Магнитно-транзисторный ключ Советский патент 1985 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсно технике, в частности к магнитно-тран зисторным ключевым устройствам, и может быть использовано в системах управления и регулирования. Известен транзисторный ключ, состоящий из N транзисторов, выходные цепи которых соединены параллельно, а входные цепи через токоограничивагощие резисторы подключены к дополнительным источникам сигналов отпирания и запирания . Недостатками известного устройств являются значительные потери энергии в токоограничивающих резисторах, и неравномерность распределения токо в выходные центры силовых транзисторов из-за разброса их параметров, что снижает надежность устройства. Наиболее близким к изобретению является магнитно-транзисторный ключ содержащий N силовых транзисторов, коллекторы которых через первичные обмотки N трансформаторов соединены с первым выводом общей нагрузки,, второй вывод которой подключен к первой шине источника питания, втора шина которого соединена с эмиттерами силовых транзисторов, базы которых подключены к выходу управляемого источника сигнала, вход которого соединен с первым выходом блока управления, ключевые элементы, первые силовые выводы которых соединены со второй шиной источника питания причем связь между баз силовых транзисторов с выходом управляемого источни ка сигнала осуществлена через соединенные последовательно обмотки положительной обратной связи, намотанные на N трансформаторах С2. Недостаток . известного устройства - низкая надежность, связанная с нарушением равномерности токораспределения между силовыми транзисторами при насыщении сердечников трансформа торов тока. Цель изобретения - повышение надежности. Поставленная цель достигается тем, что в магнитно-транзисторный ключ, содержащий N силовых транзисторов, коллекторы которых через первичные обмотки трансформаторов соеди иены с первым выводом общей нагрузки второй вьшод Которой подключен к первой щине источника питания, втора шина которого соединена с эмиттерами 1 53I силовых транзисторов, базы которых подключены к выходу управляемого источника сигнала, вход которого соединен с первым выходом блока управления, ключевые эмиттеры, первые силовые выводы которых соединены с второй шиной питания, введены дополнительньш сердечник с расположенными на нем обмотками положительной и отрицательной обратной связи и короткозамкнутый контур, причем общий вывод обмотки положительной и отрицательной обратной связи соединен с базами силовых транзисторов, другие выводы указанных обмоток соединены с вторьми силовыми выводами соответствующих ключевых элементов, управляющие входы которых соединерш с соответствующими выходами блока управления, а короткозамкнутый контур магнитно связан со всеми сердечниками. Кроме того, короткозамкнутый контур выполнен в виде полого цилиндра с верхним и нижним основаниями, соединенными между собой стержнем, причем польш цилиндр,.основание и стержень выполнены из материала с высокой проводимостью, а стержень проходит через окно каждого из сердечников. На фиг.1 представлена принципиальная эпиотрическая схема предложенного устройства; на фиг.2 - конструкция короткозамкнутого контура, магнитносвязанного со всеми сердечниками, в виде полого цилиндра. Устройство содержит первую и вторую шины 1 и 2 источника питания, нагрузку 3, блок 4 управления, управляемый источник сигнала, выполненный в виде управляемого ключа 5 и источника 6 отпирающего смещения, первый и второй ключевые элементы 7 и 8, первьй силовой транзистор 9, второй силовой транзистор 10, N-й силовой транзистор 11, сердечник 12 первого трансформатора, сердечник 13 второго трансформатора, сердечник 14 N-ro трансформатора, дополнительный сердечник 15, первичную обмотку 16 первого трансформатора, первичную обмотку t 7 второго трансформатора, первичную обмотку 18 N-ro трансформатора, короткозамкнутый контур 19, магнитно связанный с сердечниками 12, 13, 14 и 15, обмотку 20 положительной обратной связи, обмотку 21 отрицательной обратной связи. К первой и второй шинам 1 и 2 источника питания подключены выходные зажимы этого источника. Коллекторы силовых транзисторов 9, 10 и 11 через первичные обмотки 16, 17 и 18 трансформаторов, выполненных на сердечниках 12, 13 и 14, подключены к первому выводу общей нагрузки 3. Второй вывод этой нагру ки соединен первой шиной 1 источник питания. Эмиттеры силовых транзисторов 9, 10 и 11 подключены к второй шине 2 источника питания, а базы их соединены с выходом управляемого источника сигнала, выполненного в вид управляемого ключа 5 и источника 6 ,отпирающего смещения. Вход управляемого ключа 5 соединен с первым выход блока управления 4. К второй шине 2 источника питания подключены первые силовые электроды ключевых элементов 7 и 8, а их управляющие электроды соединены с соот ветствующими выходами блока управления 4. Дополнительный сердечник 15 и сер дечники 12, 13 и 14 трансформаторов магнитно связаны с короткозамкнутым контуром 19. На дополнительном сердечнике 15 расположены обмотки 20 и 21 положительной и отрицательной обратной связи, общий вывод которых соединен с базами силовых транзисторов 9, 10 и 11, а другие выводы этих обмоток - с вторьши силовыми электродами ключевых элементов 7 и 8 Короткозамкнутый контур 19, связанный магнитно с сердечниками 12, 13 и 14 трансформаторов, на которых расположены первичные обмотки 16, 17 и 18, а также связаиньш магнитно с дополнительным сердечником 15, на котором расположены обмотки 20 и 21 положительной и отрицательной обратной связи, содержит верхнее и нижнее основания 22 и 23, цилиндр 24 и стержень 25, выполненные из токопроводящего материала. Сердечники 12, 13, 14 и 15 с размещенными на них обмотками расположены внутри цилиндра 24 между верхним и нижним основаниями 22 и 23, которые соединены между собой стержнем 25. Соединение может быть выполнено резьбовым. Выводы обмоток выведены через щель в боковой поверхности цилиндра или через отверстия. Основания 22 и 23, цилиндр 24 и стержень 25, образующие коррткозамкнутьш контур 19, являются по существу одновитковой обмоткой для всех сердечников 12, 13, 14 и 15. Принцип действия устройства состоит в следующем. При поступлении команды с блока управления 4 одновременно отпирается первый ключевой элемент 7 и запирается второй ключевой элемент 8. При этом небольщой отпирающий ток от управляемого источника сигнала поступает в объединенные базы силовых транзисторов 9, 10 и 11, что приводит к приотпиранию транзисторов. Небольшие коллекторные токи транзисторов 9, 10 и 11, протекая по первичным обмоткам 16, 17 и 18, намотанным соответственно на сердечниках 12, 13 и 14, наводят на них ЭДС, которые, трансформируясь в дсороткозамкнутый контур 19, вызывают протека.ние по ней тока (контур 19 является вторичной обмоткой одновременно для обмоток 16, 17 и 18). В свою очередь контур 19 является первичной обмоткой по отношению к обмоткам 20 и 21, намотанным на дополнительном сердечнике 15. Поэтому ЭДС в свою очередь наводятся и на обмотках 20 и 21. Первый ключевой элемент 7 сейчас открыт, поэтому по цепи обмотка 20 базоэмиттерные переходы транзисторов 9, 10 и 11 - ключевой элемент 7, начинает протекать ток, который, складываясь с током источника 6 отпирающего смещения, увеличивает базовые токи силовых транзисторов, а следовательно, и коллекторные токи, что приводит к дальнейшему увеличению тока в обмотке 19 и т.д. Лавинообразный процесс нарастания тока заканчивается, когда ток в нагрузке 3 достигает значения, определяемого напряжением питания, величиной нагрузки, напряжением насыщения транзисторов 9,10 и 11 и падением напряжения на обмотках 16, 17 и 18. Во время включенного состояния ключа ток положительной обратной связи, протекающий по обмотке 20, пропорционален току в короткозамкнутом контуре 19, которьй в свою очередь определяется величиной токов, протекающих по обмоткам 16, 17 и 18, и соотношением чисел витков обмоток f6, 17 .и 18 и контура 19. Так как обмотка контура 19 является вторичной одновременно по отношению ко всем обмоткам 16, 17 и 18, то при равенстве количества витков в обмотках 16, 17 и 18 по ним будет протекать одинаковый ток, т.е. коллекторные токи силовых транзисторов 9, Ю и 11 принудительно выравниваются, устраняя возможность перегрузок отдельных прибо.ров. При поступлении команды с устройства управления 4 ключевой элемент 7 запирается, ключевой элемент 8 и управляемый ключ 5 отпираются. При этом ток источника отпирающего смещения шунтируется управляемым ключом 5, а ток из обмотки 20 переключается в обмотку 21. Ток обмотки 21 также пропорционален токам в обмотках 16, 17 и 18, но для силовых транзисторов 9, 10 и 11 он является запирающим током. После рассасывания избыточного заряда транзисторы 9, 10 и 11 запираются, при этом ток по нагрузке 3 перестает протекать (ключ запирается). Заметим, что на этапе рассасывания избыточного заряда . коллекторные токи транзисторов 9,10 и 11 также принудительно выравниваются.

Один из ключевых управляющих элементов 7 и 8 может быть сделан неуправляемьм (диод) и принцип действи устройства при этом не изменится.

Наиболее удобным является выбор .количества витков обмотки контура 19

равного единице. При этом наиболее технологичным является выполнение короткозамкнутого витка в виде полого цилиндра с верхним и ниж)шм основаниями, соединенными стержнем, как показано на фиг.2.

Указанный короткозамкнутый контур 19 может,быть также выполнен в виде короткозамкнутой многовитковой обмотки, намотднной на сложенные вместе сердечники 12 - 15 поверх обмоток 16, 17, 18, 20 и 21 или в виде последовательной цепи из дополнительных обмоток, намотанных на соответствующем сердечнике 12, 13 - 15.

Таким образом, в предлагаемом устройстве коллекторные токи в N соединенных параллельно по входу транзисторах принудительно выравниваются на всех этапах протекания тока нагрузки, что повышает надежность устройства по сравнению с прототипом. Кроме того, при увеличении длительности управляющего сигнала по мере насьщения дополнительного сердечника базовые токи силовых транзисторов уменьшаются, что приведет в конечном итоге к выключению ключа, последующему выводу энергии из магнитных элементов и повторному включению устройства, если отпирающий импульс продолжает действовать.

1. МАГНИТНО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ, содержащий N силовых транзисторов, коллекторы которых через первичные обмотки трансформаторов соединены с первым выводом общей нагрузки, второй .вывод которой подключен к первой шине источника питания, вторая шина которого соединена с эмиттерами силовых транзисторов, базы которых подключены к выходу управляемого источника сигнала, вход которого соединен с первым выходом блока управления, ключевые элементы, первые силовые выводы которых соединены с второй шиной источника питания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности ключа, в него введены дополнительный сердечник с расположенными на нем обмотками положительной и отрицательной обратной связи и короткозамкнутый контур, причем общий вывод обмоток положительной и отрицательной обратной связи соединен с базами силовых транзисторов, другие вьшоды указанных обмоток соединены с вторыми силовыми выводами соответствующих ключевых элементов, управляющие входы которых сл соединены с соответствующими выходами блока управления, а короткозамкнутыйй контур магнитно связан со всеми сердачниками. 2. Магнитно-транзисторный ключ, отличающийся тем, что короткозамкнутый контур выполнен в ел виде полого цилиндра с верхним.и нижним отверстиями, соединенными между -si собой стержнем, причем полый цилиндр, 01 основание и стержень выполнены из 09 материала с высокой проводимостью, а стержень проходит через окно каждого из сердечников;