активным сопротивлением нагрузки, или устройство должно работать при промежуточных значениях тока, меньших максимального.

Плавное регулирование тока в коммутаторе можно осуществить следующим путем. Одну, например, первую пару силовых транзисторов перевести в активный режим работы, подключив их базы к источникам сигналов, пропорциональных требуемому току в индуктивной нагрузке, например, к выходам дифференциальных усилителей, а сигнал обратной связи на входы усилителей снимать с резистора, подключаемого между первым выводом источника питания с объединенными эмиттерами первой пары силовых транзисторов. Однако это стандартное решение имеет следующий недостаток. Изменение тока в индуктивной нагрузке происходит по экспоненциальному закону со значительной постоянной времени. Поэтому при подаче управляющего сигнала на базу силового транзистора первой пары из-за запаздывания сигнала обратной связи, пропорционального току в нагрузке, силовой транзистор входит в режим насыщения. Скорость нарастания тока в индуктивной нагрузке соответствует скорости нарастания тока при релейном режиме работы коммутатора. Это вызывает ударное механическое воздействие на космический аппарат.

Целью предполагаемого изобретения является линейное регулирование тока в индуктивной нагрузке.

Поставленная цель достигается введением новых узлов в известной реверсивной коммутатор индуктивной нагрузки, содержащий мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через резисторы соединены с их эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, два транзистора, коллекторы которых присоединены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам для подключения индуктивной нагрузки.

Устройство содержит также два управляющих транзистора, коллекторы которых соединены с базами транзисторов, а базы через резистоыр соединены с выводами для подключения сигналов управления.

Согласно предполагаемому изобретению в этом устройстве дополнительно введены делитель напряжения индуктивной нагрузки, содержащий два резистора и подключенный к выводам индуктивной нагрузки, два усилителя, первые объединенные входы которых соединены с первым выводом источника питания и объединенными эмиттерами первой пары силовых транзисторов, вторые входы через резисторы соединены с выводом или подключения сигнала линейного управления, выходы соединены с катодами диодов, аноды которых через резисторы соединены с базами первой пары силовых транзисторов, усилитель сигнала обратной связи, первый вход которого через резистор соединен с выводами делителя, подключенного между первым выводом источника питания и выводом делителя напряжения индуктивной нагрузки, второй вход соединен с делителем напряжения, подключенным между первым выводом источника питания и выводом делителя, подключенного между выводами источника питания, выход усилителя напряжения обратной связи через резисторы соединен со вторым и входами усилителей и через резистор со своим первым входом, вторые входы усилителей через ключевые элементы соединены со вторым выводом источника питания, выводы управления ключевыми элементами соединены с выводами для подключения сигналов управления, которые через резисторы соединены с базами второй пары силовых транзисторов, коллекторы которых через резисторы соединены накрест с базами транзисторов, а объединенные эмиттеры управляющих транзисторов соединены со вторым выводом для подключения источника питания.

Введением новых узлов: делителя напряжения индуктивной нагрузки, усилителей и делителей напряжений позволяет линейно регулировать линейно регулировать ток в индуктивной нагрузке от нуля до максимального значения без ухудшения характеристик устройства как реверсивного релейного коммутатора. Ток в устройстве может плавно нарастать от нуля до любого промежуточного значения и плавно уменьшаться от любого промежуточного значения до нуля, при этом во всех режимах коммутации обеспечивается безопасное для силовых транзисторов рассеивание энергии, накопленной в индуктивной нагрузке.

Введение раздельного управления парами силовых транзисторов по базовым цепям обеспечивает сочетание релейного и линейного управления мостовым коммутатором.

Введение делителя напряжения индуктивной нагрузки, усилителя обратной связи, делителей напряжений и усилителей позволяет управлять активным режимом силовых транзисторов первой пары с использованием для обратной связи сигнала, пропорционального напряжению на индуктивной нагрузке. Такое управление силовыми транзисторами позволяет открывать их во время переходного процесса настолько, насколько необходимо, чтобы обеспечить заданное напряжение на индуктивной нагрузке и, следовательно, заданную скорость изменения тока в индуктивной нагрузке, не вызывающую ударных механических воздействий на космический аппарат. Поскольку сигнал линейного управления подается на базы первой пары силовых транзисторов относительно первого вывода источника питания, а сигнал, пропорциональный напряжению на индуктивной нагрузке при релейном управлении второй пары силовых транзисторов, присутствует относительно второго вывода источника питания на первом или втором выводе нагрузки в зависимости от направления тока в ней, выделение сигнала обратной связи по напряжение на нагрузке относительно первого вывода источника питания возможно благодаря следующим особенностям введенных узлов.

Усилитель обратной связи формирует выходной сигнал, равный разности напряжений, поступающих на его входные резисторы, подключенные к выходам двух делителей, напряжения на выходе первого делителя, подключенного к выводам питания, пропорционально напряжению питания, а на выходе второго, подключенного между выводом питания и выходом делителя напряжения индуктивной нагрузки, пропорционально с таким же коэффициентом пропорциональности разности напряжения питания и половине напряжения на индуктивной нагрузке. Поэтому напряжение на выходе усилителя обратной связи относительно первого вывода источника питания пропорционально напряжению на индуктивной нагрузке.

Введение ключевых элементов позволяет устанавливать активный режим работы любого силового транзистора первой пары в зависимости от сигналов релейного уравнения, поступающих на базовые цепи силовых транзисторов второй пары.

Соединения базовых выводов транзисторов через резисторы накрест с выводами индуктивной нагрузки позволяет во всех режимах, как релейных, так и линейных, обеспечивать автоматически рассеивание накопленной энергии по цепям: силовой транзистор, индуктивная нагрузка, диод, причем включенное состояние силового транзистора поддерживается за счет этой же энергии рассеивания.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Авторами разработан конкретный пример исполнения (макетный образец) реверсивного коммутатора с линейным регулированием тока в индуктивной нагрузке. Это макетный образец содержит мостовую схему на силовых транзисторах 1, 2, 3, 4 разной проводимости два резистора 5, 6 два диода 7, 8, индуктивную нагрузку 9, два транзистора 10, 11, два управляющих транзистора 14, 15 с резисторами 16, 17 в базовых цепях, делитель напряжения индуктивной нагрузки, содержащий два резистора 18, 19, два усилителя 20, 21, два диода 22, 23 и два резистора 24, 25, усилитель сигнала обратной связи 26, резистор 27, делитель напряжений на резисторах 28, 29, делитель напряжений на резисторах 30, 31, делитель напряжений на резисторах 32, 33, резисторы 34, 35, 36 ключевые элементы 37, 38, выводы для подключения сигналов управления 39, 40, резисторы 41, 42, резисторы 43, 44, вывод для подключения сигнала линейного управления 45 и резисторы 46, 47.

Силовые транзисторы разной проводимости 1, 2, 3, 4 образуют мостовую схему, базы первой пары силовых транзисторов 1, 2 через резисторы 5, 6 соединены с их эмиттерами, катоды диодов 7, 8 присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки 9, включенной в диагональ мостовой схемы.

Коллекторы транзисторов 10, 11 присоединены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды 12, 13 подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам для подключения индуктивной нагрузки.

Коллекторы управляющих транзисторов 15, 14 соединены с базами транзисторов 10, 11, а базы через резисторы 16 и 17 с выводами для подключения сигналов управления 39, 40. Делитель напряжения индуктивной нагрузки на резисторах 18, 19 подключен к выводам индуктивной нагрузки. Первые объединенные входы усилителей 20, 21 соединены с первым выводом источника питания и с объединенными эмиттерами первой пары силовых транзисторов, вторые входы через резисторы 43, 44 соединены с выводом для подключения сигнала линейного управления 45, выходы соединены с катодами диодов 22, 23, аноды диодов через резисторы 24, 25 соединены с базами первой пары силовых транзисторов.

Первый вход усилителя сигнала обратной связи 26 через резистор 27 соединен с выводом делителя на резисторах 28, 29, подключенного между первым выводом источника питания и выводом делителя напряжения индуктивной нагрузки. Второй вход усилителя сигнала обратной связи соединен с делителем напряжения на резисторах 30, 31, подключенным между первым выводом источника питания и выводом делителя на резисторах 32, 33, подключенного между выводами источника питания. Выход усилителя напряжения обратной связи через резисторы 34, 35 соединен со вторыми входами усилителей 20, 21 и через резистор 36 со своим первым входом. Вторые входы усилителей 20, 21, через ключевые элементы 37, 38 соединены со вторым выводом источника питания, выводы управления ключевыми элементами соединены с выводами для подключения сигналов управления 39, 40, которые через резисторы 41, 42 соединены с базами второй пары силовых транзисторов 3, 4, коллекторы которых через резисторы 46, 47 соединены накрест базами транзисторов 10, 11.

Объединенные эмиттеры управляющих транзисторов 14, 15 соединены со вторым выводом для подключения источника питания.

Устройство работает следующим образом. Предположим, что сигнал линейного управления, поступающий на вывод 45, равен нулю, а сигнал релейного управления поступает на вывод 39. Этот сигнал открывает ключевой элемент 37, а через резисторы 41 и 16 открывает силовой транзистор 3 и управляющий транзистор 14. Резистор 18 через открытый силовой транзистор 3 оказывается подключенным ко второму выводу источника питания. Резисторы 27 и 36, 30 и 31 все имеют одинаковые сопротивление. Известно, что усилитель с таким включением резисторов формирует на выходе сигнал, равный разности напряжений на выходных резисторах. Резисторы делителей напряжений 32, 33, 28, 29 и 18, 19 подобны следующим образом. R₁₈ R₁₉, R₃₂ R₂₈, R_н<<R₁₈, где R_н активное сопротивление индуктивной нагрузки. При таком подборе резисторов в начальной момент, так как транзистор 3 открыт, потенциалы на выходах делителей 32, 33 и 28, 29 оказываются примерно равными и напряжение на выходе усилителя 26 близко к нулю. Так как сигнал линейного управления на выводе 45 также равен нулю, то напряжение на выходе усилителя 21 то же равно нулю и силовой транзистор 2 в этот момент закрыт. Через открытый ключевой элемент 37 на второй вход усилителя 20 поступает большой отрицательный потенциал, который вызывает на выходе усилителя большое положительное напряжение, запирающее диод 22. Поэтому в этом режиме в последующем при любых сигналах линейного управления силовой транзистор 1 будет закрыт.

Допустим теперь, что появляется и с определенной скоростью нарастает до заданной величины положительный сигнал линейного управления. Это сигнал через резистор 44 вызывает появление на выходе усилителя 21 отрицательного напряжения, которое через диод 23 и резистор 25 открывает силовой транзистор 2. Через него и открытый транзистор 3 по индуктивной нагрузке 9 протекает ток. На делителе 18, 19 появляется напряжение, равное напряжению на индуктивной нагрузке.

Рассмотрим, без учета падения напряжения на открытом силовом транзисторе 3, какие напряжения возникают на выводах делителей 32, 33 и 28, 29.

Относительно первого вывода источника питания (общей шины) напряжение на выводе делителя 32, 33 на выводе резистора 30 будет равно:

где U_пит напряжение питания.

Напряжение на выводе резистора 27 равно:

где U_к- напряжение на индуктивной нагрузке.

Так как
,
имеем

Так как напряжение U_ос на выходе усилителя обратной связи 26 равно:
U_ос U₃₀ U₂₇,
имеем

то есть напряжение на выходе усилителя обратной связи пропорционально напряжению на индуктивной нагрузке.

Следовательно, при появлении сигнала линейного управления на втором входе усилителя 21 появляется компенсирующее его напряжение обратной связи, пропорциональное напряжению на индуктивной нагрузке. Если сигнал линейного управления нарастает до максимального значения, силовой транзистор 2 открывается полностью (ключевой режим) и далее при управлении по выходам 39 и 40 устройство может работать как релейный коммутатор индуктивной нагрузки.

В иных режимах работы, если сигнал линейного управления нарастает до промежуточного значения, ток в индуктивной нагрузке нарастает до соответствующего заданного значения. Если после этого управлять коммутатором по входам 39, 40, он может работать как релейный коммутатор с заданным значением тока в индуктивной нагрузке.

Когда сигнал линейного управления начинает плавно уменьшаться, например, от максимального значения, силовой транзистор 2 переходит из ключевого в усилительный режим, и ток в индуктивной нагрузке плавно уменьшается от номинального (или промежуточного) значения до нуля, когда транзистор 2 полностью закрывается.

Расстоянием энергии в индуктивной нагрузке происходит следующим образом. Допустим, при каком-то значении тока в индуктивной нагрузке снимается сигнал управления с вывода 39. Силовой транзистор 3 закрывается. Ток в индуктивной нагрузке начинает протекать по цепи: диод 7 и открытый силовой транзистор 2
Открытое состояние этого транзистора обеспечивает транзистор 11 за счет запасенной энергии в индуктивной нагрузке по цепи: резистор 47, переход база-эмиттер транзистора 11 и диод 13. Когда ток в индуктивной нагрузке спадает до нуля, транзистор 11 закрывается и закрывает силовой транзистор 2.

Работа другого плеча мостовой схемы при подаче сигнала управления на вход 40 происходит аналогично: открыт силовой транзистор 4, сигнал линейного управления с усилителя поступает на базу транзистора 1, а ключевой элемент 38 устанавливает на выходе усилителя 21 высокий потенциал, и так как диод 23 закрыт, усилитель 21 не оказывает влияния на работу силового транзистора 2.

Использование: изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для коммутации индуктивной нагрузки. Устройство содержит восемь транзисторов (1-4, 10, 11, 14, 15), шестнадцать резисторов (5, 6, 16, 17, 24, 25, 27, 34, 35, 36, 41, 42, 43, 44, 46, 47) одну индуктивную нагрузку (9), один делитель напряжения индуктивной нагрузки на двух резисторах (18, 19), два усилителя (20, 21), четыре диода (7, 8, 22, 23), один усилитель сигнала обратной связи (26), три делителя напряжения на резисторах (28, 29, 30, 31, 32, 33), два ключевых элемента (37, 38). 1 ил.

Реверсивный переключатель, содержащий мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через резисторы соединены с эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу источника питания, а аноды к выводам индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, первый и второй транзисторы, коллекторы которых присоединены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам индуктивной нагрузки, первый и второй управляющие транзисторы, отличающийся тем, что коллекторы управляющих транзисторов соединены соответственно с базами первого и второго транзисторов, а базы через резисторы соединены с выводами для подключения сигналов управления, а также дополнительно введены делитель напряжения индуктивной нагрузки, который подключен к ее выводам, первый и второй усилители, первые объединенные входы которых подключены к первому выводу источника питания и к объединенным эмиттерам первой пары силовых транзисторов, вторые входы через первый и второй резисторы соединены с катодами диодов, аноды которых через третий и четвертый резисторы соединены соответственно с базами первого и второго силового транзисторов, усилитель сигнала обратной связи, первый вход которого через пятый резистор соединен со средней точкой первого делителя напряжений, который подключен между первым выводом источника питания и средней точкой делителя напряжений индуктивной нагрузки, второй вход соединен со средней точкой второго делителя напряжений, который подключен между первым выводом источника питания и средней точкой третьего делителя напряжений, который соединен с выводами источника питания, выход усилителя напряжений обратной связи через шестой и седьмой резисторы соединены с вторыми входами усилителей и через восьмой резистор с своим первым входом, вторые входы усилителей через первый и второй ключевые элементы соединены с вторым выводом источника питания, выводы управления первым и вторым ключевыми элементами соединены соответственно с первым и вторым выводами для подключения сигналов управления, которые через девятый и десятый резисторы соединены с базами третьего и четвертого силовых транзисторов, коллекторы которых через одиннадцатый и двенадцатый резисторы соединены накрест с базами транзисторов, а объединенные элементы управляющих транзисторов соединены с вторым выводом источника питания.