Коммутатор напряжения
Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках питания. Технический результат заключается в повышении энергетических характеристик, в повышении надежности и в уменьшении погрешности срабатывания порога защиты по току от технологического разброса параметров элементов и при изменении температуры окружающей среды.
Коммутатор напряжения содержит электронный ключ на МОП-транзисторе с N-каналом, датчик тока и устройство управления. В предлагаемом устройстве улучшение энергетических характеристик и повышение надежности обеспечиваются за счет использования ключа на МОП-транзисторе c N-каналом с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии. Уменьшение погрешности порога ограничения тока достигается за счет использования термокомпенсированного стабилитрона и схемотехнического решения, которое не критично к технологическому разбросу элементов и изменению температуры окружающей среды. (Илл.)
Предлагаемое устройство относится к техническим средствам электронной техники и может быть использовано для коммутации напряжения от источника питания в блок нагрузки с накопителем энергии большой емкости с защитой от зарядного тока большого значения и с защитой при перегрузке по току и при коротком замыкании в блоке нагрузки.
Известен стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий электронный коммутатор, выполненный на транзисторе, ограничительный резистор и транзистор защиты (Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под редакцией Г.С.Невельта. Москва, «Радио и связь», 1986, с.189, рис.5.19).
Недостатком известного устройства является сложная схемотехника и конструкция, так как для питания схемы управления требуется дополнительный источник питания.
Известен электронный коммутатор напряжения, содержащий последовательно соединенные первую шину питания, первый интеллектуальный ключ, блок нагрузки, второй интеллектуальный ключ и вторую шину питания, при этом первая и вторая шины управления соединены соответственно с входом управления первого и второго интеллектуальных ключей (Патент РФ 
2210183 С2. Электронный коммутатор напряжения. - МПК: Н03К 17/08).
Известен электронный коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий датчик тока, электронный ключ, первый и второй релейные элементы, одновибратор, элемент И, триггер и элемент ИЛИ, при этом вывод датчика тока соединен с положительным полюсом источника напряжения, а выход датчика тока соединен с входом электронного ключа и входами первого и второго релейных элементов, выходы которых подключены соответственно к первому входу элемента ИЛИ и первому входу элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом одновибратора, подключенного своим входом к входу включения коммутатора и S-входу триггера, выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а R-вход триггера соединен с выходом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к входу выключения коммутатора, а третий вход элемента ИЛИ соединен с выходом элемента И (Патент РФ 2258302 С2. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. - МПК: Н03К 17/08).
Также известен коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные датчик тока нагрузки и электронный ключ, подключенные к блоку нагрузки (Патент РФ 2240647 С1. Коммутатор напряжения с защитой блока нагрузки от перегрузки по току - МПК: Н03К 17/08).
Недостатками этих устройств являются сложная схемотехника и, соответственно, большие материальные затраты на техническую реализацию.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, взятым за прототип, является коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току, содержащий последовательно соединенные шину положительного потенциала входного напряжения, датчик тока, электронный ключ, управляющий вход которого соединен через резистор с входной и выходной шинами отрицательного потенциала напряжения, при этом электронный ключ выполнен в виде двухтактного повторителя с n-p-n транзистором в цепи коммутируемого тока, и шину положительного потенциала выходного напряжения (Патент РФ 2335843 С2. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. - МПК: Н03К 17/08, Н02Н 9/02).
Недостатками прототипа являются низкие энергетические показатели из-за большого падения напряжения на датчике тока и на электронном ключе в режиме насыщения, зависимость порога защиты по току от технологического разброса параметров диода и p-n-p транзистора, низкая надежность силового транзистора ключа относительно вторичного пробоя, зависимость величины порога защиты по току от температуры.
Задачей решаемой предлагаемой полезной моделью является повышение надежности, уменьшения погрешности порога ограничения тока от температурных режимов и технологического разброса параметров радиоэлементов на электронном ключе.
Поставленная задача решается благодаря тому, что коммутатор напряжения, содержащий электронный ключ, датчик тока и устройство управления, где электронный ключ реализован на металл-оксид-полупроводниковом (МОП)-транзисторе с N-каналом, исток которого через датчик тока подключен к входной шине отрицательного потенциала, а сток подключен к выходной шине отрицательного потенциала, затвор и исток МОП-транзистора с N-каналом зашунтированы первым резистором устройства управления, причем затвор через второй резистор подключен к входной и к выходной шинам положительного потенциала, которые через третий резистор подключены к катоду термокомпенсированного стабилитрона устройства управления и к первым выводам четвертого и пятого резисторов устройства управления, причем второй вывод четвертого резистора через шестой резистор подключен к входной шине отрицательного потенциала и подключен к базе первого n-p-n транзистора, подключенного коллектором к катоду термокомпенсированного стабилитрона устройства управления, а эмиттером подключенного через седьмой резистор к входной шине отрицательного потенциала, причем эмиттер первого транзистора соединен с эмиттером второго n-p-n транзистора устройства управления, подключенного коллектором к затвору МОП-транзистора с N-каналом, а базой подключенного ко второму выводу пятого резистора устройства управления и через восьмой резистор, подключенного к истоку МОП-транзистора с N-каналом.
Кроме того, сток МОП-транзистора через девятый резистор устройства управления соединен с анодом диода, катод которого подключен к базе второго n-p-n транзистора устройства управления.
В предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, улучшение энергетических характеристик и повышение надежности обеспечиваются благодаря использованию электронного ключа на МОП-транзисторе с N-каналом с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, а снижение порога ограничения тока достигаются за счет использования элемента и схематического решения, которые не критичны к технологическому разбросу и изменению температуры окружающей среды.
Заявляемое устройство поясняется фиг.1, где приведена схема коммутатора напряжения. На схеме показано:
1 - электронный ключ на МОП-транзисторе с N-каналом;
2 - датчик тока;
3 - входная шина отрицательного потенциала;
4 - выходная шина отрицательного потенциала;
5 - входная шина положительного потенциала;
6 - выходная шина положительного потенциала;
7 - устройство управления в составе:
8 - n-p-n транзистор;
9 - n-p-n транзистор;
10 - термокомпенсированный стабилитрон;
11 - 19 - резисторы;
20 - диод;
21 - блок нагрузки;
22 - емкостный накопитель энергии;
23 - активная составляющая нагрузки.
Полезная модель включает в себя электронный ключ на МОП-транзисторе с N-каналом 1, исток которого через датчик тока 2 подключен к входной шине отрицательного потенциала 3, сток - к выходной шине отрицательного потенциала 4. Выводы затвор-исток МОП-транзистора с N-каналом зашунтированы резистором 11 и через резистор 12 затвор соединен с входной шиной 5 и выходной шиной 6 положительного потенциала, причем резисторы 11 и 12 образуют делитель, к выходу которого подключены выводы затвор-исток МОП-транзистора с N-каналом. Анод термокомпенсированного стабилитрона 10 соединен с входной шиной отрицательного потенциала 3, а катод через резистор 13 соединен с входной шиной положительного потенциала, то есть стабилитрон 10 и резистор 13 вместе образуют параметрический стабилизатор напряжения, который обеспечивает питание дифференциального каскада на n-p-n транзисторах 8 и 9, и резисторе 16, подключенный одним выводом к эмиттерам n-p-n транзисторов дифференциального каскада, а вторым выводом - к входной шине отрицательного потенциала 3. База транзистора 9 подключена к выходу делителя на резисторах 14 и 15, который подключен к выходу параметрического стабилизатора напряжения. Резистор 17 одним выводом соединен с катодом термокомпенсированного стабилитрона, а другим выводом через резистор 18 подключен к точке соединения истока с датчиком тока, причем точка соединения резисторов 17 и 18 подключена к базе транзистора 8 дифференциального каскада. К выходной шине отрицательного потенциала 4 через резистор 19 подключен анод диода 20, катод которого подключен к базе транзистора 8 дифференциального каскада.
Коммутатор напряжения работает следующим образом.
Транзисторы 8 и 9 с резистором 16 образуют дифференциальный каскад, предназначенный для измерения тока нагрузки и управления МОП-транзистора с N-каналом. На первый вход дифференциального каскада, база транзистора 9, с выхода делителя на резисторах 14 и 15, поступает напряжение около 1,5 В. На второй вход, база транзистора 8, поступает напряжение равное сумме напряжений на выходе делителя на резисторах 17 и 18 и датчике тока, при этом напряжение на датчике тока 2 пропорционально току нагрузки. В штатном режиме напряжение на базе транзистора 9 выше, чем на базе транзистора 8, поэтому транзистор 9 отрыт, а транзистор 8 закрыт, поэтому напряжение между затвором и истоком электронного ключа на МОП-транзисторе с N-каналом 1 равно выходному напряжению делителя на резисторах 11 и 12, которого достаточно, чтобы МОП-транзистор был открыт и насыщен.
Так как у современных МОП-транзисторов сопротивление сток-исток в открытом состоянии составляет 0,05 Ом, то падение напряжения на электронном ключе составляет не более 0,1 В, что значительно меньше, чем у двухсоставного электронного ключа прототипа, выполненного на биполярных транзисторах (около 1 В).
При включении источника питания из-за заряда емкостного накопителя 22, ток в электронном ключе больше, чем в штатном режиме, что приводит к возрастанию напряжения на датчике 2, и, следовательно, и на базе транзистора 8. Открытие транзистора 8 приводит к снижению напряжения на затворе транзистора электронного ключа, который из режима насыщения переходит в режим ограничения тока.
В предлагаемом устройстве измерение величины тока осуществляется с помощью дифференциального каскада, причем опорное напряжение на базе транзистора 9 формируется за счет применения термокомпенсированного стабилитрона, благодаря чему обеспечивается слабая зависимость от температуры и от разброса параметров элементов. Уменьшение потерь на датчике тока 2 достигается за счет подачи на базу транзистора 8 напряжения смещения с выхода делителя на резисторах 17 и 18 величиной около 1,3 В.
Наличие цепи обратной связи по напряжению (резистор 19 и диод 20) позволяет формировать траекторию безопасной работы МОП-транзистора с N-каналом в начале пуска, когда емкостный накопитель полностью разряжен и при «чистом» коротком замыкании величина тока через электронный ключ является наименьшей. Данный эффект объясняется тем, что ток через резистор 19 зависит от напряжения сток-исток: тем больше ток, проходящий через резистор 19 и диод 20, тем больше напряжение на базе транзистора 8, обусловленное этим током, и тем меньше ток стока.
После прекращения короткого замыкания или после завершения заряда емкостного накопителя рабочее состояние коммутатора напряжения восстанавливается, электронный ключ переходит в режим насыщения.
Электронный ключ прототипа, выполненный на биполярных транзисторах, имеет: склонность к вторичному пробою и снижению допустимой мощности с увеличением напряжения коллектор - эмиттер.
МОП-транзисторы, используемые в предлагаемой полезной модели, в отличие от биполярных, лишены этих недостатков. Поэтому их применение в составе электронного ключа коммутатора напряжения обеспечивает повышенную надежность и является целесообразным.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в составе источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры в качестве коммутаторов напряжения в цепях питания напряжением от 27 до 50 В при емкости накопителя электроэнергии до 15000 мкФ в диапазоне рабочих температур от -600 С до +850С.
1. Коммутатор напряжения, содержащий электронный ключ, датчик тока и устройство управления, отличающийся тем, что ключ реализован на МОП-транзисторе с N-каналом, причем исток МОП-транзистора с N-каналом через датчик тока подключен к входной шине отрицательного потенциала, а сток подключен к выходной шине отрицательного потенциала, затвор и исток МОП-транзистора с N-каналом зашунтированы первым резистором устройства управления, причем затвор через второй резистор подключен к входной и к выходной шинам положительного потенциала, которые через третий резистор подключены к катоду термокомпенсированного стабилитрона устройства управления и к первым выводам четвертого и пятого резисторов устройства управления, причем второй вывод четвертого резистора через шестой резистор подключен к входной шине отрицательного потенциала и подключен к базе первого n-p-n транзистора, подключенного коллектором к катоду термокомпенсированного стабилитрона устройства управления, а эмиттером подключенного через седьмой резистор к входной шине отрицательного потенциала, причем эмиттер первого транзистора соединен с эмиттером второго n-p-n транзистора устройства управления, подключенного коллектором к затвору МОП-транзистора с N-каналом, а базой подключенного ко второму выводу пятого резистора устройства управления и через восьмой резистор, подключенного к истоку МОП-транзистора с N-каналом.
2. Коммутатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что сток МОП-транзистора через девятый резистор устройства управления соединен с анодом диода, катод которого подключен к базе второго n-p-n транзистора устройства управления.
