ЭЛЕКТРОННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ РЕЛЕ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ Российский патент 2009 года по МПК H03K17/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в коммутационных устройствах с гальванической развязкой.

Известные оптоэлектронные реле с переключающими «контактами» типа КР293КП9, КР293КП10, где в качестве замыкающего «контакта» используются DMOП транзисторы, а в качестве размыкающего «контакта» используются БМОП транзисторы со встроенным каналом. Недостатками известных устройств, где в качестве гальванической развязки применяются оптопары, являются низкая радиационная стойкость и стойкость к космическому излучению.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является электронное реле с трансформаторной развязкой [1], содержащее электронный ключ на БМОП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямительный диод, токоограничительный и токозадающий резисторы, стабилитрон, входные и выходные выводы. В предложенном электронном реле при подаче на входы управления устройства управляющего напряжения генератор импульсов формирует прямоугольные импульсы, поступающие на первичную обмотку импульсного трансформатора, на вторичной обмотке которого также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются выпрямительным диодом и через токоограничительный резистор поступают на затвор БМОП транзистора, где фильтруются входной емкостью DMOП транзистора, и открывают его. DMOП транзистор электронного ключа открывается и подключает нагрузку к стоку или истоку DMOП транзистора. При снятии управляющего напряжения с входов управления DMOП транзистор электронного ключа закрывается, отключая нагрузку.

Таким образом, основным недостатком этого устройства является ограничение его функциональных возможностей в связи с тем, что устройство выполняет только функцию замыкающего «контакта».

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей электронного реле за счет дополнения его функциями размыкающего «контакта» с высокой радиационной стойкостью и стойкостью к космическому излучению. Повышение радиационной стойкости и стойкости к космическому излучению осуществляется за счет применения в качестве гальванической развязки импульсных трансформаторов, обладающих высокой стойкостью к выше перечисленным факторам.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый электронный ключ на DMOП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, имеющий первичную и первую вторичную обмотки, первый выпрямительный диод, первый токоограничительный резистор, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй входы управления, первый и второй выходы реле, причем первый вход управления через токозадающий резистор соединен с катодом стабилитрона и первым входом генератора импульсов, второй вход которого соединен с анодом стабилитрона и со вторым входом управления, к выходу генератора импульсов подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, начало первой вторичной обмотки которого соединено с анодом первого выпрямительного диода, а катод его через первый токоограничительный резистор соединен с затвором DMOП транзистора первого электронного ключа, сток которого соединен с первым выходом реле, а исток соединен со вторым выходом реле и концом первой вторичной обмотки импульсного трансформатора, дополнительно введены вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора, второй выпрямительный диод, второй токоограничительный резистор, второй электронный ключ на DMOП транзисторе со встроенным каналом, третий выход реле, первый и второй резисторы разряда, при этом начало второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединено с истоками DMOП транзисторов первого и второго электронных ключей и со вторым выходом реле, конец второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом второго выпрямительного диода, анод которого через второй токоограничительный резистор соединен с затвором DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа, сток которого соединен с третьим выходом реле, причем первый резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора первого электронного ключа, а второй резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа.

На чертеже приведена схема электрическая принципиальная электронного переключающего реле с трансформаторной развязкой, при этом на чертеже и далее в тексте обозначены:

1 - первый электронный ключ;

2 - генератор импульсов;

3 - импульсный трансформатор;

4 - первичная обмотка импульсного трансформатора;

5 - первая вторичная обмотка импульсного трансформатора;

6 - первый выпрямительный диод;

7 - первый токоограничительный резистор;

8 - токозадающий резистор;

9 - стабилитрон;

10 - первый вход управления;

11 - второй вход управления;

12 - первый выход реле;

13 - второй выход реле;

14 - третий выход реле;

15 - вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора;

16 - второй выпрямительный диод;

17 - второй токоограничительный резистор;

18, 19 - соответственно первый и второй резисторы разряда;

20 - второй электронный ключ;

U_упр - управляющее напряжение;

R_н1, R_н2 - нагрузки первого и второго ключа соответственно;

±U_ком1, ±U_ком2 - коммутируемые напряжения;

U_зи - напряжение затвор-исток DMОП транзисторов.

Электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой выполнено следующим образом.

Первый вход управления 10 через токозадающий резистор 8 соединен с катодом стабилитрона 9 и первым входом генератора импульсов 2, второй вход которого соединен с анодом стабилитрона 9 и вторым входом управления 11. К выходу генератора импульсов 2 подключена первичная обмотка 4 импульсного трансформатора 3. Импульсный трансформатор 3 имеет первичную 4 и две вторичные обмотки: первую вторичную обмотку 5 и вторую вторичную обмотку 15. Начало первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3 соединено с анодом первого выпрямительного диода 6, а катод его через первый токоограничительный резистор 7 соединен с затвором DMOП транзистора первого электронного ключа 1, сток которого соединен с первым выходом реле 12, а исток соединен со вторым выходом реле 13, с концом первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3, истоком DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20 и началом второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3. Конец второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3 соединен с катодом второго выпрямительного диода 16, анод которого через второй токоограничительный резистор 17 соединен с затвором DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20, сток которого соединен с третьим выходом реле 14. Первый резистор разряда 18 включен между затвором и истоком DMOП транзистора первого электронного ключа 1, второй резистор разряда 19 включен между затвором и истоком DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20.

На чертеже приведено простейшее исполнение элементов электрической принципиальной схемы. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь непринципиальные отличия. Так, генератор импульсов 2 может быть выполнен на микросхемах типа 1526ЛН2 по схеме, приведенной в прототипе, или по другой схеме на КМОП - микросхемах. В качестве стабилитрона 9 может быть использован стабилитрон 2С164М-1 или микросхема 142ЕР2Н4ИМ. Импульсный трансформатор 3 может быть типа ТИИ4. В качестве первого электронного ключа 1 могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные DMOП транзисторы типа 2П7149А, 2П7169Б, 2П7161Б и другие. Второй электронный ключ 20 может быть выполнен на отечественных DMOП транзисторах со встроенным каналом (нормально открытые) типа КП110, выпускаемые ОАО «Протон», или на зарубежных DМОП транзисторах со встроенным каналом (Depletion Mode) IXTH20N50D. Управляющее напряжение может иметь широкий диапазон U_упр=(6-34)В.

Электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда на входы управления 10, 11 не подано управляющее напряжение U_упр, DМОП транзистор первого электронного ключа 1 закрыт и открыт DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20, так как DMOП транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах:

- в режиме обеднения с состоянием «включен» при напряжении затвор-исток

U_зи=0 В (нормально открыт);

- в режиме обогащения с состоянием «отключен» при напряжении затвор-исток U_зи=10 В, следовательно, в исходном состоянии, когда

напряжение U_зи второго электронного ключа равно 0 В, DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 открыт, и через нагрузку R_н2, подключенную к третьему выходу реле 14, течет ток от плюс источника коммутируемого напряжения U_кoм2 через открытый DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 и второй выход реле 13, к которому подключен минус U_ком2.

После подачи на первый 10 и второй 11 входы управления управляющего напряжения U_упр токозадающий резистор 8 задает ток через стабилитрон 9 и генератор импульсов 2. Напряжение управления U_упр может изменяться в широком диапазоне от 6 до 34 В. Стабилизированное стабилитроном 9 напряжение поступает на входы генератора импульсов 2, который формирует прямоугольные импульсы, которые с его выхода поступают на первичную обмотку 4 импульсного трансформатора 3. На первой 5 и второй 15 вторичных обмотках импульсного трансформатора 3 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются первым выпрямительным диодом 6 с первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3 и вторым выпрямительным диодом 16 со второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3. Отрицательное напряжение с конца второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3 через второй выпрямительный диод 16 и второй токоограничительный резистор 17 подается на затвор DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20, где входная емкость транзистора фильтрует переменное напряжение и закрывает его, отключая нагрузку R_н2 от источника коммутируемого напряжения ±U_ком2.

Одновременно с этим положительное напряжение с начала первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3 через первый выпрямительный диод 6, первый токоограничительный резистор 7 поступает на затвор DMOП транзистора первого электронного ключа 1, где входная емкость транзистора фильтрует переменное напряжение и открывает его. Через нагрузку R_н1, подключенную к первому выходу реле 12, течет ток от плюс источника коммутируемого напряжения U_ком1 через открытый DMOП транзистор первого электронного ключа 1 и второй выход реле 13, к которому подключен минус U_ком1.

Время отключения DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20 и время включения DMOП транзистора первого электронного ключа 1 зависят от входных емкостей обоих транзисторов и от номиналов первого 7 и второго 17 токоограничительных резисторов. Меняя номиналы первого 7 и второго 17 токоограничительных резисторов, всегда можно, для данных типов DMOП транзисторов первого 1 и второго 20 электронных ключей, создать два режима переключения:

- DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 закрывается раньше, чем открывается DMOП транзистор первого электронного ключа 1 (с задержкой выкл./вкл.);

- DMOП транзистор первого электронного ключа 1 открывается раньше, чем закрывается DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 (с перекрытием выкл./вкл.).

После снятия управляющего напряжения U_упр с входов управления реле 10, 11 генератор импульсов 2 выключается, входная емкость С_вх.1 DMOП транзистора первого электронного ключа 1 разряжается через первый резистор разряда 18 и, когда напряжение на затворе достигает напряжение отсечки от 2 до 41 В, DMOП транзистор первого электронного ключа 1 закроется и отключит нагрузку R_н1. Одновременно с этим входная емкость С_вх.2 DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20 разряжается через второй резистор разряда 19 и, когда напряжение на затворе достигнет напряжения отсечки от минус 2 до минус 4 В, DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 откроется и через нагрузку R_н2 потечет ток.

Таким образом осуществляется переключение DMOП транзисторов первого 1 и второго 20 электронных ключей. По аналогии с оптоэлектронными реле КР293КП9, КР293КП10 заявленное устройство имеет функцию переключающего «контакта», когда в выключенном состоянии реле включен (открыт) DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 и выключен (закрыт) DMOП транзистор первого электронного ключа 1, а во включенном состоянии реле DMOП транзистор первого электронного ключа 1 включен (открыт), a DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 выключен (закрыт).

Кроме того, импульсный трансформатор 3 типа ТИИ4 имеет высокую радиационную стойкость и стойкость к космическому излучению. По сравнению с известным реле с трансформаторной развязкой [2], имеющим только функцию на включение, предложенное изобретение расширяет функциональные возможности за счет введения в прототип функции переключающего реле.

Для расширения функциональных возможностей в электронном переключающем реле с трансформаторной развязкой возможно увеличить число переключающих контактов в n раз.

Использование: в области электронной техники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей реле и повышении его надежности. Устройство содержит электронный ключ на DMOП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, токоограничительный резистор, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй входы управления, первый и второй выходы реле, вторую вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй выпрямительный диод, второй токоограничительный резистор, второй электронный ключ на DMOП транзисторе со встроенным каналом, третий выход реле, первый и второй резисторы разряда, при этом начало второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединено с истоками DMOП транзисторов первого и второго электронных ключей и со вторым выходом реле, конец второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом второго выпрямительного диода, анод которого через второй токоограничительный резистор соединен с затвором DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа, сток которого соединен с третьим выходом реле, причем первый резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора первого электронного ключа, а второй резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа. 1 ил.

Электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой, содержащее первый электронный ключ на DMOП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, имеющий первичную и первую вторичную обмотки, первый выпрямительный диод, первый токоограничительный резистор, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй входы управления, первый и второй выходы реле, причем первый вход управления через токозадающий резистор соединен с катодом стабилитрона и первым входом генератора импульсов, второй вход которого соединен с анодом стабилитрона и со вторым входом управления, к выходу генератора импульсов подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, начало первой вторичной обмотки которого соединено с анодом первого выпрямительного диода, а катод его через первый токоограничительный резистор соединен с затвором DMOП транзистора первого электронного ключа, сток которого соединен с первым выходом реле, а исток соединен со вторым выходом реле и концом первой вторичной обмотки импульсного трансформатора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора, второй выпрямительный диод, второй токоограничительный резистор, второй электронный ключ на DMOП транзисторе со встроенным каналом, третий выход реле, первый и второй резисторы разряда, при этом начало второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединено с истоками DMOП транзисторов первого и второго электронных ключей и со вторым выходом реле, конец второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом второго выпрямительного диода, анод которого через второй токоограничительный резистор соединен с затвором DMOП транзистора второго электронного ключа, сток которого соединен с третьим выходом реле, причем первый резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора первого электронного ключа, а второй резистор разряда включен между затвором и истоком DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа.