ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1999 года по МПК H03K17/78 H03K17/605 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах силовой преобразовательной техники, например, в качестве мощных транзисторных ключей высокочастотных инверторов.

Известен оптоэлектронный транзисторный ключ с защитой по току, содержащий светодиод, оптический канал связи, фототранзистор, усилитель-формирователь и силовой транзистор (1).

Известный транзисторный ключ надежен в работе и имеет достаточно широкую область использования. Однако данная схема обладает низким быстродействием из-за частотных свойств фототранзистора (длительность времени спада и времени нарастания выходного тока транзисторной оптопары не менее нескольких микросекунд), а также высокой чувствительностью к изменению напряжения гальванической развязки из-за наличия проходной емкости гальванической развязки. Помеха в виде тока 1 проходной емкости определяется соотношением:

где C_пр - электрическая емкость оптического канала,
du/dt - скорость изменения напряжения гальванической развязки.

Помеха, как и сигнал управления, поступает через электрод фототранзистора на вход усилителя-формирователя, смешиваясь с ним, что приводит к ложным коммутациям силового транзистора и снижает помехоустойчивость транзисторного ключа.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому устройству является транзисторный ключ, содержащий два светодиода, два оптических канала, два фотодиода, усилитель-формирователь и силовой транзистор (2 - прототип).

Описанный транзисторный ключ благодаря использовании фотодиодов, частотные свойства которых на порядок выше частотных свойств фототранзисторов (длительность времени спада и времени нарастания фотодиодов - единицы наносекунд), обладает высоким быстродействием. Однако так же, как и вышеописанный аналог, имеет высокую чувствительность к изменению напряжения гальванической развязки и, как следствие, низкую помехоустойчивость.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости транзисторного ключа при сохранении его быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в заявляемом транзисторном ключе, содержащем светодиод, связанный оптическим каналом с фотодиодом, усилитель-формирователь и силовой транзистор, между оптическим каналом и фотодиодом размещен прозрачный токопроводящий барьер, гальванически связанный с одним из электродов фотодиода.

Существенность отличий предлагаемого изобретения определяется тем обстоятельством, что совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками не описаны в известной авторам литературе.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема одного из возможных вариантов выполнения транзисторного ключа.

Транзисторный ключ (фиг. 1) содержит светодиод 1, подключенный к входным зажимам 2 и 3 и связанный оптическим каналом 4 с фотодиодом 5. Между оптическим каналом 4 и фотодиодом 5 расположен прозрачный барьер 6, в частности, выполненный в виде сетки из токопроводящего материала, например серебра или меди, нанесенной методом вакуумной металлизации на оптическую поверхность фотодиода, и гальванически связанный с одним из электродов фотодиода 5. Вход усилителя-формирователя 7 подключен к электродам фотодиода 5, а выход через базу силового транзистора 8 соединен с выходными зажимами 9 и 10.

Транзисторный ключ (фиг. 1) работает следующим образом.

Сигнал управления в виде импульсной последовательности поступает с входных зажимов 2 и 5 на светодиод 1 и по оптическому каналу 4 проходит через прозрачный барьер 6 на фотодиод 5. Ток фотодиода 5 поступает на вход усилителя-формирователя 7, который усиливает его и формирует сигнал, требуемый для управления силовым транзистором 8. В качестве силового транзистора 8 могут быть использованы транзисторы любых типов - биполярные, полевые, составные, а также транзисторные сборки и модули. С выхода усилителя-формирователя 7 сигнал поступает на вход, например, базу силового транзистора 8 и коммутирует его в соответствии с сигналом управления.

При изменении напряжения гальванической развязки сигнал помехи в виде тока проходной емкости оптического канала поступает на токопроводящий барьер 6, гальванически связанный с одним из электродов фотодиода 5, и полностью им шунтируется, не доходя до фотодиода. В результате сигнал управления и сигнал помехи на смешиваются друг с другом, и как следствие, предотвращаются ложные переключения силового транзистора, что значительно повышает помехоустойчивость ключа.

Современные силовые транзисторы допускают рабочую скорость коммутации напряжения до 2 кв/мкс и выше. Суммарная проходная емкость конструкции оптического канала - не менее 0,5 пф. Ток фотодиодов - не более 0,2 мА. Ток помехи, обусловленный изменением напряжения гальванической развязки, рассчитываемый в соответствии с соотношением (1), равен:

Таким образом, видно, что сигнал помехи не только соизмерим с сигналом управления, но и может превышать его.

При использовании оптической гальванической развязки без токопроводящего разделительного барьера приходится устанавливать параллельно с силовым транзистором RDC-цепи, которые снижают скорость изменения напряжения гальванической развязки и тем самым увеличивают устойчивость работы транзисторного ключа. Однако, RDC-цепи снижают быстродействие транзисторного ключа и приводят к ухудшению таких важнейших характеристик устройств преобразовательной техники, как КПД, масса и габариты.

Таким образом, использование токопроводящего прозрачного разделительного барьера между оптическим каналом и фотодиодом позволяет за счет значительного увеличения помехоустойчивости транзисторного ключа существенно уменьшить мощность рассеяния силовым транзистором и поглощаемую RDC-цепями, а в некоторых случаях вообще обойтись без них, что дает возможность полностью раскрыть способность современных силовых транзисторов к быстродействию.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Авторское св-во СССР N 1821916, кл. H 03 K 17/08, публ. 1993 г.

2. Авторское св-во СССР N 1798912, кл. H 03 K 17/60, публ. 1993 г. - прототип.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах сливной преобразовательной техники, например, в качестве мощных быстродействующих ключей высокочастотных инверторов. В транзисторном ключе, содержащем светодиод, связанный оптическим каналом с фотодиодом, усилитель-формирователь и силовой транзистор, между оптическим каналом и фотодиодом размещен прозрачный токопроводящий барьер, гальванически связанный с одним из электродов фотодиода. Технический результат: повышение помехоустойчивости ключа при сохранении его быстродействия. 1 ил.

Транзисторный ключ, содержащий светодиод, связанный оптическим каналом с фотодиодом, усилитель формирователь и силовой транзистор, отличающийся тем, что между оптическим каналом и фотодиодом размещен прозрачный токопроводящий барьер, гальванически связанный с одним из электродов фотодиода.