Высоковольтный транзисторный переключатель Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в импульсных модуляторах, импульсных стабилизаторах и других устройствах радиоэлектроники, где необходимы высоковольтные переключатели.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

На фиг. 1 приведена функциональная схема высоковольтного транзисторного переключателя; на фиг. 2а - диаграммы сигналов в различных точках устройства при нормальной работе его; на фиг. 2 б - то же, при неисправности формирователя управляющих импульсов первого коммутирующего транзистора; на фиг. 3 - пример схемы блока сравнения устройства.

Высоковольтный транзисторный переключатель содержит генератор 1 управляющих импульсов оптического излучения, коммутирующие транзисторы 2.1-2.П, формирователи 3.1-З.п управляющих импульсов, первые стабилитроны 4.1 4.п, резисторы 5.1-5.П, дсюды 6.1-б.п, конденсаторы 7.1-Т.п, первые стабилитроны 8.1-8.п, дополнительные транзисторы 9.1-9.П, первые дополнительные резисторы 10.1-10п, вторые дополнительные резисторы 11.1- 11.п, первый дополнительные диоды 12.1- 12.п, дополнительные конденсаторы 13.1-13.п, вторые дополнительные диоды 14.1-14.п, третьи дополнительные диоды 15,1-15.п, излучающие диоды 16.1-16.п, четвертые дополнительные диоды 17.1-17.п, приемники 18.1-18,п оптического излучения, блок 19 сравнения. Кроме того, на чертеже обозначены входная шина 20, выходная шина 21 и общая шина 22. Коммутирующие транзисторы 2.1-2.П соединены в последовательную цепь, при этом коллектор предыдущего соединен с эмиттером последующего через включенные последовательно диод 14, конденсатор 13 и диод 12. Коллектор n-го коммутирующего транзистора 2 подключен к выходной шине 21 устройства, а эмиттер 1-го через цепочку из диода 12.1, конденсатора 13.1 и диода 14.1 - к общей шине 22, Первый вход генератора 1 соединен с входной шиной устройства выход генератора 1 соединен с входами формирователей 3.1-З.п. Общий вывод каждого формирователя 3.1-З.п соединен с эмиттером соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.П, коллектором соответствующего дополнительного транзистора 9.1-9.п, первым выводом соответствующего конденсатора 7.1-7.П, анодом соответствующего стабилитрона 8.1-8.п и анодом соответствующего диода 12.1-12.п. Выход каждого формирователя 3.1-З.п соединен с базой соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.П и анодом соответствующего стабилитрона 4.1-4.п. Второй вывод каждого стабилитрона 4.1-4.П соединен с коллектором соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.П, первыми выводами соответствующих резисторов 5.1-5.П и 10.1-10.п. Шина питания каждого формирователя 3.1-З.п со0 единена с вторым выводом соответствующего конденсатора 7.1-7.П, катодом соответствующего стабилитрона 8.1-S.n, диода 6.1-б.п, диода 17.1-17.п и анодом соответствующего излучающего диода 16.1-16.п.

5 Второй вывод каждого резистора 5.1-б.п подключен к аноду соответствующего диода 6.1-б.п. Второй вывод каждого резистора 10.1-10.п подключен к катоду соответствующего диода 15.1-15.п, анод которого соеди0 нен с катодом соответствующего излучающего диода 16.1-16.п. База каждого дополнительного транзистора 9.1-Э.п подключена к катоду соответствующего диода 14.1-14.П и через соответствующий резистор

5 11.1-11.п - к катоду соответствующего диода 12.1-12.п, аноду соответствующего диода 17.1-17.П и первому выводу соответствующе- го конденсатора 13.1-13.п, второй вывод которого соединен с анодом соответствующего

0 диода 14.1-14.п и эмиттером соответствующего дополнительного транзистора 9.1-9.п. Оптический вывод каждого излучающего диода подключен к входу соответствующего приемника 18.1-18.п оптического излучения,

5 выводы которых соединены с соответствующими входами блока 19 сравнения. Выход блока 19 подключен ко второму управляющему входу генератора 1, а его п + 1-й вход соединен с входной шиной 20 устройства.

0 Высоковольтный транзисторный переключатель работает следующим образом.

В исходном состоянии генератор 1 выключен, все коммутирующие транзисторы 2.1-2.П закрыты. Делитель из резисторов

5 5.1-5.П и стабилитронов 8.1-З.п обеспечивает равномерное распределение напряжения по коммутирующим транзисторам 2.1-2.П, Конденсаторы 7.1-7.П заряжены до напряжения пробоя стабилитронов 8.1-8.п.

0 Диоды 15.1-15.П заперты обратным напряжением. Рабочий ток через излучающие диоды 16.1-16.п не протекает, и сигнал на входах приемников 18.1-18.п равен нулю. На всех входах блока 19 сравнения напря5 жение имеет один уровень и сигнал на его выходе равен нулю. Конденсаторы 13 разряжены.

Поступающий по входной шине устройства управляющий импульс (на фиг. 2 Hex) попадает на входы блока 19 сравнения и

генератора 1, при этом на выходе генератора 1 появляется оптическое излучение (на фиг. 2 Рген), которое по оптическим волноводам поступает на входы формирователей 3.1-3.п. При этом диэлектрические волноводы, кроме передачи мощности электромагнитного излучения на входы формирователей 3.1-З.п, осуществляют электрическую развязку формирователей 3.1-З.п и транзисторов 2.1-2.П с генератором 1 и между собой. Формирователи 3.1-З.п вырабатывают управляющие импульсы тока, которые поступают в базы коммутирующих транзисторов 2.1-2.П (на фиг. 2 1б.1-1бп). Транзисторы отпираются, напряжение на их коллекторах уменьшается (на фиг. 2 11кэ1-икэп). Напряжение на выходе устройства (на фиг. 2 1)Вых), являющееся суммой напряжений на транзисторах 2.1-2.п, также уменьшается, при этом на выходе устройства формируется фронт импульса. Когда напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора 2 становится меньше напряжения, до которого заряжен конденсатор 7, через излучающий диод 16, диод 15, резистор 10 и коммутирующий транзистор 2 начинает протекать ток в прямом направлении, ограничиваемый сопротивлением резистора 10, при этом излучающий диод начинает генерировать импульс оптического излучения. Последний по диэлектрическому волноводу поступает на вход соответствующего приемника 18.1-18.П оптического излучения и преобразуется им в импульс напряжения (на фиг. 2 Unpi-Unp.n). При этом диоды 6.1-б.п исключают разряд конденсаторов 7.1-7.П через резисторы 5.1-5.П и далее через открытые транзисторы 2.1-2.П, а диэлектрические волноводы обеспечивают электрическую развязку излучающих диодов 16.1-16.п с приемниками 18.1-18.п и между собой. Таким образом на входы блока 19 сравнения поступают импульсы контроля напряжения на транзисторах 2.1-2.П, фронт каждого из которых совпадает с моментом открывания соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.п. С началом открытия коммутирующих транзисторов начинается протекание импульса рабочего тока от выходной шины 21 устройства через упомянутые транзисторы 2 к общей шине 22, который заряжает включенные последовательно с коммутирующими транзисторами 2.1-2.П конденсаторы 13.1-13.п. Напряжение на конденсаторах 13.1-13.п постепенно повышается (на фиг. 2 Deis), при этом протекание тока в обход конденсатора 13.1-13.п через коллекторно-эмиттерную цепь транзисторов 9.1-Э.п исключается благодаря запиранию этих транзисторов отрицательным смещением, подаваемым на их базы с диодов 14.1-14.п при протекании через них рабочего тока устройства.

В момент окончания управляющего импульса на входе устройства генератор 1 выключается. Поступление оптического излучения на вход формирователей 3.1-З.п прекращается, что приводит к окончанию импульсов тока с выходов этих формирователей в базы коммутирующих транзисторов

0 2.1-2.п. Эти транзисторы закрываются, напряжение на их коллекторах увеличивается, при этом формируется спад импульса на выходе устройства С повышением напряжения на коллекторах коммутирующих транзи5 сторов 2.1-2.П протекание тока через излучающие диоды 16.1-16.п прекращается, таким образом спад каждого импульса контроля напряжения на коммутирующих транзисторах 2.1-2.П также совпадает с

0 моментом закрывания соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.п. Конденсаторы 7.1-7.П, частично разрядившиеся за время наличия импульса устройства токами питания формирователей 3.1-З.п и излу5 чающих диодов 16.1-16.п, начинают дозаряжаться, до напряжения пробоя стабилитронов 8.1-8.П двумя путями. Токами через резисторы 5.1-5.П и диоды 6.1-б.п с коллектором запертых коммутирующих

0 транзисторов 2.1-2.п. Токами разряда конденсаторов 13.1-13.п, которые зарядились импульсом рабочего тока устройства через отпертые коммутирующие транзисторы до напряжения, превышающего напряжение

5 пробоя стабилитронов 8.1-8.п. При этом ток разряда конденсатора 13.1-13.п протекаете верхней (фиг. 1) обкладки через диод 17 к конденсатору 7, далее через конденсатор 7, открытый транзистор 9 на нижнюю обклад0 ку конденсатора 13.1-13.п. В этот период времени транзистор 9.1-9.П находится в открытом состоянии благодаря поступлению тока в его базу от заряженного конденсатора 13.1-13.п через резистор 11.1-11.п, при

5 этом отрицательное смещение на базе этого транзистора уже отсутствует из-за окончания импульса тока через диод 14.1-14.п. После окончания дозарядки конденсатора 7.1-7.П разряд конденсатора 13.1-13.п про0 должается минуя конденсатор 7.1-7.П через стабилитрон 8.1-8.п. При понижении напряжения на конденсаторе 13.1-13.п ниже напряжения пробоя стабилитрона 8.1-в.п разряд конденсатора значительно замедля5 ется и может происходить только через резистор 11.1 -11.п и база-эмиттерный переход транзистора 9.1-9.п. Далее работа устройства повторяется в изложенной последовательности. В процессе работы устройства блок 19 сравнения осуществляет, по поступающим на входы контрольным импульсам непрерывный контроль взаимной синхронности переключения коммутирующих транзисторов 2.1-2.л и синхронности с управляющим импульсом, поступающим по входной шине устройства. При нормальной работе устройства напряжение на выходе блока 19 сравнения отсутствует (на фиг. 2 Уконтроля). При появлении сбоя или отказа в работе отдельных элементов устройства (например формирователя 3.1, как показано на фиг. 26), приводящего к возникновению асинхронизма в коммутации транзисторов 2.1-2.П как между собой, так и относительно полученного устройством управляющего импульса, на выходе блока сравнения 19 появляется сигнал (фиг. 26 Уконтр). Этот сигнал поступает на второй управляющий вход генератора 1 для выключения его. Таким образом исключается возможность разви- тия лавинного процесса выхода элементов устройства из строя при возникновении сбоев в его работе или отказе отдельных элементов. При этом кратковременные перенапряжения транзисторов устраняются работой стабилитронов 4.1-4.п.

В предлагаемом высоковольтном транзисторном переключателе источники питания управляющих цепей коммутирующих транзисторов выполнены в виде нако- пительных конденсаторов, подключенных через резистор и диод параллельно каждому коммутирующему транзистору. При этом за время нахождения коммутирующих транзисторов в проводящем состоянии происхо- дит частичный разряд накопительных конденсаторов потребителями. Восполнение этих потерь заряда реализуется двумя путями. При восполнении потерь заряда конденсатора током с коллектора коммути- рующего транзистора в паузе между форми- рованием импульсов устройством, полнота восполнения зависит от скважности формируемых устройством импульсов и уменьшается с уменьшением скважности, Возможность восполнения потерь заряда конденсатора током от дополнительного конденсатора, включенного последовательно с коммутирующим транзистором и заряжаемого импульсом рабочего тока, протекающего через устройство, не зависит от скважности формируемых устройством импульсов, а определяется величиной электрического заряда, протекающего через дополнительные конденсаторы за время импульса рабочего тока. Поэтому введение в высоковольтный транзисторный переключатель дополнительной схемы подзаряда индивидуальных источников питания коммутирующих транзисторов, выполненной на основе конденсаторов,

включенных последовательно с коммутирующими транзисторами, и соответствующих вспомогательных элементов (дополнительных диодов, транзисторов, резисторов), позволило существенно повысить максимальную частоту переключений устройства и обеспечить формирование устройством импульсов с малыми значениями скважности. При этом также, как и в устройстве-прототипе, время коммутации переключателя не превышает времени включения отдельного коммутирующего транзистора, а наличие системы автоматического контроля работы коммутирующих транзисторов обеспечивает его высокую работоспособность.

Таким образом, реализация в предлагаемом высоковольтном транзисторном переключателе возможности формирования импульсов с различными, включая малые, значениями скважности и большой частотой следования, в сочетании с малым временем переключения и высокой работоспособностью устройства, означает полное достижение поставленной цели изобретения.

Формула изобретения Высоковольтный транзисторный переключатель, содержащий генератор управляющих импульсов оптического излучения, управляющий вход которого соединен с входной шиной устройства, п-коммутирую- щих транзисторов, база-эмиттерный переход каждого из которых подключен к выходу соответствующего формирователя управляющих импульсов, входы которых соединены с выходом генератора управляющих импульсов диэлектрическими волноводами, база-коллекторный переход каждого коммутирующего транзистора шунтирован первым стабилитроном, а между коллектором и эмиттером каждого коммутирующего транзистора включена цепочка из последовательно соединенных резистора, диода и конденсатора, который шунтирован вторым стабилитроном, причем объединенные выводы конденсатора, диода и второго стабилитрона соединены с шиной питания соответствующего формирователя управляющих импульсов, n-приемников оптического излучения, выходы которых подключены к входам n+1-входового блока сравнения, выход которого соединен с вторым управляющим входом генератора управляющих импульсов, а (п+1)-й вход соединен с входной шиной устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия введены п первых цепочек из соединенных последовательно и согласно первого дополнительного диода, дополнительного конденсатора и второго дополнительного диода, п вторых цепочек из соединенных последовательно и согласно излучающего диода, третьего дополнительного диода и первого дополнительного резистора, п дополнитель- ных транзисторов, п четвертых дополнительных диодов и п вторых дополнительных резисторов, причем коллекторно-эмиттерные цепи коммутирующих транзисторов соединены одна с другой в последовательную цепь через подключенные к ним согласно первые введенные цепочки, при этом эмиттер первого транзистора подключен через упомянутую первую цепочку к общей шине, а коллектор n-го транзистора - к выходной шине, коллек- тор каждого дополнительного транзистора соединен с эмиттером соответствующего коммутирующего транзистора и первым выводом первого дополнительного диода, его база подключена через соответствующий

второй дополнительный резистор к второму выводу первого дополнительного диода и первому выводу дополнительного конденсатора, а также через соединенные последовательно и согласно соответствующие четвертый дополнительный диод и вторую цепочку к коллектору коммутирующего транзистора, при этом одноименные выводы четвертого дополнительного диода и второго стабилитрона, а также разноименный вывод излучающего диода объединены, эмиттер дополнительного транзистора подключен к второму выводу дополнительного конденсатора и первому выводу второго дополнительного диода, второй вывод которого соединен с базой дополнительного транзистора, а оптический выход каждого излучающего диода подключен через диэлектрический волновод к входу соответствующего приемника оптического излучения.

Использование: изобретение относится к импульсной технике и предназначено для Зп 4(Э L использования в импульсных модуляторах, стабилизаторах. Сущность изобретения: устройство содержит 1 генератор управляющих импульсов оптического излучения 1, n-коммутирующих транзисторов (2), п формирователей управляющих импульсов 3, п стабилитронов 4, 8, п резисторов 5,10, 11, п конденсаторов 7, 13, п диодов 6, 12, 14, 15, 17, п дополнительных транзисторных транзисторов 9, п излучающих диодов 16, п приемников оптического излучения 18, 1 блок сравнения 19, 1 входную шину 20, 1 выходную шину 21, 1 общую шину (22). 3 ил, О Ј/ со с XI ;СО : ihO О OJ Э L rtw. Ф/j/ ,

fa

Ј

70л

и™

then

U

w

икантропя

UciS

X,

П

t

Фи- i

Ъ

т

1

/

Lru-i

Выход

ho-j-w- I

фиг.З