Переключатель полярности источника питания постоянного тока
Полезная модель «Переключатель полярности источника питания постоянного тока» относится к области электронной бесконтактной коммутации и может быть использована при производстве гальванических покрытий, в электроприводах постоянного тока, в термоэлектрических устройствах нагрева-охлаждения.
Задача полезной модели - упрощение схемы управления и защиты от сквозных токов силовых ключей с оптической развязкой, объединенных в мостовую схему, состоящую из двух параллельно включенных пар последовательно соединенных полевых транзисторов, а также уменьшение габаритов за счет снижения потерь на тепловыделение.
Для достижения технического результата в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными полевыми транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки транзисторов с однотипными каналами соединены друг с другом и клеммами подключения источника питания, истоки транзисторов с разнотипными каналами соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.
Полезная модель относится к области электронной бесконтактной коммутации и может быть использована, например, в электроприводах постоянного тока, при производстве гальванических покрытий, в термоэлектрических устройствах нагрева-охлаждения, то есть в тех случаях, когда для нормального функционирования электрических устройств или технологических процессов необходимо переключение полярности питающего напряжения.
Известен реверсивный переключатель, содержащий мостовую схему на четырех силовых транзисторах разной проводимости и схему предотвращения сквозных токов, содержащую четыре дополнительных транзистора, два диода, четыре резистора и группу логических элементов «и» (Патент RU 
2140128, С1, кл Н03К 017/66, 2001 г.). Однако этот переключатель эффективно работает лишь на индуктивную нагрузку, что не позволяет использовать его, например, в термоэлектрических устройствах.
В качестве прототипа принято твердотельное реле «Модуль силовой полумоста с оптической развязкой 5П64.GD», выпускаемый ЗАО «Протон-Импульс» г.Орел (описание модуля прилагается в разделе «Другие документы»). Данный модуль содержит одну пару из двух соединенных последовательно IGBT транзисторов, затворы которых подключены к схеме управления и защиты, соединенной через оптроны со схемой входной логики, подключаемой к выходным цепям микропроцессора. Для работы в качестве переключателя полярности источника постоянного напряжения необходимо использование двух таких модулей путем параллельного соединения одноименных клемм коммутируемого источника.
Недостатками прототипа являются сложность схем управления силовыми ключами и их защиты от сквозных потоков, а так же большие потери на рассеиваемую тепловую мощность, в результате чего необходимо использование достаточно громоздких теплоотводящих радиаторов.
Задача полезной модели - упрощение схемы управления и защиты силовых транзисторов от сквозных токов и уменьшение габаритов за счет снижения тепловой мощности, отводимой от транзисторов.
Технический результат достигается тем, что объединенные в мостовую схему две параллельно включенные пары из двух используемых в качестве силовых ключей последовательно соединенных полевых транзисторов, затворы которых через оптроны соединены с цепями управления, подключаемыми к выходным цепям управляющего микропроцессора, согласно полезной модели, отличаются тем, что в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки полевых транзисторов с однотипными каналами соединены в каждой паре друг с другом и с клеммами подключения источника питания, истоки полевых транзисторов с разнотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.
На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема переключателя, а на фиг.2 - фотография опытного образца полезной модели.
Переключатель содержит подключенные к клеммам 1 источника питания две параллельно включенные пары, каждая из которых состоит из двух встречно-последовательно соединенных МДП транзисторов с индуцированными каналами n-типа и p-типа.
Одна пара образована транзистором 2 с каналом n-типа и транзистором 3 с каналом p-типа, другая пара - транзистором 4 с каналом n-типа и транзистором 5 с каналом p-типа. Стоки полевых транзисторов 2 и 4 с однотипными каналами, соединены друг с другом и подключены к минусовой клемме источника питания, соответственно стоки транзисторов 3 и 5 соединены друг с другом и подключены к плюсовой клемме источника питания. Истоки полевых транзисторов 2, 3 и соответственно, транзисторов 4, 5 соединены друг с другом и клеммами 6 подключения нагрузки, а затворы этих транзисторов соединены с выходными цепями оптронов 7, 8, 9, 10, входные цепи которых через ограничительные резисторы 11 и диоды 12 соединены встречно-параллельно друг с другом и клеммами 13 управления переключателем.
Полезная модель работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда на шины управления с клемм 13 от управляющего микропроцессора не подано напряжение включения светодиодов оптронов 7, 8, 9, 10, силовые транзисторы 2, 3, 4, 5 закрыты и следовательно, нагрузка, подключенная к клеммам 6, отключена от источника питания, соединенного с клеммами 1.
При подаче положительного управляющего напряжения на одну из шин клемм 13, например, на верхнюю по фиг.1 шину, срабатывают оптроны 7 и 10 и открываются транзисторы 2 и 5, осуществляя тем самым подключение нагрузки к источнику; при этом плюсовая клемма 1 источника питания оказывается подключенной к правой (по фиг.1) клемме 6 нагрузки, и соответственно, минусовая клемма 1 источника питания будет подключена к левой по схеме клемме 6 нагрузки. При подаче управляющего напряжения на нижнюю шину клемм 13 аналогичным образом сработают оптроны 8 и 9, откроются транзисторы 3 и 4, в результате чего полярность источника питания к клеммах 6 нагрузки реверсируется.
Благодаря встречно-параллельному соединению входных цепей оптронов 7, 8, 9, 10 через диоды 12 и резисторы 11 с шинами управления при сбое управляющего микропроцессора, когда на обоих шинах управления могут появиться положительные сигналы, входные токи всех оптронов становятся равными нулю, что приводит к отключению нагрузки от источника питания. Появление на «нулевой» шине управления импульсной помехи положительной полярности с амплитудой, равной или превышающей амплитуду сигналов управления, либо появление на работающей шине управления импульсной помехи отрицательной полярности с соответствующей амплитудой, также приводят к кратковременному (на время длительности импульса помехи) отключению нагрузки от источника питания. При этом резисторы 11 ограничивают входной ток светодиодов оптронов 7, 8, 9, 10 от положительных импульсов помех с амплитудой, превышающей напряжение управления, а диоды 12 обеспечивают защиту указанных светодиодов при наличии импульсных помех отрицательной полярности с амплитудой, превышающей допустимые значения обратных напряжений этих светодиодов. Аналогичным образом примененная в полезной модели мостовая схема из последовательно соединенных транзисторов 2, 3 и 4, 5 с разнотипными каналами обеспечивает эффективную защиту от сквозных токов при воздействии на затворы этих транзисторов импульсных помех, наводимых на цепи источника питания. Если все транзисторы 2, 3, 4, 5 закрыты (нагрузка отключена от источника питания), импульсные помехи положительной полярности могут вызывать одновременное открывание транзисторов 2 и 4 и при этом одновременное приращение напряжения закрывания закрытых транзисторов 3 и 5, при этом нагрузка остается отключенной от источника питания. Аналогично при воздействии импульсных помех отрицательной полярности открываются транзисторы 3 и 5 и остаются закрытыми транзисторы 2 и 4. Если же нагрузка подключена к источнику питания, т.е. открыты транзисторы 3 и 4, либо 2 и 5, то импульсная помеха любой полярности может вызывать только закрытие соответствующего открытого транзистора, что приведет к кратковременному на время длительности импульса помехи отключению нагрузки, не приводящему к ухудшению функционирования инерционных процессов или устройств, упомянутых в области использования данной полезной модели.
Применение в качестве силовых ключей полевых транзисторов со сверхнизким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, выполненных с HEXFET структурой кристалла и получивших название MOSFET-транзисторов, позволяет уменьшить энергетические потери и исключить использование в полезной модели громоздких теплоотводящих радиаторов (описание «Новые MOSFET транзисторы семейства IRFP4» прилагается в разделе «Другие документы»). Например, при использовании транзисторов NP100 (транзисторы 3, 5) и транзисторов IRF1404 (транзисторы 2, 4), имеющих сопротивление в открытом состоянии 0,004 Ом при токе нагрузки 20 А, падение напряжения на одном транзисторе составит 0,004×20=0,08 В, а мощность тепловыделения не превысит 0,08В×20А=1,6 Вт, в то время как допустимая тепловая мощность при работе этих транзисторов без радиаторов составляет 2 Вт. Для сравнения отметим, что тепловая мощность, выделяемого прототипом при коммутации постоянного тока 20 А составит (см. прилагаемую техническую характеристику) 3,2В×20А=64 Вт. При этом габариты двух объединенных в мостовую схему полумостов прототипа составят, мм 150×93×42, в то время, как габариты опытного образца полезной модели, представленного на фиг.2, имеют размеры 90×60×18 (мм).
Как видно из фиг.2, высота полезной модели определяется высотой клеммников 1 и 6. Силовые транзисторы полезной модели смонтированы на теплоотводящих участках печатной платы, что позволяет переключать токи до 40 А с допустимой рабочей температурой транзисторов. При установке на этих участках радиаторов, не увеличивающих высоту полезной модели, последняя обеспечивает коммутацию токов до 100 А.
Таким образом, преимуществами заявляемой по сравнению с прототипом полезной модели являются более простая и следовательно, более надежная схема управления и защиты силовых транзисторов от сквозных токов, меньшие потери на тепловыделение, и как следствие этого, более компактная конструкция.
Переключатель полярности источника питания постоянного тока, содержащий объединенные в мостовую схему две параллельно включенные пары из двух используемых в качестве силовых ключей последовательно соединенных транзисторов, затворы которых через оптроны соединены с цепями управления, подключаемыми к выходным цепям управляющего микропроцессора, отличающийся тем, что в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки полевых транзисторов с однотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения источника питания, истоки полевых транзисторов с разнотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.
