Ключевой элемент переменного тока Советский патент 1992 года по МПК G05F1/44 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение преимущественно в устройствах для защиты радиоэлектронной аппаратуры от перенапряжений в питающей сети переменного тока, а также в регуляторах переменного напряжения.

Известно устройство для защиты нагрузки от перенапряжений (авт. свид. по заявке Н 4676139/24-07 от 11.04,89, но которой имеется положительное решение от 27.04„90). В составе этого устройства имеется ключевой элемент переменного тока, содержащий два силовых транзистора, два силовых диода, два ограничительных диода, два резистора, трансформатор с двумя обмотками, первая из которых снабжена двумя симметричными

отводами, управляющий транзистор, а также двухполуиериодный выпрямитель. Основным недостатком этого известного ключевого элемента является отсутствие защиты при коротких замыканиях.

Известен стабилизатор постоянного напряжения (авт.свид. по заявке № 4729608/24-07 от 15.08.89, по которой имеется положительное решение от 08о02 90). В составе этого стабилизатора имеется ключевой элемент, являющийся ближайшим аналогом предлагаемого устройства, который принимается в качестве прототипа. Он содержит первый и второй силовые транзисторы, первый и второй силовые диоды, первый и второй ограничительные диоды, резистор, трансформатор с тремя обмотками, первая из которых снабжена двумя симVJел

00

о

со о

матричными отводами, управляющий транзистор, а также двухполупериодный выпрямите 1ь. Его вход подкпточен параллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллектор-эмиттерная цепь управляющего транзистора. Коллекторы первого и второго силовых транзисторов соединены с катодами соответст- вующих силовых диодов, к которым присоединены соответственно входная и выходная шины. Третья обмотка трансформатора, соединенная согласно относительно первой /обмотки,, включена по- следовательно с первым резистором между входной и общей шинами, причем к отводам первой обмотки трансформатора подключены эмиттеры, соответствую

с первым резистором между входной и общей шинами. К отводам первой обмотки трансформатора подключены эмиттеры соответствующих силовых транзисторов и аноды ограничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов. К база-эмиттерно- му переходу первого управляющего транзистора присоединены выводы для подключения блока управления.

В отличие от прототипа в ключевой элемент введены второй и третий управляющие транзисторы, первый, вто- рой третий и четвертый разделительные диоды, второй, третий и четвертый резисторы, а также транзисторная оп- топара, пороговый элемент и делитель

Использование: в устройствах для защиты радиоэлектронной аппарату- 1ры от перенанряяения в питающей сети переменного тока, а также в регуляторах переменного напряжения. Сущность изобретения: в устройство введены два управляющих транзистора, четыре разделительных диода, три резистора, транзисторная онтопара, пороговый элемент и делитель напряжения. Это позволяет при к.з. в нагрузке исключить многократные повторные включения силовых транзисторов, которые могут привести к их отказу ввиду конечной величины времени срабатывания защитыо 2 ил.

ющих силовых транзисторов и аноды ог- 20 напряжения. Первая обмотка трансферраничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов. К база-эмиттерному переходу управляющего транзистора присоединены выводы для подключения блока управ-25 Ды первого и второго силовых диодов ления. Недостаток этого известного и первый входной вывод делителя на-

ключевого элемента состоит в отсутствии защиты при аварийном коротком замыкании.

Целью изобретения является устра- нение отмеченного недостатка, а именно, обеспечение защиты при аварийном

коротком замыкании выходной и общей шин при одновременном исключении повторных включений в течение каждого иолупериода напряжения питания.

Сущность состоит в том, что предлагаемый ключевой элемент переменного тока аналогично прототипу содержит первый и второй силовые транзисторы, первый и второй силовые диоды, первый и второй ограничительные диоды, первый резистор и трансформатор с тремя обмотками, первая из которых снабжена двумя симметричными отводами, а также первый управляющий транзистор и двухполупериодный выпрямитель. Его вход подключен параллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллектор-эмиттерная цепь первого управ™ ляющего транзистора. Коллекторы первого и второго силовых транзисторов соединены с катодами соответствующих силовых диодов, к которым присоединены соответственно входная и выходная шины. Третья обмотка трансформатора,, соединенная согласно относительно первой обмотки, включена последовательно

матора снабжена отводом от средней точки, к которому подключены соединенные между собой эмиттеры первого и второго управляющих транзисторов, ано-о

0

пряжения. Его второй входной вывод подключен к первому выводу второго резистора и к катодам первого и второго разделительных диодов. Аноды последних подключены соответственно ко входной и выходкой шинам. Между базами каждого из силовых транзисторов и соответствующими крайними выводами

первой обмотки трансформатора включены соответственно третий и четвертый резисторы. Коллектор первого управляющего транзистора через светодиод onтонары соединен с коллектором третъ его управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору второго управляющего транзистора. База последнего соединена непосредственно с эмиттером фототранзистора оптопары

- и через пороговый элемент подключена к соединенным между собой катодам третьего и четвертого разделительных диодов. Аноды последних подключены к эмиттерам соответствующих силовых

Q транзисторов, а база третьего управляющего транзистора соединена с выходным выводом делителя напряжения. При этом коллектор транзистора оптопары соединен со вторым выводом второго резистора.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого ключевого элемента

5

10

20

переменного тока, а на фиг. 2 - вре- менные диаграммы напряжений и токов

Предлагаемый ключевой элемент (фиг. 1) аналогично прототипу содержит первый 1 и второй 2 силовые транзисторы, первый 3 и второй 4 силовые диоды, первый 5 и второй 6 ограничительные диоды, первый резистор 7, трансформатор 8 с первой 9, второй 10 и третз ей 11 обмотками, первый управляющий транзистор 12, а, также двух- полупериодный выпрямитель 13. Первая обмотка 9 трансформатора 8 снабжена двумя симметричными отводами 14, 15; имеются также входная 16, выходная 17 и общая 18 шины.

В отличие от прототипа в устройство введены дополнительно второй 19 и третий 20 управляющие транзисторы, первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 разделительные диоды, второй 255 третий 26 и четвертый 27 резисторы, транзисторная оптопара 28, пороговый элемент 29 (например,( стаби-25 литрон), а также депитель 30 напряжения „ Первая обмотка 9 трансформатора 8 снабжена отводом 31 от средней точки.

При этом аналогично прототипу вход двухполупериодного выпрямителя 13 подключен параллельно второй обмотке 10 трансформатора 8. Параллельно выходу выпрямителя 13 подключена коллек- тор-эмиттерная цепь первого управляющего транзистора 12. Коллекторы силовых транзисторов 1 и 2 соединены с катодами соответствующих силовых диодов 3 и 4, к которым присоединены соответственно входная 16 и выходная 17 шины. Обмотка 11 трансформатора 8, соединенная согласно относительно обмотки 9, включена последовательно с резистором 7 между входной 16 и об-

22, аноды которых подключены соответственно ко входной 16 и выходной 17 шинам. Между базами каждого из транзисторов 1, 2 и соответствующими край ними выводами обмотки 9 трансформатора 8 включены соответственно резис- -торы 26 и 27. Коллектор транзистора 12 через светодиод оптопары 28 соединен с коллектором транзистора 20, эми тер которого подключен к коллектору транзистора 19, База последнего соединена с эмиттером фототранзистора оптопары 28 и через пороговый элемент 15 29 подключена к соединенным между собой катодам диодов 23, 24, аноды которых подключены к эмиттерам соответствующих силовых транзисторов 1 и 2. База транзистора 20 соединена с выходным выводом делителя 300 Коллектор фототранзистора оптопары 28 соединен со вторым выводом резистора 25. В ряде случаев между коллектором фототранзистора и выводом 31 может быть включен стабилитрон 32. Он ограничивает напряжение на коллекторе фототранзистора оптопары 28 на ,уровне, не превышающем допустимое зна- |чение. Ваза-эмиттерные переходы транзисторов 12 и {9 зашунтнрованы резисторами 33, 34. Между коллекторами транзисторов 1, 2 в ряде случаев может быть включен конденсатор 35.

30

35

40

Предлагаемый ключевой элемент работает следующим образом. При подаче переменного напряжения питания Е на шины 16, 18 через резистор 7 и обмотку 11 трансформатора 8 начинается протекание тока. Если в цепи базы управляющего транзистора 12 ток управления 1упр равен нулю, то в цепи базп того или иного силового транзистора (например, транзистора 1) появляется ток,

щей 18 шинами. К отводам 14,15 обмот- обеспечивающий его насыщение, посколь- 9 трансфрорматора 8 подключены Ку обмотки 9 и 11

ки

эмиттеры соответствующих транзисторов 1 и 2 и аноды ограничительных диодов 5 и 6, катоды которых соединены с базами транзисторов 1 и 2.

В отличие от прототипа к отводу 31 от средней точки обмотки 9 трансформатора 8 подключены соединенные между собой эмиттеры транзисторов 12, 19, аноды диодов 3, 4 и первый входной вывод. (нижний на фиг. 1) делителя 30. Его второй входной вывод подключен к соединенным между собой первому выводу резистора 25 и катодам диодов 2.1,

(фиг. 2, а, б). В зистор 2 заперт. Ток I

50

55

включены согласно то тсе время тран-

„Ы)( В ВЫХОДНОЙ

цепи ключевого элемента протекает по время положительного полупериода напряжения сети Е через насыщенный транзистор 1, правую половину средней секции обмотки 9 (между PUBодами 14 и 31)и диод 4. Это создает положительную обратную связь (НОС) г,т току: чем больше Igbix тем больший гок нлподиг- ся в крайней левой гекипп обмотки 9 и в цепи базы транзистора 1 (,фпг,2,в). Аналогичным образом ток Тр,, РО яро0

0

5

22, аноды которых подключены соответственно ко входной 16 и выходной 17 шинам. Между базами каждого из транзисторов 1, 2 и соответствующими крайними выводами обмотки 9 трансформатора 8 включены соответственно резис- -торы 26 и 27. Коллектор транзистора 12 через светодиод оптопары 28 соединен с коллектором транзистора 20, эмиттер которого подключен к коллектору транзистора 19, База последнего соединена с эмиттером фототранзистора оптопары 28 и через пороговый элемент 5 29 подключена к соединенным между собой катодам диодов 23, 24, аноды которых подключены к эмиттерам соответствующих силовых транзисторов 1 и 2. База транзистора 20 соединена с выходным выводом делителя 300 Коллектор фототранзистора оптопары 28 соединен со вторым выводом резистора 25. В ряде случаев между коллектором фототранзистора и выводом 31 может быть включен стабилитрон 32. Он ограничивает напряжение на коллекторе фототранзистора оптопары 28 на ,уровне, не превышающем допустимое зна- |чение. Ваза-эмиттерные переходы транзисторов 12 и {9 зашунтнрованы резисторами 33, 34. Между коллекторами транзисторов 1, 2 в ряде случаев может быть включен конденсатор 35.

0

Предлагаемый ключевой элемент работает следующим образом. При подаче переменного напряжения питания Е на шины 16, 18 через резистор 7 и обмотку 11 трансформатора 8 начинается протекание тока. Если в цепи базы управляющего транзистора 12 ток управления 1упр равен нулю, то в цепи базп того или иного силового транзистора (наприобеспечивающий его насыщение, посколь- Ку обмотки 9 и 11

(фиг. 2, а, б). В зистор 2 заперт. Ток I

0

5

включены согласно то тсе время тран-

„Ы)( В ВЫХОДНОЙ

цепи ключевого элемента протекает по время положительного полупериода напряжения сети Е через насыщенный транзистор 1, правую половину средней секции обмотки 9 (между PUBодами 14 и 31)и диод 4. Это создает положительную обратную связь (НОС) г,т току: чем больше Igbix тем больший гок нлподиг- ся в крайней левой гекипп обмотки 9 и в цепи базы транзистора 1 (,фпг,2,в). Аналогичным образом ток Тр,, РО яромя отрицательного полупериода протекает через насыщенный транзистор 2, правую половину средней секции обмотки 9 (между выводами 15 и 31) и диод 3 транзистор 1 и диод 4 при этом заперты.

Регулирование выходного тока 1ВЬ|х осуществляется путем подачи в интервалы времени (1, Т) импульсов уп- равняющего тока 1цпр, вызывающих насыщение транзистора 13. При этом обмотка 10 у трансформатора 8 в течение этих интервалов оказывается практически коротко-замкнутой через вы- прямителъ 13 и насыщенный транзистор 12, что и обеспечивает запирание того или иного силового транзистора 1 или 2 и прекращение тока I gbix (фиг,2,б, в). Напряжение Е к на ключевом элементе, т.е. между шинами 16 и 17 или между коллекторами запертых транзисторов 1, 2 на интервале времени (Тц, Та) имеет форму знакопеременных импульсов (фиг, 2,г). Очевидно, что путем изменения длительности интервала (Тч Тл) может регулироваться выходной ток Igb|X . Интервал времени, соответствующий интервалу проводимости ключевого элемента в этих условиях, на фиг. 2, в заштрихован. В момент Т г окончания управляющего импульса Iunp транзистор 2 запирается и шунтирование сЗкоток трансформатора 8 прекращается. Благодаря этому при дей ствии описанной выше ПОС по току обеспечивается вновь насыщение какого-либо из силовых транзисторов 1 или 2,

Напряжение Е а на левой или правой половинах средней секции обмотки 9 при нормальной величине тока I gb|X в интервале проводимости (заштрихован на фиг. 2, в) оказывается недостаточ

ным для отпирания порогового элемен- дд (пробные) включения силовых транта 29, поэтому транзистор 19 остается запертым. Падение напряжения Е« на ключевом элементе в том же интервале проводимости мало, так как транзисторы 1 или 2 насыщены. Напряжение Е30 „ на выходе делитапя 30, подключенного к силовым транзисторам 1, 2 через диоды 21, 22, оказывается настолько малым, что транзистор 20 остается заперзисторов 1, 2, которые могут привести к inc отказу ввиду конечной величи ны Т Ј времени срабатывания защиты.

Время срабатывания Тс защиты (фиг. 2, д) определяется полосой про пускания элементов схемы и может составлять долишш единицы микросекунд. Для облегчения режима выключения тра зисторов 1 или 2 может быть использо ван конденсатор 35. Для ограничения скорости нарастания тока при аварийном коротком замыкании в течение времени Т в ряде случаев может быть использована индуктивность 36, вклю

тым.

Ограничительные диоды 5, 6 обеспечивают загдату база-эмиттерных переходов транзисторов 1, 2 в момент их

0

Q

5

запирания путем ограничения амплитуды запирающего напряжения.

Если в момент Т3 произойдет аварийное короткое замыкание в нагрузке, подключенной между шинами 17, 18, возрастание тока 16ыхдо значения 1макс приведет к тому, что падение напряжения Eg на правой кпи левой половинах средней секщш обмотки 9 (выводы 15, 31 или 31, 14) резко возрастает. В то же время тот или иной транзистор 1 или 2 выйдет из состояния насыщения и перейдет в активный режим, что вызовет увеличение падения напряжения Е к (фиг. 2, д, е). Действие ПОС по току в этих условиях уменьшится из- за наличия токоограничивающих транзисторов 26, 27 в цепях баз транзисторов 1, 2. Напряжение Е„ через диоды 23 или 24 поступает.на пороговый элемент 29, который при этом отпирается; как следствие, отпирается и транзистор 19. Увеличенное падение напряжения Ек через диоды 21 или 22 и делитель 30 поступает на базу транзистора 20 и отпирает его. Как следствие, обмотка 10 оказывается зашунтирован- ной через выпрямитель 13, светодиод оптонары 28 и открытые транзисторы 19, 20. Этим обеспечивается запирание силовых транзисторов; одновременно из-за излучения света светодиодом в оптопаре 28 отпирается фототранзистор, коллекторная цепь которого запи- тывается напряжением Е через резистор 25. Ток эмиттера фототтранзисто- ра протекает через базовую цепь транзистора 19 и удерживает его в открытом состоянии до конца оставшейся части полупериода (т0е„ в течение интервала (Т3, Т/2), где Т -.период напряжения питания, фиг. 2, д. е), В результате исключаются повторные

зисторов 1, 2, которые могут привести к inc отказу ввиду конечной величины Т Ј времени срабатывания защиты.

Время срабатывания Тс защиты (фиг. 2, д) определяется полосой пропускания элементов схемы и может составлять долишш единицы микросекунд.. Для облегчения режима выключения транзисторов 1 или 2 может быть использован конденсатор 35. Для ограничения скорости нарастания тока при аварийном коротком замыкании в течение времени Т в ряде случаев может быть использована индуктивность 36, вклю

ченная последовательно с шинами 16 или 18.

Итак, положительный эффект от ис-, пользования предлагаемого ключевого элемента состоит в обеспечении защиты от коротких замыканий при отсутствии повторных (пробных) включений. Последнее способствует повышению надежности, так как уменьшается мощ- ность, рассеиваемая в силовых транзисторах

Формула изобретения

Ключевой элемент переменного тока, содержащий первый и второй силовые транзисторы, первый и второй силовые диоды, первый и второй ограничительные диоды, первый резистор, трансфер- матор с тремя обмотками, первая из которых снабжена двумя симметричными отводами, а также первый управляющий транзистор, двухполупериодный выпрямитель, вход которого подключен па- раллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллекторэмиттерная цепь первого управляющего транзистора, при этом коллекторы первого и второго силог-ых транзисторов соединены с катодами соответствующих силовых диодов, к которым присоединены соответственно входная и выходная шины, а третья обмотка трансформатора, со- единенная согласно относительно первой обмотки, включена последовательно с первым резистором между входной и общей шинами, причем к отводам первой обмотки трансформатора подключе- ны эмиттеры соответствующих силовых транзисторов и аноды ограничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов, а к базаэмиттерному переходу первого управляющего транзистора присоединены выводы для подключения блока управления, отличающийся тем, что,

, Q

5

0 5 о о с

с целью повышения надежности путем обеспечения зашиты при аварийном коротком замыкании выходной и общей шины при одновременном исключении повторных включений в течение каждого нолупернода напряжения питания, в пего введены второй и третий управляющие транзисторы, первый, второй, третий и четвертый разделительные диоды, второй, третий и четвертый резисторы, а также транзисторная оптопара, пороговый элемент и делитель напряжения, а первая обмотка трансформатора снабжена отводом от средней точки, к которому подключены соединенные между собой эмиттеры первого и второго управляющих транзисторов, аноды первого и второго силовых диодов и первый входной вывод делителя напряжения, второй входной вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к катодам первого и второго разделительных диодов, аноды которых подключены соответственно к входной и выходной шинам, а между базами каждого из силовых транзисторов и соответствующими крайними выводами первой обмотки трансформатора включены соответственно третий и четвертый резисторы, причем коллектор первого управляющего транзистора через светодиод оптопары соединен с коллектором третьего управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору второго управляющего транзистора, база которого соединена непосредственно с эмиттером фототран- зистора оптопары и через пороговый элемент подключена к соединенным между собой катодам третьего и четвертого разделительных диодов, аноды которых подключены к эмиттерам соответствующих силовых транзисторов, а база третьего управляющего транзистора соединена с выходным выводом делителя напряжения, при этом коллектор транзистора оптопары соединен с вторым выводом второго резистора.

&ue. /