ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2004 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, в том числе в информационно-управляющих системах, в качестве электронных ключей.

Известен транзисторный ключ, содержащий первый и второй транзисторы разных типов проводимости, эмиттеры которых подключены к разным полюсам источника напряжения, резисторный делитель напряжения, последовательно соединенные стабилитрон и резистор, управляющий ключевой элемент, третий транзистор, времязадающий мост, образованный RC-цепью и вторым резистивным делителем, соединенный соответствующим образом с база-эмиттерным переходом третьего транзистора [1].

Недостатком такого транзисторного ключа является то, что в нем невозможно оптимально реализовать требование к защите от перегрузки и работоспособность при снижении (просадке) напряжения питания. Объясняется это следующим образом. Для надежной защиты транзисторного ключа от перегрузки необходимо увеличивать напряжение “пробоя” стабилитрона [порог срабатывания положительной обратной связи (ПОС)] с целью исключения работы силового (второго) транзистора в линейном режиме в момент перегрузки при возросших коллекторном токе и напряжении перехода коллектор-эмиттер. Но такой транзисторный ключ будет закрываться при снижении или просадках напряжения питания, так как одновременно снижается и напряжение на выходе транзисторного ключа, что приводит к выходу из режима “пробоя” стабилитрона и прекращению действия ПОС, удерживающей транзисторный ключ в открытом состоянии. Для надежной работы транзисторного ключа при просадках напряжения питания необходимо уменьшать напряжение “пробоя” стабилитрона, но тогда будет обеспечиваться только надежная защита от короткого замыкания, а при перегрузке имеет место длительный выход силового транзистора из режима насыщения в линейный режим, что приводит к перегреву кристалла вследствие выделения большой тепловой мощности и, как следствие, к выходу из строя силового транзистора. Поэтому такой транзисторный ключ может применяться только в устройствах с стабильным напряжением источника питания.

Также известен транзисторный ключ с защитой от перегрузки по току, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттер первого из которых подключен к шине питания и через первый резистор к базе, которая соединена с первым выводом второго резистора, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и через третий резистор - с его эмиттером, который через нагрузку соединен с земляной шиной, коллектор второго транзистора через датчик тока соединен с шиной питания, третий транзистор, проводимость которого аналогична проводимости второго транзистора, эмиттером подключен к земляной шине, а базой - к входной шине, четвертый и пятый транзисторы одного типа проводимости с первым транзистором, эмиттер четвертого транзистора соединен с шиной питания и через четвертый резистор - со своей базой, второй вывод второго резистора соединен с коллектором четвертого транзистора и через пятый резистор - с коллектором третьего транзистора, который через шестой резистор соединен с коллектором пятого транзистора и через седьмой резистор с базой четвертого транзистора, коллектор которого через восьмой резистор соединен с базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором второго транзистора [2].

Недостатком такого транзисторного ключа является:

- наличие в цепи нагрузки датчика тока усложняет устройство, особенно тогда, когда отсутствует необходимость в применении составного транзистора, выполненного на базе первого и второго транзисторов;

- ограничение в использовании, так как он может работать только в устройствах с непрерывным формированием ШИМ-сигнала на входе ключа в течение всего времени работы. Объясняется это следующим образом. Транзисторный ключ, при наличии сигнала на открывание, после воздействия короткого замыкания или перегрузки в цепи нагрузки, закрывается, а восстановление его открытого состояния после устранения короткого замыкания или перегрузки возможно только при очередном управляющем сигнале на запирание транзисторного ключа. Время действия запирающего сигнала должно быть достаточным для надежного переключения триггера в исходное состояние, определяющее нормальную работу транзисторного ключа.

Такой транзисторный ключ нельзя применять в устройствах регулирования, например, в регуляторах напряжения, тока, температуры, по той причине, что при снижении соответственно напряжения, тока, температуры схема управления, как правило, выдает постоянный сигнал на открывание транзисторного ключа и если в этот момент в нагрузке произошло короткое замыкание или хотя бы кратковременная перегрузка, то транзисторный ключ закрывается и удерживается в закрытом состоянии четвертым и пятым транзисторами, образующими триггер, и после устранения короткого замыкания или перегрузки. Закрытое состояние транзисторного ключа сохраняется до тех пор, пока не будет отключено его питание. Такая же ситуация возникает и при закрывании транзисторного ключа (при наличии управляющего сигнала на открывание) вследствие ложного срабатывания триггера, выполненного на четвертом и пятом транзисторах, от помехи, что обуславливает проработку дополнительных мер по обеспечению помехоустойчивости триггера ключа, а это ухудшает быстродействие схемы защиты транзисторного ключа от короткого замыкания и перегрузки.

Техническим результатом является упрощение и расширение функциональных возможностей транзисторного ключа.

Технический результат достигается тем, что в транзисторный ключ, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттер первого из которых подключен к шине питания и через первый резистор - к своей базе, а коллектор соединен с первым выводом второго резистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, а коллектор соединен с первым выводом третьего резистора, третий и четвертый транзисторы того же типа проводимости, что и первый транзистор, эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания и через четвертый резистор к своей базе и к первому выводу пятого резистора, коллектор четвертого транзистора соединен с первым выводом шестого резистора, а база - с первым выводом седьмого резистора, пятый транзистор того же типа проводимости, что и второй транзистор, входную шину и выходную шину, соединенную через нагрузку с общей шиной, введены коммутирующий элемент, включенный между базой и эмиттером второго транзистора и управляемый по сигналам на входной шине, шина импульсного управления, подключенная через восьмой резистор к базе второго транзистора, конденсатор и девятый резистор, первый вывод которого подключен к коллектору четвертого транзистора, а второй - к первой обкладке конденсатора и к базе пятого транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом пятого резистора, а эмиттер через первый диод в прямом направлении - с выходной шиной и коллектором первого транзистора, база которого подключена к эмиттеру четвертого транзистора и к коллектору третьего транзистора, при этом второй вывод третьего резистора подключен к базе четвертого транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора, второй вывод седьмого резистора подключен к шине питания, а второй вывод шестого резистора и вторая обкладка конденсатора - к общей шине.

В устройство дополнительно введены входная шина контроля, подключенная через последовательно соединенные второй диод в прямом направлении и десятый резистор к базе пятого транзистора.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема транзисторного ключа.

Транзисторный ключ с защитой от перегрузки содержит два транзистора разного типа проводимости, эмиттер первого 1 из которых подключен к шине питания 2 и через первый резистор 3 - к своей базе, а коллектор соединен с первым выводом второго резистора 4, эмиттер второго транзистора 5 подключен к общей шине 6, а коллектор соединен с первым выводом третьего резистора 7, третий 8 и четвертый 9 транзисторы того же типа проводимости, что и первый транзистор 1, эмиттер третьего транзистора 8 подключен к шине питания 2 и через четвертый резистор 10 к своей базе и к первому выводу пятого резистора 11, коллектор четвертого транзистора 9 соединен с первым выводом шестого резистора 12, а база - с первым выводом седьмого резистора 13, пятый транзистор 14 того же типа проводимости, что и второй транзистор 5, входную шину 15 и выходную шину 16, соединенную через нагрузку 17 с общей шиной 6, коммутирующий элемент 18, включенный между базой и эмиттером второго транзистора 5 и управляемый по сигналам на входной шине 15, шина импульсного управления 19, подключенная через восьмой резистор 20 к базе второго транзистора 5, конденсатор 21 и девятый резистор 22, первый вывод которого подключен к коллектору четвертого транзистора 9, а второй - к первой обкладке конденсатора 21 и к базе пятого транзистора 14, коллектор которого соединен с вторым выводом пятого резистора 11, а эмиттер через первый диод 23 в прямом направлении - с выходной шиной 16 и коллектором первого транзистора 1, база которого подключена к эмиттеру четвертого транзистора 9 и к коллектору третьего транзистора 8, при этом второй вывод третьего резистора 7 подключен к базе четвертого транзистора 9, второй вывод второго резистора 4 подключен к базе второго транзистора 5, второй вывод седьмого резистора 13 подключен к шине питания 2, а второй вывод шестого резистора 12 и вторая обкладка конденсатора 21 - к общей шине 6, входная шина контроля 24 подключена через последовательно соединенные второй диод 26 в прямом направлении и десятый резистор 25 к базе пятого транзистора 14.

Транзисторный ключ работает следующим образом. При наличии положительного напряжения на входной шине управления 15 коммутирующий элемент 18 шунтирует переход Б-Э второго транзистора 5, удерживая его, а следовательно четвертый транзистор 9 и первый транзистор 1, в закрытом состоянии независимо от сигнала на шине импульсного управления 19.

При снятии положительного напряжения с входной шины 15 первый импульс напряжения, поступающего на шину импульсного управления 19, приводит к открыванию и насыщению второго транзистора 5, четвертого транзистора 9, первого транзистора 1.

При нормальной работе транзисторного ключа, когда в цепи нагрузки 17 отсутствует короткое замыкание или перегрузка, напряжение на коллекторе четвертого транзистора 9 относительно общей шины 6 всегда ниже, чем напряжение на коллекторе первого транзистора 1 относительно общей шины питания 6. Такое соотношение напряжений на коллекторах насыщенных четвертого транзистора 9 и первого транзистора 1 удерживает база-эмиттерный переход пятого транзистора 14 в закрытом состоянии, поэтому пятый транзистор 14 и третий транзистор 8 закрыты и не влияют на управление первым транзистором 1.

Девятым резистором 22 и конденсатором 21 обеспечивается задержка сигнала с коллектора четвертого транзистора 9 на базу пятого транзистора 14, необходимая для предотвращения возможного открывания пятого транзистора 14 при неодновременном нарастании напряжений на коллекторах первого транзистора 1 и четвертого транзистора 9 вследствие различного импеданса их нагрузок. Величина задержки должна составлять доли микросекунд и она не вносит каких-либо изменений в описание работы транзисторного ключа.

Напряжение с коллектора открытого и насыщенного первого транзистора 1 через второй резистор 4, являющийся цепью ПОС транзисторного ключа, поступает на переход база-эмиттер второго транзистора 5. Когда в течение периода следования импульсов напряжения, поступающего на шину импульсного управления 19, закончится действие положительного импульса, удержание первого транзистора 1 в открытом состоянии обеспечивается напряжением цепи ПОС через второй резистор 4.

При коротком замыкании или перегрузке в цепи нагрузки 17 через первый транзистор 1 увеличивается коллекторный ток и когда он превысит величину, которая обеспечивается базовым током, первый транзистор 1 выходит из насыщения. В момент выхода из насыщения, когда напряжение на коллекторе первого транзистора 1 относительно общей шины питания 6 станет ниже, чем напряжение на коллекторе четвертого транзистора 9, находящегося в насыщенном состоянии, начнет открываться пятый транзистор 14, а следовательно, и третий транзистор 8. Открывание третьего транзистора 8 приводит к шунтированию базового тока первого транзистора 1, что способствует увеличению скорости его выхода из насыщения и к еще большему отпиранию пятого транзистора 14 и третьего транзистора 8. Происходит лавинообразный процесс насыщения пятого 14 и третьего 8 транзисторов, что обеспечивает полное шунтирование базового тока первого транзистора 1 и он надежно закрывается, при этом четвертый транзистор 9, на время действия открывающего импульса напряжения, поступающего на шину импульсного управления 19, остается в открытом и насыщенном состоянии. Поскольку после закрытия первого транзистора 1 напряжение с цепи ПОС через второй резистор 4 отсутствует, то второй транзистор 5 удерживается в открытом и насыщенном состоянии только на время действия открывающего импульса напряжения, поступающего на шину импульсного управления 19. Когда на переходе база-эмиттер второго транзистора 5 отсутствуют сигналы отпирания (по шине импульсного управления 19) и удержания (ПОС через второй резистор 4), второй транзистор 5 закрывается, что, в свою очередь, приводит к запиранию четвертого 9, пятого 14 и третьего 8 транзисторов, а следовательно, и удержанию в закрытом состоянии первого 1 транзистора. С появлением очередного открывающего импульса напряжения по шине импульсного управления 19 первый транзистор 1 вновь открывается, но если короткое замыкание или перегрузка не устранены, повторяется описанный выше процесс закрывания первого транзистора 1 при коротком замыкании или перегрузке.

Наличие входной шины контроля 24 позволяет использовать транзисторный ключ для проверки наличия цепи нагрузки 17. В этом случае положительное относительно общей шины 6 напряжение на входной шине контроля 24 подается через второй диод 26 и десятый резистор 25 на переход база-эмиттер пятого транзистора 14, открывая его, при этом открывается третий транзистор 8, обеспечивая запирание первого транзистора 1 независимо от управляющего напряжения на входной шине 15 и сигнала на шине импульсного управления 19. В этом случае ток, протекающий через нагрузку 17, определяется пятым резистором 11.

В таком режиме по напряжению на входной шине контроля 24 и соответствующему ему напряжению на выходной шине 16 можно судить о целостности цепи нагрузки (отсутствии обрыва цепи нагрузки). При исправной цепи нагрузки высокому уровню напряжения на входной шине контроля 24 будет соответствовать низкий уровень напряжения на выходной шине 16, а при обрыве цепи нагрузки высокому уровню напряжения на входной шине контроля 24 будет соответствовать высокий уровень напряжения на выходной шине 16.

Работоспособность такого транзисторного ключа, в отличие от прототипа, не зависит от изменений (в том числе и просадок) напряжения питания, обеспечивая при этом эффективность работы схемы защиты от короткого замыкания и перегрузок в цепи нагрузки.

Такой транзисторный ключ, по сравнению с аналогом, имеет ряд преимуществ:

1) упрощает устройство за счет исключения датчика тока, находящегося в цепи коммутации нагрузки к шине питания;

2) расширяет функциональные возможности за счет использования его в устройствах регулирования, построенных не на принципе постоянного ШИМ-регулирования, т.е. каких-либо специальных требований к входному управляющему сигналу не требуется, так как закрытое состояние транзисторного ключа, установившееся вследствие короткого замыкания или перегрузки в цепи нагрузки при наличии постоянного сигнала на открывание на входной шине, автоматически, по сигналу с шины импульсного управления, переходит в открытое состояние при устранении короткого замыкания или перегрузки в цепи нагрузки.

Таким образом, достигнут положительный эффект, заключающийся в упрощении и расширении функциональных возможностей транзисторного ключа.

Наличие входной шины контроля в транзисторном ключе также обеспечивает положительный эффект, заключающийся в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения контроля целостности цепи нагрузки, что особенно важно для оперативного контроля неисправностей в автоматизированных системах управления.

По предлагаемому устройству разработан макетный образец. Проведены испытания образца, результаты испытаний положительные.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 845285, МКИ Н 03 К 17/60, 1981 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 921086, МКИ Н 03 К 17/60, 1982 г.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, в том числе в информационно-управляющих системах, в качестве электронных ключей. Техническим результатом изобретения является упрощение и расширение функциональных возможностей транзисторного ключа. Транзисторный ключ с защитой от перегрузки, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттер первого из которых подключен к шине питания и через первый резистор - к своей базе, а коллектор соединен с первым выводом второго резистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, а коллектор соединен с первым выводом третьего резистора, третий и четвертый транзисторы того же типа проводимости, что и первый транзистор, эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания и через четвертый резистор к своей базе и к первому выводу пятого резистора, коллектор четвертого транзистора соединен с первым выводом шестого резистора, а база - с первым выводом седьмого резистора, пятый транзистор того же типа проводимости, что и второй транзистор, входную шину и выходную шину, соединенную через нагрузку с общей шиной, при этом в него введены коммутирующий элемент, включенный между базой и эмиттером второго транзистора и управляемый по сигналам на входной шине, шина импульсного управления, подключенная через восьмой резистор к базе второго транзистора, конденсатор и девятый резистор, первый вывод которого подключен к коллектору четвертого транзистора, а второй - к первой обкладке конденсатора и к базе пятого транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом пятого резистора, а эмиттер через первый диод в прямом направлении - с выходной шиной и коллектором первого транзистора, база которого подключена к эмиттеру четвертого транзистора и к коллектору третьего транзистора, при этом второй вывод третьего резистора подключен к базе четвертого транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора, второй вывод седьмого резистора подключен к шине питания, а второй вывод шестого резистора и вторая обкладка конденсатора - к общей шине. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Транзисторный ключ с защитой от перегрузки, содержащий два транзистора разного типа проводимости, эмиттер первого из которых подключен к шине питания и через первый резистор - к своей базе, а коллектор соединен с первым выводом второго резистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, а коллектор соединен с первым выводом третьего резистора, третий и четвертый транзисторы того же типа проводимости, что и первый транзистор, эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания и через четвертый резистор к своей базе и к первому выводу пятого резистора, коллектор четвертого транзистора соединен с первым выводом шестого резистора, а база - с первым выводом седьмого резистора, пятый транзистор того же типа проводимости, что и второй транзистор, входную шину и выходную шину, соединенную через нагрузку с общей шиной, отличающийся тем, что в него введены коммутирующий элемент, включенный между базой и эмиттером второго транзистора и управляемый по сигналам на входной шине, шина импульсного управления, подключенная через восьмой резистор к базе второго транзистора, конденсатор и девятый резистор, первый вывод которого подключен к коллектору четвертого транзистора, а второй - к первой обкладке конденсатора и к базе пятого транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом пятого резистора, а эмиттер через первый диод в прямом направлении - с выходной шиной и коллектором первого транзистора, база которого подключена к эмиттеру четвертого транзистора и к коллектору третьего транзистора, при этом второй вывод третьего резистора подключен к базе четвертого транзистора, второй вывод второго резистора подключен к базе второго транзистора, второй вывод седьмого резистора подключен к шине питания, а второй вывод шестого резистора и вторая обкладка конденсатора - к общей шине.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены входная шина контроля, подключенная через последовательно соединенные второй диод в прямом направлении и десятый резистор к базе пятого транзистора.