Ключевой элемент переменного тока

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

C0I4HAЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 05 F 1/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фг„;

J, 1 (21) 4856116/07 (22) 01,08.90 (46) 30.08,92. Бюл. N - 32.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Il0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (71) Центральное научно-ироизводствен-. и 11 ное объединение Ленинец (72) В.С.Уманский (56) Авторское свидетельство СССР

У 168657 1. (заявка N -4676139/07) (G 05. F 1/44, 1989.

Авторское свидетельство СССР

Р 1677701 (заявка Р 4729603/07)

G 05 F 1/56, 1989. (54) КЗП )ЧЕВОИ ЭЛЕИЕНТ ПЕРЕИЕННОГО

ТОКА

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 N 4676 139/24-07 от 11.04,89, ио 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

„„Я2„„1758639 А1

2 (57) Использование: в устройствах для защиты радиоэлектронной аппарату ры от перенапряжения 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 оитопара, 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 защиты. 2 ил. отводами, управляюций транзистор, с а также двухиолуиериодный выпрямитель.;

Основным недостатком этого известного ключевого элемента является отсутствие защиты при коротких замыканиях. Ql

Известен стабилизатор постоянного QO напряжения (авт.свид . по заявке 0

Р 4729608/24-07 от 15.08.89, по ко- () торой имеется положительное решение от 08.02.90) ° В составе этого стабилизатора имеется ключевой элемент, )с являющиися ближайшим аналогом предла(,. Ь гаемого 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. сим"

1758á39 метричнымьт отводами, управляющий транзистор, а также двухполупериодный выпрямите |ь. его вход подключен параллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллектор-эмиттерная цепь управляющего транзистора. Коллекторы первого и второго силовых транзисторов соединены с катодами соответствующих силовых диодов, к которым присоединены соответственно входнаяи выходная шины. Третья обмотка трансформатора, соединенная согласно относительно первой обмотки„ включена последовательно с первым резистором между входной и общей шинами, причем к отводам первой обмотки -трансформатора подключены эмиттеры, соответству ющих силовых транзисторов и аноды or- 20 раничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов. К база-эмиттерному переходу управляющего транзистора присоединены выводы для подключения блока управ-25 ления. Недостаток этого известного ключевого элемента состоит в отсутствии защиты при аварийном коротком замыкании.

Пелью изобретения является устра- 3О нение отмеченного недостатка, а именно, обеспечение защиты при аварийном коротком замыкании выходной и общей шин при одновременном исклочении повторных включений в течение каждого полупериода 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

45 также первый управляющий транзистор и двухполупериодный выпрямитель. Его вход подключен параллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллектор-эмиттерная цепь первого управляющего 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 с первым резистором между входной и общей шинами. К отводам первой обмотки трансформатора подключены эмиттеры соответствуюцих силовых транзисторов и аноды ограничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов. К база-эмиттерному переходу первого управляющего транзистора присоединены выводы для подключения блока управления.

В отличие от прототипа1 в ключевой элемент 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. Первая обмотка трансформатора снабжена отводом от средней точки, к которому подключены соединенные между собой эмиттеры первого и второго управляюцих транзисторов, ано ды первого и второго силовых диодов и первый входной вывод делителя напряжения. 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 выходной шинам. Иежцу базами каждого из силовых транзисторов и соответствующими крайними вынодами первой обмотки трансформатора включены соответственно третий и четвертый резисторы. Коллектор первого управляющего транзистора через светодиод оптопары соединен с коллектором третьего управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору второго управляющего транзистора. База последнего соединена непосредственно с эмиттером Ьототранзистора оптоиары и через пороговый элемент подключена к соединенным между собой катодам третьего и четвертого разделительных диодов. Аноды последних подключены к эмиттерам соответствующих силовых 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

Предлагаемый ключевой элемент работает следующим образом. При подаче переменного напряжения питания Е ня шины 16, 18 через резистор 7 и обмотку

11 трансформатора 8 начинается протекание тока. Если в цепи базы управляющего транзистора 12 ток управления

I gqp равен нулю, то в цепи базы того или иного силового транзистора (например, транзистора 1) появляется ток, обеспечиваюший ега насыщение, поскольку обмотки 9 и l1 включены согласно (фиг. 2, а, б) . В то ><е время транзистор 2 заперт. Ток I i в выходной цени ключевого элемеитл прс текяет. гo время положительного иолупериода напряжения сети F.< через илсьп енный транзистор 1, ирлвую иалавииу средней секции обмотки 9 (между щлволлми 14 и 31) и диод 4. Это создлет положительную обратную связь (ПО(;) .: таку. "чем больше I I тем больший T oк нлвал;1т— ся в крайней левой секипп t бмотки 9 и в цени базы трлнзистop;i 1 (Лиг.,?,в) .

Аналогичным обрлзам так, „, ва вре17586 переменного тока, я на 6иг. ? — временные 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, транcAopMRTop 8 с первой 9, второй 10 и третьей 11 обмотками, первый управляющий транзистор 12, а также двухполуиериодный выпрямитель 13. IIepвая обмотка 9 трансформатора 8 снабжена двумя симметричныля 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, 20 первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 разделительные диоды, второй 25, третий 26 и четвертый 27 резисторы, транзисторная оптоиара 28, пороговый элемент 29 (например, стаби-25 литроп), а также делитель 30 напряжения . Первая обмотка 9 трансформатора 8 снабжена отводом 31 от средней точки.

При этом аналогично прототипу вход 30 двухполупериодногo выпрямителя 13 иодклю":еи параллельно второй обмотке

10 трансформатора 8. Параллельно выходу выпрямителя 13 подключена коллектор-эмиттерная цепь первого управля35 ющего 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 40

17 шины. Обмотка 11 трансформатора 8, соединенная согласно относительно обмотки 9, включена последовательно с резистором 7 между входной 16 и общей 18 шинами. К отводам 14,15 обмотки 9 трансфрорматора 8 подключены 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 нафиг.1) делителя 30.

Его второй входной вывод подключен к соединенным между собой первому выводу резистора 25 и катодам диодов 21, 39

22, аноды которых подключены сс с1твс тственно ко входной 16 и выходно" 17 шинам. Иежду базами каждого из трлнзисторов 1, 2 и соответствующими крлйниии 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 фототранзисторя оптоиары 28 и через иороговьпЪ элемент

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 30. Коллектор фототранзистора оитопары 28 соединен со вторым выводом резистора 25. В ряде случаев между коллектором фототранзистора и выводом 31 мо- жет быть включен стабилитрон 32.

Он ограничивает напряжение на коллекторе фототранзистора оитопары 28 на уровне, не превышающем допустимое зна чение. База-эмиттерные переходы тран:зисторов 12 и, 9 зашунтнрованы резисторами 33, 34. Иежду коллекторами транзисторов 1, 2 в ряде случаев может быть включен конденсатор 35.

1758639 мя отрицательного олупериода протекает через насыщенньш транзистор 2, правую половину средней секции обмотки 9 (между выводами 15 и 31) и диод

3 — транзистор 1 и диод 4 при этом

5 заперты.

Регулирование выходного тока осуществляется путем подачи в интервалы времени (Т 1, Т ) импульсов управляющего тока Ечдр, вызывающих насыщение транзистора 13. При этом обмотка 10 у трансформатора 8 в течение этих интервалов оказывается практически коротко-замкнутой через вы- i5 прямитель 13 и. насыщенный транзистор

12, что и обеспечивает запирание того или иного силового транзистора 1 или

2 и прекращение тока I вы (фиг,2,б, в) ., Напряжение Г к на ключевом элементе, щ т.е. между нпп ами 16 и 17 или между коллекторами запертых. транзисторов

1, 2 на интервале времени (Т q Т ) имеет форму знакопеременных импульсов (фиг. 2,r) . Очевидно, что путем 25 изменения длительности интервала (Т1, Т ) может регулироваться выходной ток Е ы„, Интервал времени, соответствуюций интервалу проводимости ключевого элемента в этих условиях, на 3(} фиг. 2, в заштрихован. В момент Т окончания управляющего импульса I ч11р транзистор ": 2 запирается и шунтирование обмоток трансформатора 8 прекрацается. Благодаря этому при действии описанной выше ПОС по току обеспечивается вновь насыщение какого-либо из силовых транзисторов 1 или 2.

Напряжение Е 1 на левой или правой половинах средней секции обмотки 9 при нормальной величине тока I g в интервале проводимости (заштрихован па фиг. 2, в) оказывается недостаточным для отпирания порогового элемента 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 Е >р на выходе делителя 30, подключенного о5О к силовым транзисторам 1, 2 через диоды 21, 22, оказывается настолько малым, что транзистор 20 остается запертым .

1 I

Ограничительные диоды 5, 6 обеспечивают защиту база-эмиттерных переходов транзисторов 1, 2 в момент их запирания путем ограничения амплитуды запирающего напряжения.

Если в момент Т произойдет аварийное короткое замыкание в нагрузке, подключенной между шинами 17, 18, возрастание тока I ably до значения Е,1,,як приведет к тому, что падение напряжения Е на правой или левой половинах средней сек пш обмотки 9 (выводы

15, 31 пли 31, 14) резко возрастает.

В то же время тот или иной транзистор 1 или 2 выйдет из состояния насьпцения и перейдет в активный режим, что вызовет увеличение падения напряжения Е < (фиг. 2, д, е), Действие ПОС по току в этих условиях уменьшится изза наличия токоограничивающнх транзисторов 26, 27 в цепях баз транзисторов 1, 2. Напряжение Е через диоды 9

23 или 24 поступает на пороговый элемент 29, который при этом отпирается; как следствие, отпирается и транзистор 19. Увеличенное падение напряжения Е 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 t3, светодиод оптопары 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 запитывается напряжением Е через резистор 25 ° Ток эмиттера фототтранзистора протекает через базовую цепь транзистора 19 и удерживает его в открытом состоянии до конца оставшейся части полупериода (т.е. в течение интервала (Т, Т/2), где Т вЂ,период напряжения пйтания, фиг. 2, д. е}.

В результате исключаются повторные

/11 1I (пробные ) включения силовых транзисторов 1, 2, которые могут привести к пх отказу ввиду конечной величины Т © времени срабатывания защиты.

Время срабатывания Т защиты (фиг. 2, д) определяется полосой пропускания элементов схемы и может составлять долиили единицымикросекунд., Для облегчения режима выключения транзисторов 1 или 2 может быть использован конденсатор 35. Дпя ограничения скорости нарастания тока при аварийном коротком замыкании в течение времени Т в ряде случаев может быть использована индуктивность 36, вклю1758639 ченная последовательно с шинами 16 или 18.

Итак, положительный эффект от использования предлагаемого ключевого элемента состоит в обеспечении защиты от коротких замыканий при отсутствии повторных (" пробных" ) включений.

Последнее способствует повышению надежности, так как уменьшается моц- 1О ность, рассеиваемая в силовых транзисторах.

Формула изобретения

Ключевой элемент переменного тока, содержащий первый и второй силовые транзисторы, первьп и второй силовые диоды, первый и второй ограничительные. диоды, первый резистор, трансфор-20 матор с тремя обмотками, первая из которых снабжена двумя симметричными отводами, а также первый управляющий транзистор, двухполупериодный вьп рямитель, вход которого подключен па- 25 раллельно второй обмотке трансформатора, а параллельно выходу выпрямителя подключена коллекторэмиттерная цвпь первого управляющего транзистора, при этом коллекторы первого и вто- ц рого силогых транзисторов соединены с катодами соответствующих силовых диодов, к которым присоединены соответственно входная и выходная шины, а третья обмотка трансформатора, соединенная согласно относительно первой обмотки, включена последовательно с первым резиСтором между входной и общей шинами, причем к отводам первой обмотки трансформатора подключе- 4О ны эмиттеры соответствующих силовых транзисторов и аноды ограничительных диодов, катоды которых соединены с базами упомянутых транзисторов, а к, базаэмиттерному переходу первого управ- 45 ляюще г o T 3H To H o H e H i BbIB o» ды для подключения блока управления, отличающийся тем, что, с целью повьппения надежности путем обеспечения запптты при аварийном коротком замыкании выходной и общей шины при одновременном исключении

IIo B Top HbIx включ е ний в те ч ение каждого полупериода напряжения питания, в него введены второй и третий управляющие транзисторы, первьп, 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 пер. вому 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 исоответствующими 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 фототранзистора оптопары и через пороговый элемент подключена к соединенным между собой катодам третьего и четвертого разделительных диодов, аноды которых подключены к эмиттерам сООт» ветствующих силовых транзисторов, а база третьего управляющего транзистора соединена с выходным выводом делителя напряжения, при этом коллектор транзистора оптопары соединен с вторым выводом второго резистора.

1758639

1758639

1

Составитель В.Уманский

Редактор И.Сегляник Техред И.Иоргентал Корректор А. Ворович

Заказ 3000 Тираж ь

Подписное

В11ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r.Óæãîðoä> ул. Гагарина,101