Транзисторный коммутатор Советский патент 1990 года по МПК H03K17/60 

Изобретенйе|относится к импульсной технике, в частности к преобразовательной технике, и может быт| использовано в системах автоматики, телемеханики и электромеханики для генерирования мощных импульсор тока или для коммутации активных, индуктивных или емкостных нагрузок в цепях постоянного тока.

Цель изобретения - повышение быстродействия коммутатора при одновременном повышении КПД.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого транзисторного коммутатора; на(фиг.2 )-эпюры напряжений и токов в различных точках схемы.

На фиг.2 приняты следующие обозначения: напряжение на входе коммутатора Ugx; ток базы управляющего транзистора 4 Ifd ток коллектора управляющего транзистора 4 1К4; ток через линейный индуктивный элемент (ЛИЭ) |7 Ij. ЭДС самоиндукции ЛИЭ 7 EU7; на

пряжение на эмиттерных переходах сильноточных транзисторов 1.1-l.n Ug3J текущее время t; суммарный ток силового транзистора 1 I .

Транзисторный коммутатор содержит (фиг.1) силовой транзистор 1, представляющий собой параллельное соединение п сильноточных биполярных транзисторов 1.1-l.n, в коллекторную цепь которого включена нагрузка 2, а в , эмиттерные цепи каждого звена силового транзистора 1 - уравновешивающие резисторы 3.1т3.п. К силовому транзистору 1 по схеме Дарлингтона вклю- чен управляющий транзистор 4, в эмит- терную непь которого включена запира- юшая цепочка 5, состоящая из диода 6 (анодом к эмиттеру) и линейный индуктивный элемент (ЛИП) 7, а в базовую цепь - форсирующая цепочка 8, образованная параллельным соединением резистора 9 и конденсатора,10. Второй конец форсирующей цепочки 8 соединен с трансформатором 11, а именно - с началом первой секции 12 вторичной обмотки, конец которой соединен с эмиттером транзистора 4, Вторая секция 13 вторичной обмотки трансформатора 11 своим началом соединена с уз- лом 14 фиксации уровня смещения, состоящим из последовательно соединенных конденсатора 15 и диода 16 (анодом к конденсатору), к средней точке между которыми катодом подсоединен диод 17, который анодом соединен с концом первой секции 12 вторичной обмотки трансформатора 11, Узел 14 фиксации уровня смещения вторым концом (катодом диода 17) соединен с коллектором силового транзистора 1. Конец второй секции 13 вторичной обмотки трансформатора 11 соединен с общей шиной. Первичная обмотка 18 трансформатора 11 соединена с входными шинами устрой- ства.

Для упрощения объяснения работы устройства сделаем некоторые допущения, а именно: что нагрузка коммутатора имеет чисто активный характер и что все импульсы управления одинаковы как по амплитуде, длительности, так и по скважности и что они имеют бесконечно крутой фронт и срез, т,е, являются идеальными.

Устройство работает следующим образом,

В момент времени t0 на вход схемы поступает положительный импульс

.

Q 5 0 5 Q , .,

5

5

управления (фиг.2а), в результате в базе управляющего транзистора 4 начинает течь ток 1 g-4 (фиг. 26), который в свою очередь вызывает в момент времени t, возникновение тока коллектора ТК4 транзистора 4 (фиг.2в)„ Задержка возникновения тока коллектора вызывается внутритранзисторными физическими процессами в транзисторе 4„ Для повышения скорости нарастания токов базы и вместе с тем и коллектора транзис- тора 4 в цепь базы транзистора 4 включена форсирующая цепочка 8 из включенных параллельно резистора 9 и конденсатора 10, которая также ускоряет и процесс выключения запирающей цепочки 50 Ток 1к4разветвляется на два: ток базы силового транзистора I и ток IL7 через запирающую цепочку 5, состоящую из последовательно соединенных диода 6 и ЛИЭ 7 (например, дроссель) . Ток.I и7(фиг.2г) возникает в момент, когда напряжение на эмиттере транзистора 4 относительно общего провода схемы достигает уровня, при котором возникает также ток, через базы сильноточных транзисторов 1.1- l.n, что обеспечивается наличием диода 6, который кроме выполнения роли порогового элемента препятствует разряду конденсатора 15 через диод 17 в паузах между импульсами коммутации. Транзистор 4 насыщается за время t

Pltn j

а ток через ЛИЭ 7 растет до момента t, когда транзистор 4 выходит из насыщения и ток коллектора управляющего транзистора 4 I К4 резко уменьшается. Почти постоянными остаются напряжение на эмиттерном переходе II $э любого из сильноточных транзисторов 1.1- il.n (фиг„2е) и ЭДС самоиндукции ЛИЭ 7 (фиг,2д). Разветвленный ток через базы транзисторов 1.1-l.n отпирает их и возникает суммарный коллекторный ток IK,, который по существу составляет главную долю выходногр тока:

1 вмГ1 Ki+IMCI м так как 1К4«1М Количество сильноточных транзисторов

в составе силового транзистора 1 определяется мощностью управляющего транзистора 4, так как ток базы силового транзистора 1 составляет главную часть тока коллектора управляющего транзистора 4, В общем случае п 1,2,.... Процесс включения сильноточных транзисторов в принципе не отличается от уже указанного процесса включения транзистора 4. Время

515

включения всего коммутатора определяется моментом насыщения t2 сильноточных транзисторов 1.1-l.n, так как LflKft t2 t0 (фиг.2з), В момент t прекращается воздействие входного импульса и начинается процесс выключения коммутатора. Изменение направления тока происходит в результате накопленной в конденсаторе 10 энер- гни. Обратный ток через эмиттерный переход транзистора 4 течет до окончательного рассасывания заряда из базы, и имеете с тем эмиттерный переход транзистора 4 запирается за вре- м t ± t где t - время рассасывания неравновесного заряда; t1 - время спада тока коллектора управлт- ющего транзистора 4. В течение г транзистор 4 еще насыщен, начало вы- хода из насыщения наступает в, момент t, Одновременно с тем начинает уменьшаться и ток коллектора ТК4 транзистора 4. В этот же :ю. t q прекращается рост тока Т. через ЛИЭ 7, ч го вызывает резкое изменение направления ЭДС самоиндукции этого эле- .фиг.2д), который с этого момента становится источником отрицательного натфпжения относительно эмиттер- ных переходсв сильноточных транзисторов 1.1-l.n. Энергию, запасенную к моменту t в ЛИЭ 7, можно найти из форчулы

1

V

Т, I

где L - индуктивность ЛИЭ 7;

I - ток через ЛИЭ 7 в момент t4. Главным образом в результате этой |ЭН.ергии за время происходит рассасывание заряда из баз сильноточных транзисторов 1.1-l.n, при этом время выключения силового транзистора 1 равно tp+t C t5-t4, где tp - время рассасывания суммарного неравновесного заряда из баз сильноточных транзисторов 1„1.-1.п; tc - время спада суммарного коллекторного тока (фиг.2з) этих транзисторов. Но в про- цессе рассасывания заряда из баз сильноточных транзисторов ЭДС самоиндукции F Lf (фиг.2д) экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается И) отрицательное напряжение на эмиттер- ных переходах указанных транзисторов, а вместе с тем уменьшается скорость процесса рассасывания заряда из баз и, следовательно, увеличивается об-

д 5 0 5 0

5

0 5 0

316

щее время выключения коммутатора. Чтобы предотвратить уменьшение скорости рассасывания заряда из баз сильноточных транзисторов 1.1.-l.n в конце процесса выключения сильноточных транзисторов в схему включен v узел 14 фиксирования уровня смещения базовых напряжений сильноточных транзисторов 1.1.-1,п. Узел 14 работает следующим образом,. За время tj-tj, когда воздействует входной импульс и силовой транзистор 1 насыщен, конденсатор 15 заряжается от второй секции 13 через диод 16, силовой транзистор 1 и резисторы 3.1-3,п. При выходе : сильноточных транзисторов из насыщения диод 17 запирается и конденсатор i 5 сохраняет заряд до момента, когда напряжение на запирающей цепочке 5 становится меньше напряжения на конденсаторе 15. Тогда отпирается диод 17 и рассасывание заряда сильноточных транзисторов 1.1-l.n продолжается уже в результате энергии, на копленной в конденсаторе 15.

Такое распределение процесса расса- сьпапин заряда имеет следующие преимущества: скорость рассасывания заряда из баз сильноточных транзисторов 1,1-1„п больше, чем в случаях, когда для создания запирающего напряжения использованы только запирающая цепочка 5 или только узел 14, так как я первом случае индуцированное напряжение ЛИЗ 7 быстро уменьшается (фиг. 2д), а во втором случае велико влияние индуктивности рассеяния трансформатора 11, что препятствует быстрым изменениям тока через конденсатор 15. Зато их сочетание отличается высокой эффективностью в процессе рассасывания заряда из баз сильноточных, транзисторов и, следовательно, гарантирует высокое быстродействие Ь.того(коммутатора j применение узла 14 также увеличивает помехоустойчивость коммутатора, так как при достаточно большой емкости конденсатора 15 некоторый эаг ряд на нем сохраняется и после окончательного запирания сильноточных транзисторов 1.1-l.n (момент tg , фиг.2з), а следовательно, на эмиттер- ных переходах указанных транзисторов остается отрицательное смещение - Ug (фиг.2е)„ Диод 6 препятствует J разряду конденсатора 15 через ЛИЭ 7. Время выключения 1.,Кл силового транзистора 1 равно

t1 вккл

tp +

Lci

(2)

где t,

tc

время рассасывания неравновесного заряда из базы силового транзистора 1; время спада тока коллектор силового транзистора 1 (фиг02з).

Коммутатор выключается в момент tj-, когда окончательно запираются сильноточные транзисторы 1.1-1.п. После окончательного запирания сильноточных транзисто ров Коммутатор готов к новому включению (момент t, фиг,2ж)0 Время выключения коммутато- ра с 8«|1кл определяет быстродействие коммутатора и равно t ВЬ1ЦЛ - t3 (фиг.2з)0 Реально достигаемые времена выключения предлагаемого транзисторного коммутатора приближаются к - теоретическим пределам, которые опре делены внутритранзисторными физическими процессами.

Формула изобретения

Транзисторный коммутатор, содержащий силовой транзистор с нагрузкой в коллекторной цепи и резисторами в эмиттерный цепи, вторые выводы кото рых соединены с общей шиной, к базе 1 оторого подключен управляющий тран

5

0

5

0

зистор по схеме Дарлингтона, к базе которого одним выводом подключен первый резистор, отличают и й- с я тем, что, с целью повышения быстродействия и КПД, введен трансформатор, параллельно первому резистору подключен конденсатор, точка соединения которых подключена к началу обмотки первой секции вторичной обмотки трансформатора, конец обмотки подключен к эмиттеру управляющего транзистора, база .силового транзистора-к цепочке из последовательно соединенных диода - анодом к и линейного индуктивного элемента, в эмиттерную цепь управляющего транзистора включен узел фиксации уровня смещения, выполненный из диода - анодом к эмиттеру, последовательно к которому подключен конденсатор, вторая обкладка которого соединена с началом обмотки второй секции вторичной обмотки трансформатора, конец которой соединен с общей шиной, при этом точка соединения конденсатора и диода подсоединена к аноду другого диода узла фиксации уровня смещения, катод которого соединен с общим коллектором схемы Дарлингтона, первичная ббмотка трансформатора соединена с входными шинами.

Изобретение относится к устройствам сильноточной электронной коммутации. Целью изобретения является повышение быстродействия коммутации при одновременном повышении КПД. Коммутатор содержит силовой транзистор, представляющий собой параллельное соединение N сильноточных транзисторов с уравновешивающими резисторами в эмиттерных цепях и нагрузкой в общей коллекторной цепи, соединенный по схеме Дарлингтона с управляющим транзистором, база которого через форсирующую цепочку, представляющую собой параллельное соединение резистора и конденсатора, соединена с началом первого звена вторичной обмотки трансформатора, конец которой соединен с эмиттером управляющего транзистора, к точке соединения эмиттера управляющего транзистора с базой силового транзистора подсоединена запирающая цепочка из соединенных последовательно диода и линейного индуктивного элемента, например дросселя, другим концом подключенная к общей шине. В эмиттерную цепь управляющего транзистора включен узел фиксации уровня смещения, включающий в себя последовательно соединенные диод и конденсатор, вторая обкладка которого соединена с началом второй секции вторичной обмотки входного трансформатора, конец которой соединен с общей шиной, при этом к точке соединения конденсатора и диода подсоединен второй диод, катод которого соединен с общим коллектором схемы Дарлингтона. 1 ил.

food

л

&

18

iv±t

7 | А А А

® 7 Гг Ik Гг

i и J ЕЙ I f 7 I Y vv

ют

Фиг.1

т