ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1998 года по МПК H03K17/28 

Изобретение предназначено для использования в различных электронных приборах систем управления, где требуется для коммутации электрической нагрузки быстродействующий элемент с двумя устойчивыми состояниями.

Существует множество исполнений транзисторных ключей (ТК). Особое место в этом классе занимают ТК с двумя устойчивыми состояниями. При подаче на них первого электрического импульса ТК изменяет свое состояние, а при подаче второго возвращается в исходное состояние. Примерами таких устройств могут являться устройства, приведенные в авт.св. СССР N 799136 (опубл. 23.01.81), патенте США N 3968479 (опубл. 06.06.76) и заявке ФРГ N 2286470 (опубл. 28.05.78).

В системах управления к используемым ТК предъявляются жесткие требования по массе, габаритам, надежности и т.д. Предпочтение, как правило, отдается ТК, которые не требуют начальной установки состояния после включения питания и не потребляют энергию в выключенном состоянии, а также способны включаться по импульсной команде. Кроме того, при выборе прототипа для разрабатываемого ТК учитывалось то, что последний предназначен для установки в устройство коммутации, которое выполнено на базе транзисторных матриц. Было решено выполнить ТК в виде транзисторного аналога тиристора, который опубликован в кн. Н. С. Кублановский. Тиристорные устройства. М. Энергия, 1978, рис. 11в (стр. 26)-2, и который был принят за прототип.

Этот ТК содержит первый транзистор, эмиттер которого соединен с шиной источника питания, база соединена с управляющим входом элемента, а коллектор подключен к базе второго транзистора противоположной структуры, к эмиттеру которого подключена нагрузка. При подаче на управляющий вход такого устройства сигнала определенного уровня происходит срабатывание ТК транзисторного аналога тиристора. Включение ТК происходит при снятии с него напряжения питания.

Однако, как выяснилось в процессе экспериментальной отработки, этот ТК склонен к самопроизвольному включению при подаче на него питания, что объясняется наличием "эффекта dUпр/dt". (Эффект dUпр/dt" самопроизвольное включение тиристорной структуры при подаче на нее напряжения питания в виде скачка напряжения, т. е. когда скорость нарастания напряжения dU пр/dt на тиристорной структуре относительно велика. Самопроизвольное включение структуры в этом случае происходит за счет возникающих емкостных токов внутри этой структуры.

Техническим результатом изобретения является исключение возможности самопроизвольного включения ТК.

Указанный результат достигается тем, что в ТК, содержащем первый транзистор, эмиттер которого соединен с шиной источника питания, база соединена с управляющим входом, в коллектор подключен к базе второго транзистора противоположной структуры, к эмиттеру которого подключена нагрузка, коллектор второго транзистора через параллельно включенные конденсатор и резистор соединен с шиной источника питания и через опорный элемент с базой первого транзистора.

Указанный результат достигается тем, что в предложенном устройстве по сравнению с прототипом предотвращено образование цепи положительной обратной связи между двумя транзисторами и ключа на момент возникновения скачков напряжения питания на шинах питания устройства. Возникающие внутри структуры на этот момент импульсные емкостные токи отводятся на шину источника питания. Когда переходной процесс заканчивается, то автоматически восстанавливается прежняя структура транзисторного ключа, который снова становится эквивалентен тиристорной структуре.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема ТК. На схеме обозначены: 1 первый транзистор, 2 второй транзистор, 3 конденсатор, 4 - резистор, 5 опорный элемент (стабистор), 6 нагрузка электрического ключа, 7 шина источника питания, 8 управляющий вход ключа, 9 вторая шина источника питания.

Указанные элементы соединены следующим образом. Эмиттер первого транзистора 1 соединен с шиной источника питания 7, а коллектор соединен с базой второго транзистора, эмиттер которого через нагрузку соединен со второй шиной источника питания 9. Эмиттер второго транзистора 2 через параллельно включенные конденсатор 3 и резистор 4 подключен к шине источника питания, а через опорный элемент 5 (стабистор) с базой первого транзистора 1 и управляющим входом ключа 8.

Работа устройства происходит следующим образом. При включении питания ТК емкостные токи, вызывающие самопроизвольное включение ТК прототипа, в предлагаемом устройстве проходят с коллектора транзистора 2 не в базу транзистора 1, как в прототипе, в через конденсатор 3 и резистор 4 на шину источника питания 7. Это предотвращает самопроизвольное включение ТК. Опорный элемент 5 (стабистор), по которому постоянная составляющая коллекторного тока транзистора 2 поступает на базу транзистора 1, преграждает путь емкостному (импульсному) току, вынуждая последний протекать через конденсатор 3 и резистор 4 на шину источника питания 7, что исключает самопроизвольное включение ТК за счет "эффекта dUпр/dt". При поступлении напряжения определенного уровня (0,5 В) на управляющий вход ключа 8 происходит открытие транзистора 1, который своим коллекторным током открывает транзистор 2. Коллекторный ток последнего в свою очередь через опорный элемент 5 вызывает еще большее открытие транзистора 1 и т.д. Процесс развивается лавинообразно и завершается полным открытием обоих транзисторов, подающих напряжение на нагрузку 6. Нагрузка, далее, остается под напряжением уже независимо от наличия управляющего сигнала на управляющем входе ключа 8. В устройстве возможна эквивалентная замена опорного элемента стабистора на ряд последовательно включенных диодов, что особенно удобно для интегрального исполнения конструкции. Резистор 4 обеспечивает контролируемый разряд конденсатора 3. При отсутствии этого элемента при каждом последующем всплеске напряжения питания происходило бы дальнейшее повышение напряжения на конденсаторе 3, что в конечном итоге привело бы самопроизвольному включению ТК при очередном таком всплеске напряжения питания. При наличии резистора 4 в приведенном включении к каждому последующему всплеску напряжения питания конденсатор уже успевает разрядиться. Поэтому самопроизвольного включения ТК не произойдет даже при скачкообразной подаче питания на ТК и последующей серии скачков напряжения питания в сети или нескольких подряд включениях/выключениях питания.

Необходимо отметить, что предлагаемый ТК по своему быстродействию не уступает прототипу, поскольку задержки в поступлении сигнала на нагрузку ТК при подаче управляющего сигнала на его вход не происходит. В данном устройстве при подаче управляющего сигнала на управляющий вход ключа 8 происходит открытие транзистора 1, который открывает транзистор 2, коммутирующий цепь нагрузки 6. Задержка происходит в образовании цепи обратной связи: коллектор транзистора 2 база транзистора 1 на время, определяемое зарядом конденсатора 3 до уровня опорного напряжения элемента 5. После заряда конденсатора 3 происходит завершение образования контура положительной обратной связи: коллектор транзистора 1 база транзистора 2 коллектор транзистора 2 база транзистора 1. Образуется тиристорная структура, для дальнейшего поддержания открытого состояния ключа не требуется присутствие управляющего сигнала на входе ключа 1.

Таким образом, в разработанном транзисторном ключе исключена возможность его самопроизвольного включения при работе ключа в условиях наличия всплесков напряжения питания. Основное назначение ТК работа в системе управления электромагнитными клапанами и другими исполнительными элементами, где требуется высокое быстродействие, включение по импульсной команде и недопустимо самопроизвольное включение ТК, приводящее к нештатной подаче напряжения на нагрузку ключа. Такое исключение самопроизвольного включения ТК существенно повышает надежность функционирования систем управления, выполненных с применением ТК.

Транзисторный ключ относится к области автоматики и может использоваться в приборах коммутации различных исполнительных элементов, а также системах управления, где управление электронными ключами осуществляется по импульсным командам. Решается задача исключения возможности самопроизвольного включения устройства при скачках напряжения на его шинах питания, для этого в транзисторный ключ, содержащий первый транзистор (Т), эмиттер которого соединен с шиной источника питания (ИП), база соединена с управляющим входом ключа, а коллектор подключен к базе второго транзистора противоположной структуры, к эмиттеру которого подключена нагрузка, коллектор второго Т через параллельно включенные конденсатор и резистор соединен с шиной ИП, и через опорный элемент с базой первого Т. 1 ил.

Транзисторный ключ, содержащий первый транзистор, эмиттер которого соединен с шиной источника питания, база соединена с управляющим входом ключа, а коллектор подключен к базе второго транзистора противоположной структуры, к эмиттеру которого подключена нагрузка, отличающийся тем, что коллектор второго транзистора через параллельно включенные конденсатор и резистор соединен с шиной источника питания и через опорный элемент с базой первого транзистора.