ТРАНЗИСТОРНЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 1999 года по МПК H03K17/08 H02H3/08 

Предлагаемое устройство управления исполнительными элементами предназначено для использования в автоматике, например в системах управления электромагнитными клапанами, пиросредствами и другими электрическими нагрузками.

В настоящее время на борту изделий с автономным питанием часто используются транзисторные ключи с ограничением тока, которые, выполняя функции электромеханических автоматов защиты сети, превосходят их по быстродействию и надежности. Пример такого устройства приведен в заявке ФРГ 2354054.

Устройство содержит силовой транзистор, коллектор которого подключен через нагрузку к первой шине источника питания, а эмиттер через датчик тока подключен ко второй шине источника питания.

Для работы устройства на его вход подается напряжение, переводящее транзистор в открытое состояние. Диодный элемент при этом находится в закрытом состоянии.

Работа устройства основана на том, что ток нагрузки, а следовательно, и падение напряжения на датчике тока могут повышаться только до момента, когда сумма падений напряжений на переходе база-эмиттер транзистора и на датчике тока становится равной напряжению открывания диодного элемента. Дальнейшее увеличение тока нагрузки, а следовательно, и падения напряжения на датчике тока невозможно ввиду того, что за счет отвода части входного тока устройства через открытый диодный элемент происходит уменьшение базового тока транзистора до величины, при которой коллекторный ток транзистора, являющийся одновременно и током нагрузки, поддерживается на заданном уровне ограничения тока. Увеличения тока в цепи нагрузки не происходит даже при коротком замыкании в последней.

Необходимую величину порога ограничения тока нагрузки можно устанавливать выбором величины сопротивления датчика тока или напряжения открывания диодного элемента за счет использования либо одного диода, либо цепочки последовательно включенных диодов, а также стабилитронов или стабисторов.

Температурная стабилизация устройства осуществляется с помощью терморезистора (с положительным температурным коэффициентом), который одновременно является и датчиком тока.

Недостатком данного устройства является низкий коэффициент передачи по току (отношение максимального тока нагрузки устройства к входному току устройства), определяемый коэффициентом усиления используемого одиночного транзистора.

Более перспективным в этом смысле (высокий коэффициент передачи) представляется устройство, приведенное в патенте Великобритании 1596100. В патенте приведена схема транзисторного ключа с ограничением тока нагрузки, которая выбрано авторами в качестве прототипа.

Устройство содержит составной транзисторный ключ на двух транзисторах, при этом база первого транзистора соединена через токоограничивающий элемент со входом устройства и первым выводом диодного элемента с полярностью включения, соответствующей полярности включения перехода база-эмиттер первого транзистора, а эмиттер второго через датчик тока подключен к первой шине источника питания, коллекторы всех транзисторов соединены через коммутируемую цепь со второй шиной источника питания, второй вывод диодного элемента подключен к первой шине источника питания, являющейся общей шиной.

Для работы устройства на его вход подается ток управления, переводящий первый транзистор в открытое состояние. Диодный элемент при этом находится в закрытом состоянии. Открытый первый транзистор создает достаточный базовый ток второго транзистора так, что последний при номинальной нагрузке в его силовой цепи находится также в открытом состоянии. Токоограничивающий элемент формирует величину тока управления транзисторного ключа. В том случае, если управление коммутатором производится путем подачи на вход управления не напряжения, а тока, или внутреннее сопротивление источника управляющего сигнала велико, то величина сопротивления токоограничивающего элемента может иметь нулевое значение. В качестве коммутируемой цепи может быть электрическая цепь любой нагрузки: лампа накаливания, электрическая обмотка электромагнитного клапана и т.д. Конкретный тип коммутируемой цепи принципиального значения не имеет.

Работа устройства основана на том, что ток нагрузки, а следовательно, и падение напряжения на датчике тока, могут повышаться только до величины, при которой сумма падений сумма падений напряжений на переходе база-эмиттер транзисторов и на датчике тока становится равной напряжению открывания диодного элемента. Дальнейшее увеличение тока нагрузки, а следовательно, и падения напряжения на датчике тока невозможно ввиду того, что за счет отвода части входного тока устройства через открытый диодный элемент происходит уменьшение базового тока транзисторов до величины, при которой коллекторный ток транзисторов, являющийся одновременно и током нагрузки, поддерживается на заданном уровне ограничения тока.

Необходимую величину порога ограничения тока нагрузки можно устанавливать выбором величины сопротивления датчика тока или напряжения открывания диодного элемента за счет использования либо одного диода, либо цепочки последовательно включенных диодов.

Температурная стабилизация устройства осуществляется с помощью терморезистора (с положительным температурным коэффициентом), включенного между эмиттером первого и базой второго транзисторов.

Существенное отличие прототипа от описанного выше аналога состоит в том, что в прототипе вместо ключа на одиночном транзисторе используется составной транзисторный ключ на двух транзисторах, вследствие чего это устройство обладает более высоким коэффициентом передачи, определяемым произведением коэффициентов усиления транзисторов.

Однако устройство, описанное в патенте Великобритании, (прототипа), обладает и существенным недостатком, заключающимся в нестабильности порога ограничения тока, что выражается в повышении порога ограничения тока нагрузки при увеличении тока, подаваемого на вход устройства, и объясняется относительно высоким динамическим сопротивлением диодного элемента.

Техническим результатом настоящего технического решения является обеспечение стабильности порога ограничения тока нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что в транзисторный коммутатор, содержащий составной транзисторный ключ на двух транзисторах, при этом база первого транзистора соединена через токоограничивающий элемент со входом устройства, а эмиттер второго через датчик тока подключен к первой шине источника питания, коллекторы транзисторов соединены через коммутируемую цепь со второй шиной источника питания, дополнительно введена транзисторная оптопара, при этом светодиод оптопары с полярностью включения, соответствующей полярности включения перехода база-эмиттер второго транзистора, включен между базой второго транзистора и первой шиной источника питания, а фототранзистор оптопары включен между базой первого транзистора и первой шиной источника питания.

Стабильность порога ограничения тока достигается за счет того, что в устройстве сформированы два взаимосвязанных контура обратной связи по току. В первую включен светодиод оптрона, а во вторую - фототранзистор. Поскольку регулирование (ограничение) тока в устройстве - прототипе основывалось только на динамической характеристике диодного элемента (пассивного элемента), то и стабильность порога ограничения тока являлась невысокой. В предложенном решении диодный элемент регулирует базовый ток второго транзистора и управляет состоянием фототранзистора, который регулирует базовый ток первого транзистора, а через него и второго. Фототранзистор является активным элементом, который и обеспечивает высокую стабильность порога ограничения тока, формируемого контуром обратной связи.

Суть предлагаемого изобретения поясняется с помощью чертежа, где обозначены:
1 - первая шина источника питания,
2 - вторая шина источника питания,
3 - первый транзистор,
4 - второй транзистор,
5 - датчик тока (резистор),
6 - электрическая нагрузка (резистор) - коммутируемая цепь,
7 - токоограничивающий элемент (резистор),
8 - оптопара транзисторная,
8.1 - фототранзистор оптопары,
8.2 - светодиод оптопары,
9 - вход устройства.

Указанные элементы соединены между собой следующим образом. Транзисторный ключ выполнен на составном транзисторе (схема Дарлингтона), состоящем из двух транзисторов n-p-n-проводимости - 3 и 4. База первого транзистора 3 подключена через токоограничивающий элемент (резистор 7) ко входу устройства 9 и через фототранзистор 8.1 оптопары 8 к первой шине источника питания. Коллекторы транзисторов 3 и 4 соединены вместе и подключены к коммутируемой цепи нагрузки транзисторного ключа 6 (тип нагрузки в коммутируемой цепи: лампа накаливания, резистор и т.д. - не имеет принципиального значения), которая своим вторым выводом подключается ко второй шине источника питания 2. Эмиттер первого транзистора 3 соединен с базой второго транзистора 4 и через светодиод 8.2 оптопары 8 с полярностью включения, соответствующей полярности включения перехода база-эмиттер второго транзистора 4 к первой шине источника питания 1.

Функционирование устройства происходит следующим образом. На первую 1 и вторую 2 шины источника питания подается напряжение. При отсутствии сигнала на входе управления устройством 9, составной транзистор выполненный на транзисторах 3 и 4 находится в выключенном состоянии. Ток через коммутируемую цепь (нагрузку 6) не протекает. После подачи на вход устройства 9 управляющего напряжения транзисторы 3 и 4 переходят во включенное состояние. Через нагрузку 6 и датчик тока 5 начинает протекать ток. Величина этого тока определяется величиной напряжения питания подаваемого на шины источника питания 1 и 2, а также величиной - сопротивления нагрузки. Резистор 7, который выполняет роль токоограничивающего элемента, формирует величину тока управления транзисторного ключа. В том случае, если управление ключом производится путем подачи на вход управления 9 не напряжения, а тока, величина резистора 7 может иметь нулевое значение. На датчике тока 5 от протекающего тока образуется падение напряжения, величина которого пропорциональна току в коммутируемой цепи (в нагрузке). Величина резистора 5 выбирается таким образом, чтобы при номинальных токах нагрузки транзисторного ключа падение напряжения на нем плюс напряжение, падающее на переходе эмиттер - база второго транзистора 4 не превосходило напряжение открытия светодиода 8.2 оптопары 8. При увеличении тока нагрузки сверх номинального, увеличение напряжения на базе второго транзистора 4 приводит к тому, что начинает открываться светодиод 8.2 оптопары 8, который отводит на себя часть базового тока транзистора 4. Происходит ограничение тока базы транзистора 4 на определенном уровне, что приводит и к ограничению тока в цепи коллектора составного транзистора, выполненного на транзисторах 3 и 4. Часть базового тока транзистора 4, проходя через светодиод 8.2 оптопары 8, вызывает формирование светового потока излучаемого светодиодом. Этот световой поток, достигая фототранзистора 8.1 оптопары 8, вызывает, в свою очередь, открытие последнего. Последнее приводит к тому, что происходит уменьшение базового тока транзистора 3, вызывая уже более точное формирование уровня ограничения тока нагрузки. Получение такого эффекта, по сравнению с устройством прототипом, достигается за счет того, что в предложенном техническом решении создано два контура обратной связи, которые к тому же связаны между собой. Контур грубого формирования порога тока ограничения транзисторного ключа образован транзистором 4 и светодиодом 8.2. Контур точного формирования порога тока ограничения транзисторного ключа образован фототранзистором 8.1 и транзисторами 3 и 4. Поскольку светодиод 8.2 и фототранзистор 8.1 имеют между собой оптическую связь (находятся в одном корпусе оптопары), то небольшое изменение тока через светодиод 8.2, которое происходит при в режиме ограничения тока нагрузки, вызывает более значительные изменения по цепи обратной связи: фототранзистор 8.1, транзистор 3, транзистор 4, ввиду значительного коэффициента усиления транзисторов. По этой причине транзисторный ключ формирует стабильную величину порога ограничения тока.

Транзисторный коммутатор (ТК) содержит составной транзисторный ключ на двух транзисторах(Т), при этом база первого Т соединена через токоограничивающий элемент с входом устройства, а эмиттер второго через датчик тока подключен к первой шине источника питания (ИП). Коллекторы Т соединены через коммутируемую цепь с второй шиной ИП. В состав устройства входит транзисторная оптопара (ОП), при этом светодиод ОП включен между базой второго Т и первой шиной ИП, а фототранзистор ОП включен между базой первого Т и первой шиной ИП. ТК имеет два связанных между собой контура обратной связи (ОС). Контур грубого формирования уровня ограничения тока нагрузки Т ключа управляется светодиодом ОП. Контур точного формирования уровня ограничения тока управляется фототранзистором. Поскольку светодиод и фототранзистор имеют между собой оптическую связь, то небольшое изменение тока через светодиод, которое происходит в режиме ограничения тока нагрузки, вызывает более значительные изменения по цепи ОС ввиду высокого коэффициента усиления Т, что формирует стабильный порог (уровень) ограничения тока нагрузки. Технический результат: высокая стабильность уровня ограничения тока. 1 ил.

Транзисторный коммутатор, содержащий составной транзисторный ключ на двух транзисторах, при этом база первого транзистора соединена через токоограничивающий элемент с входом коммутатора, а эмиттер второго через датчик тока подключен к первой шине источника питания, коллекторы транзисторов соединены через коммутируемую цепь с второй шиной источника питания, отличающийся тем, что в него дополнительно введена транзисторная оптопара, при этом светодиод оптопары с полярностью включения, соответствующей полярности включения перехода база-эмиттер второго транзистора, включен между базой второго транзистора и первой шиной источника питания, а фототранзистор оптопары включен между базой первого транзистора и первой шиной источника питания.