Электронный переключатель с тремя состояниями на выходе

Полезная модель относится к коммутационной технике с цифровым управлением и может быть использована в различных зарядно-разрядных устройствах, в мостовых схемах управления колебательным и реверсивным электроприводом, в конденсаторно-трансформаторых схемах формирования коротких, в том числе высоковольтных импульсов и других устройствах автоматики. Задачей является многократное увеличение коммутируемых токов и расширение функциональных возможностей электронного переключателя без усложнения его электрической схемы. Для этого в электронном переключателе с тремя состояниями на выходе, двумя входными шинами управления, одной выходной шиной и двумя шинами питания, между которыми включена комплементарная пара последовательно соединенных транзисторов, подключенных общей точкой соединения к выходной шине, а ко входу управления каждого транзистора подключен выход одного из двух логических элементов, между первыми входами которых установлен инвертор, в качестве транзисторов применена комплементарная пара транзисторов «Дарлингтона» п-р-п и р-п-р типа, в качестве логического элемента на входе п-р-п транзистора установлен элемент «2И» или «2ИЛИ-НЕ», а на входе р-п-р транзистора установлен элемент «2И-НЕ» или «2ИЛИ», вторые входы логических элементов объединены и подключены к первой входной шине управления, а вторая входная шина управления подключена ко входу инвертора. Такое схемное решение переключателей позволяет коммутировать большие токи, максимальное значение которых зависит от типа примененных транзисторов, и применять переключатели одной и той же сложности как в режиме инвертора, так и в режиме повторителя при «нулевом» или «единичном» значении сигнала перевода в третье состояние.

Полезная модель относится к коммутационной технике с цифровым управлением и может быть использована в различных зарядно-разрядных устройствах, в мостовых схемах управления колебательным и реверсивным электроприводом, в конденсаторно-трансформаторных схемах формирования коротких, в том числе высоковольтных, импульсов и других устройствах автоматики.

Известны электронные переключатели, содержащие последовательно соединенную комплементарную пару транзисторов, подключенную между двумя шинами питания, с общей точкой транзисторов, подключенной к выходной шине (смотри, например: Клод Галле. «Полезные советы по разработке и отладке электронных схем», «ДМК», Москва, 2003 г., стр.106-107, рис.2.67). Эти схемы нашли широкое применение и строятся, как правило, на комплементарной паре транзисторов «Дарлингтона» (т.е. составных транзисторов) (смотри там же, стр.63, рис.2.27).

У такого переключателя, у которого базы транзисторов соединены вместе и являются входом управления, есть один недостаток - его нельзя выключить, т.е. привести в третье состояние, поэтому у него на выходе сигнал всегда равен либо «1», либо «0».

Наиболее близким по технической сущности и по схемному построению является электронный переключатель с тремя состояниями на выходе, содержащий две входные шины управления, выходную шину, две шины питания, между которыми включена пара последовательно соединенных комплементарных транзисторов, общая точка соединения которых подключена к выходной шине, а ко входу управления каждого транзистора подключен выход одного из двух логических элементов, между первыми входами которых установлен инвертор (смотри, например: О.Н.Партала. «Цифровые КМОП микросхемы», «Наука и техника, С.-Петербург, 2001 г., стр.263-264). Этот переключатель имеет интегральное исполнение, достаточно сложное для реализации в дискретном исполнении, к тому же - он может работать только как инвертор с переводом в третье состояние «единичным» сигналом. Если его надо превратить в неинвертирующий переключатель, и/или изменить полярность сигнала перевода в третье состояние, понадобятся дополнительные инвертора, т.е. схема усложнится. Самым существенным недостатком является маломощность этого переключателя - он способен коммутировать токи всего до 3,5 mA.

Задачей является многократное (на несколько порядков) увеличение коммутируемых токов и расширение функциональных возможностей без усложнения электрической схемы.

Поставленная задача решается тем, что в электронном переключателе с тремя состояниями на выходе, содержащем две входные шины управления, выходную шину, две шины питания, между которыми включена пара последовательно соединенных комплементарных транзисторов, общая точка соединения которых подключена к выходной шине, а ко входу управления каждого транзистора подключен выход одного из двух логических элементов, между первыми входами которых установлен инвертор, в качестве транзисторов применена комплементарная пара п-р-п и р-п-р транзисторов «Дарлингтона» (т.е. составных транзисторов), в качестве логического элемента на входе п-р-п транзистора установлен элемент «2И» или «2ИЛИ-НЕ», а на входе р-п-р транзистора установлен элемент «2И-НЕ» или «2ИЛИ», вторые входы логических элементов объединены и подключены к первой входной шине управления, а вторая входная шина управления подключена ко входу инвертора.

На чертежах представлены восемь вариантов реализации электронного переключателя, где введены следующие обозначения:

1 - входная шина управления в режиме переключения;

2 - входная шина управления третьим состоянием переключателя;

3 - логический элемент «2ИЛИ-НЕ»;

4 - логический элемент «2И-НЕ»;

5 - инвертор;

6 - п-р-п транзистор «Дарлингтона;

7 - р-п-р транзистор «Дарлингтона;

8 - шина питания относительно общей шины;

9 - выходная шина;

10 - логический элемент «2И»;

11 - логический элемент «2ИЛИ».

В таблицах 1 и 2 представлено значение сигналов на выходе 9 переключателя в зависимости от значений сигналов на входах 1 и 2 для каждого переключателя с указанием номера «фигуры», где:

Z - третье состояние на выходе переключателей, при котором выход 9 изолирован от шин питания 8 и общей и от входов управления большим внутренним сопротивлением запертых транзисторов 6 и 7;

Х - безразличное состояние сигнала на входе 1.

На чертежах приведено стандартное обозначение элементов и видна не нуждающаяся в пояснениях схема соединения элементов друг с другом и со всеми шинами для всех восьми изображенных схем переключателей.

На фигурах 1-4 приведены схемы инвертирующих переключателей (смотри вид сигналов в таблице 1) с разными наборами логических элеиментов на входах управления транзисторов 6 и 7 и разным местом подключения инвертора 5. При этом переключатели, изображенные на фиг.1 и 3, при разных элементах на входе транзистора 6 и разном подключении входа инвертора 5 ко входным шинам 1 и 2 имеют идентичные характеристики и переводятся в третье состояние «нулевым» сигналом на входе шины 2. Аналогично, переключатели по фигурам 2 и 4, имея разные элементы на входе транзистора 7 и разное подключение входа инвертора 5 ко входным шинам 1 и 2, имеют идентичные характеристики и переводятся в третье состояние «единичным» сигналом на входе шины 2.

На фигурах 5-8 приведены схемы неинвертирующих переключателей так же попарно одинаковых по характеристикам. Так, переключатели по фигурам 5 и 7 переводятся в третье состояние «нулевым» сигналом на входе 2, а переключатели по фигурам 6 и 8 переводятся в третье состояние «единичным» сигналом на входе 2.

Работа всех переключателей по фигурам 1-8 определяется, прежде всего, особенностями работы выходного мощного комплементарного эмиттерного повторителя, собранного на транзисторах «Дарлингтона» 6 и 7, имеющих, как известно, большой коэффициент усиления и способных работать при управлении слаботочными КМОП микросхемами. Этот повторитель включен коллекторами между шиной 8 положительного напряжения питания и общей шиной, а эмиттера обоих транзисторов 6 и 7 объединены и подключены к выходной шине 9. При подаче на базы обоих транзисторов 6 и 7 «нулевого» сигнала транзистор 6 закроется, а транзистор 7 откроется - на выходе 9 будет нулевой выходной сигнал. При подаче на обе базы транзисторов 6 и 7 «единичного» сигнала транзистор 6 откроется, а транзистор 7 закроется - на выходе 9 будет «единичный» сигнал. Если же на базу транзистора 6 подать «нулевой», а на базу транзистора 7 «единичный» сигналы, оба транзистора окажутся закрытыми, и на выходе 9 будет, так называемое, третье состояние, при котором выход 9 окажется изолированным от шин питания и входов транзисторов большим внутренним сопротивлением запертых транзисторов. В задачу трех логических элементов входит создание соответствующих сигналов на базах транзисторов 6 и 7 при заданной комбинации управляющих сигналов на входах 1 и 2. Например: нужен неинвертирующий переключатель, переходящий в третье состояние при «нулевом» сигнале на входе управления третьим состоянием 2. По таблице 2 находим,

что для этой цели подходят переключатели по фигурам 5 и 7. Далее выбираем приемлемый набор логических элементов и, соответственно, схему. Например, по фиг.7, где в качестве двухвходовых элементов используются элементы «2И» 10 и «2И-НЕ» 4. По этой схеме: если на вход управления 2 третьим состоянием подать «нулевой» сигнал, то на выходе элемента 10 «2И» будет также «нулевой» сигнал, а на выходе элемента 4 «2И-НЕ» сигнал будет «единичным». В результате оба транзистора 6 и 7 окажутся закрытыми, и на выходе 9 будет третье состояние. Если на вход управления 2 подан «единичный» сигнал, выходное состояние элементов 10 и 4 и, соответственно, сигнал на выходной шине 9 будут определяться сигналом на входе 1. При «нуле» на входе 1 будет «нуль» и на выходе 9. При «единице» на входе 1 будет «единица» и на выходе 9.

Таким образом, по таблицам 1 и 2 выбирается нужная схема (их по две с одинаковыми функциями), а затем из двух выбирается та, у которой наиболее приемлемый состав логических элементов. И не требуется никаких усложнений для изменения полярности управляющих сигналов - достаточно взять другую схему с другим набором логических элементов. Реализуемость схем очевидна.

Электронный переключатель с тремя состояниями на выходе, содержащий две входные шины управления, выходную шину, две шины питания, между которыми включена пара последовательно соединенных комплементарных транзисторов, общая точка соединения которых подключена к выходной шине, а ко входу управления каждого транзистора подключен выход одного из двух логических элементов, между первыми входами которых установлен инвертор, отличающийся тем, что в качестве транзисторов применена комплементарная пара n-p-n и p-n-p транзисторов "Дарлингтона" (т.е. составных транзисторов), в качестве логического элемента на входе n-p-n транзистора установлен элемент 2И или 2ИЛИ-НЕ, а на входе p-n-p транзистора установлен элемент 2И-НЕ или 2ИЛИ, вторые входы логических элементов объединены и подключены к первой входной шине управления, а вторая входная шина управления подключена ко входу инвертора.