Транзисторный коммутатор

 

Изобретение относится к устройствам сильноточной электронной коммутации. Целью изобретения является повышение быстродействия коммутации при одновременном повышении КПД. Коммутатор содержит силовой транзистор, представляющий собой параллельное соединение N сильноточных транзисторов с уравновешивающими резисторами в эмиттерных цепях и нагрузкой в общей коллекторной цепи, соединенный по схеме Дарлингтона с управляющим транзистором, база которого через форсирующую цепочку, представляющую собой параллельное соединение резистора и конденсатора, соединена с началом первого звена вторичной обмотки трансформатора, конец которой соединен с эмиттером управляющего транзистора, к точке соединения эмиттера управляющего транзистора с базой силового транзистора подсоединена запирающая цепочка из соединенных последовательно диода и линейного индуктивного элемента, например дросселя, другим концом подключенная к общей шине. В эмиттерную цепь управляющего транзистора включен узел фиксации уровня смещения, включающий в себя последовательно соединенные диод и конденсатор, вторая обкладка которого соединена с началом второй секции вторичной обмотки входного трансформатора, конец которой соединен с общей шиной, при этом к точке соединения конденсатора и диода подсоединен второй диод, катод которого соединен с общим коллектором схемы Дарлингтона. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„80„„1554131 (51) 5 H 03 K 17/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

l е

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4462871/24-21, (22) 19, 07, 88, (46) 30.03. 90. Бюл. Р 12 (71) Специальное конструкторское бюро АН ЭССР .(72) Э.Л,Ваап ,(53) 621.382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 978347, кл. Н 03 К 17/60, 1982, Авторское свидетельство СССР

11 900450, кл. H 03 К 17/60, 1982, (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ КОММУТАТОР (57) Изобретение относится к устройствам сильноточной электронной коммутации. Целью изобретения является повьппение быстродействия коммутации при одновременном повьппении КПД. Коммутатор содержит силовой транзистор, представляющий собой параллельное сое1 динение и сильноточных т1 анзисторов . с уравновешивающими резисторами в эмиттерных цепях и нагрузкой в общей коллекторной цепи, соединенный по схеме Дарлингтона с управляющим транзистором, база которого через форсируюИзобретение 1относйтся к импульс,ной технике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в системах автоматики, телемеханики и электромеханики для генерирования мощных импульсов тока или для коммутации активных, индуктивных или емкостных нагрузок в цепях постоянного тока.

Цель изобретения — повьппение быст" родействия коммутатора при одновременном повышении КПД.

2 щую цепочку, представляющую собой параллельное соединение резистора и конденсатора, соединена с началом первого звена вторичной обмотки трансформатора, конец которой соединен с эмиттером управляющего транзистора, к . . точке соединения эмиттера управляющего транзистора с базой силового тран- зистора подсоединена запирающая цепочка иэ соединенных последовательно диода и линейного индуктивного элемента, например дросселя, другим концом подключенная к общей шине ° В эмиттерную цепь управляющего транзистора включен узел фиксации уровня ймещенир включающий в себя последовательно со» единенные диод и конденсатор, вторая обкладка которого соединена с началом второй секции вторичной обмотки входного трансформатора„ конец которой ( соединен с общей шиной, при этом к точке соединения конденсатора и диода,прдсоединен второй диод, катод которого соединен с общим коллектором д схемы Дарлингтона.; 2 ил.

СЛ

На фиг.1 представлена принципи,альная схема предлагаемого транзисторного коммутатора; на(фиг,Т )-;эпюры напряжений и токов в различных точках схемы, На фиг,2 приняты следующие обозначения: напряжение на входе коммутатора US„, ток базы управляющего транзистора 4 Х, ток коллектора управляющего транзистора 4 I „; ток через линейный индуктивный элемент (ЛИЭ) 7:Тд ЭДС самоиндукцчи ЛИЭ.7 Е; на1554131 пряжение на эмиттерных переходах сильноточных транзисторов 1 ° 1-1.п U6зг текущее время t; суммарный ток силового транзистора 1 I< .

К1 .Транзисторный коммутатор содержит (фиг,l) силовой транзистор l, представляю1ций собой параллельное соединение п сильноточных биполярных транзисторов 1.1-1,п, в коллекторную цепь l0 которого включена нагрузка 2, а в ,эмиттерные цепи каждого звена силово.го транзистора 1 — уравновешивающие .:резисторы 3,1-.3,п, К силовому тран,зистору 1 по схеме Дарлингтона вклю".

; чен управляющий транзистор 4, в змит- терную цепь которого включена запира:ющая цепочка 5, состоящая из диода 6 (анодом к эмиттеру) и линейный индуктивный элемент (ЛИЭ) 7, а в базовую 20 цепь — форсирующая цепочка 8, образо1 ванная параллельным соединением резис-. тора 1 и конденсатора.10, Второй ."конец. форсирующей>цепочки 8 соеди-. нен с трансформатором 11, а именно — 25 с началом первой секции 12 вторичной обмотки, конец которой соединен с эмиттером транзистора 4, Вторая секция 13 вторичной обмотки трансформатора 11 своим началом соединена с уз- 30 лом 14 фиксации уровня смещения, состоящим из последовательно соединенных конденсатора 15 и диода 16, (анодом к конденсатору), к средней точке между которыми катодом подсоединен диод

17, который анодом соединен с концом

35 первой секции 12 вторичной обмотки трансформатора 11, Узел 14 фиксации уровня смещения вторым концом (катодом диода 17) соединен с коллектором силового транзистора l, Конец второй секции 13 вторичной обмотки трансформатора 11 соединен с общей шиной. Первичная обмотка 18 трансформатора 11 соединена с входными шинами устройства, Для упрощения объяснения работы устройства сделаем некоторые допущения, а именно: что нагрузка коммутатора имеет чисто активный .характер и что все импульсы управления одинаковы как по амплитуде, длительности, так и rio скважности и что они имеют бесконечно крутой фронт и срез, т,е, являются идеальными.

Устройство работает следующим об55 разом.

В момент .времени и на вход схемы поступает положительный импульс управления (фиг. 2а), в результате в базе управляющего транзистора 4 начинает течь ток I< (фиг.2б), который в свою очередь вызывает в момент времени t1 возникновение тока коллектора

Т л транзистора 4 (фиг,2в), Задержка возникновения тока коллектора вызывается внутритранзисторными физическими процессами в транзисторе 4. Дпя повышения скорости нарастания токов базы и вместе с тем и коллектора транзис= тора 4 в цепь базы транзистора 4 включена форсирующая цепочка 8 иэ включенных параллельно резистора 9 и конденсатора 10, которая также ускоряет и процесс выключения запирающей цепочки 5. Ток Т„,1разветвляется на два: ток базы силового транзистора 1 и ток I<7 через запирающую цепочку 5, состоящую из последовательно соединенных диода 6 и ЛИЭ 7 (например, дроссель). Ток. I „ (фиг,2г) возникает в момент, когда напряжение на эмиттере транзистора 4 относительно общего провода схемы достигает уровня, при котором возникает также ток, через базы сильноточных транзисторов 1,11„n, что обеспечивается наличием диода 6, который кроме выполнения роли порогового элемента препятствует разряду конденсатора 15 через диод 17 в паузах между импульсами коммутации, Транзистор 4 насыщается эа время и вкл а ток через ЛИЭ 7 растет до момента

t.<, когда транзистор 4 выходит из насыщения и ток коллектора управляющего транзистора 4 Х к,! резко уменьшаетея, Почти постоянными остаются напряжение на эмиттерном переходе П б любо31 го из сильноточных транзисторов 1,1- ,l.п (фиг,2е) и ЭДС самоиндукции ЛИЭ 7 (фиг,2д), Разветвленный ток через базы транзисторов l,l-l,п отпирает их и возникает суммарный коллекторный ток Т,, который по существу составляет главную долю выходного тока:

Т „„=Т „1.+Т„4=1 „,, TBK KBK IggQCI <

Количествб сильноточных транзисторов в составе силового транзистора 1 определяется мощностью управляющего транзистора 4, так как ток базы силового транзистора 1 составляет главную часть тока коллектора управляющего транзистора 4, В общем случае п = — 1, 2,..., Процесс включения сильноточных транзисторов в принципе не отличается от уже указанного процесса включения транзистора 4, Время

1554131 6

25

1.- j:

11

55 включения всего коммутатора определяется моментом насыщения t > сильноточных транзисторов 1,1-1 п, так как t»„=t - о {фиг.2з) . В момент прекращается воздействие входного импульса и начинается процесс выключения коммутатора. Изменение направления тока происходит в результате накопленной в конденсаторе 10 энергии. Обратный ток через эмиттерный переход транзистора 4 течет до окончательного рассасывания заряда из базы, и вместе с тем эмиттерный переход транзистора 4 запирается за вреI / мя t + t, где t — время рассасывания неравновесного заряда: с время спада тока коллектора управляющего транзистора 4, В течение р транзистор 4 еще насыщен, начало Bbl хода из насыщения наступает в. момент

Одновременно с тем начинает уменьшаться и ток коллектора Т транзистора 4. В этот же момент прекращается рост тока 7 7 через ЛИЭ

7, что вызывает резкое изменение направления ЭДС самоиндукции этого элемента (фиг,2д), который с этого -момента становится источником отрицатель- ного напряжения относительно эмиттерных переходов сильноточных транзисторов 1,1-1.п, Энергию, запасенную к моменту t+ в ЛИЭ 7, можно найти из формулы где L — индуктивность ЛИЭ 7;

Х вЂ” ток через ЛИЭ 7 в момент t, Главным образом в результате этой

1энергии за время -1 происходит рас-", сасывание заряда из баз сильноточных транзисторов 1.1-1,п, при этом время выключения силового транзистора 1 равно t <+t =t <-t +у r e t p Время рассасывания суммарного неравновесного заряда из баз сильноточных транзисторов 1,1,-1,n, t — время спада суммарного коллекторного тока (фиг.?з) этих транзисторов, Но в про"„ цессе рассасывания заряда из баз силь,ноточных транзисторов ЭДС самоиндук:ции Е (фиг,2д) экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и ) отрицательное напряжение на эмиттер-. ных переходах указанных транзисторов, а вместе с тем уменьшается скорость процесса рассасывания заряда из баз и„ следовательно, увеличивается общее время выключения коммутатора, Чтобы предотвратить уменьшение скорости рассасывания заряда из баз сильноточных транзисторов 1,1.-1.п в конце процесса выключения сильноточных транзисторов в схему. включен, узел 14 фиксирования уровня смещения базовых напряжений сильноточных транзисторов 1,1,-1,п, Узел 14 работает следующим образом, За время когда воздеиствует входной импульс и силовой транзистор 1 насыщен,, конденсатор 15 заряжается от второй секции

13 через диод 16, силовой транзистор

1 и резисторы 3.1-3,п„ При выходе ? сильноточных транзисторов из насыщения диод 17 запирается и конденсатор

15 сохраняет заряд да момента, когда напряжение на запирающей цепочке 5 становится меньше напряжения на конденсаторе 15, Тогда отпирается диод

17 и рассасывание заряда иэ баз сильноточных транзисторов 1.1-1 п продолжается уже в результате энергии, на

I копленной в конденсаторе 15, Такое распределение процесса расса-. сывания заряда имеет следующие преимущества: скорость рассасывания заряда из баз сильнаточных транзисторов

1,1 — I,п больше, чем в случаях, когда для.создания запираюцего напряжения использованы только запирающая цепочка 5 или только узел 14, так как в первом случае индуцированное напряжение ЛИЭ 7 быстра уменьшается (фиг,2д), а во втором случае велико влияние индуктивности рассеяния трансформатора 11, что препятствует быстрым изменениям тока через конденсатор 15. Зато их сочетание отличается высокой эффективностью в процессе рассасывания заряда из баз сильноточных, транзисторов и, следовательно, гарантирует высокое быстродействие Ьтого,,коммутатара; применение узла 14 также уве личивает помехоустойчивость коммутатора, так как при достаточно большой емкости конденсатора 15 некоторый за-, ряд на нем сохраняется и после окончательного запирания сильноточных транзисторов 1.1-1.п (момент t g фиг,2з), а следовательно, на эмиттерных переходах указанных транзисторов остается отри".ательное смещение—

Ub > (фиг.2е), Диод 6 препятствует . разряду конденсатора 15 через ЛИЭ 7, Время выключения 1." щ„силового транзистора 1 равно

1554131

8 ®n P + tc» (2) формула изобретения

Транзисторный коммутатор, содержащий силовой транзистор с нагрузкой н коллекторной цепи и резисторами в эмиттерный цепи, вторые выводы которых соединены с общей шиной, к базе !

:второго подключен управляющий травгде t p — время рассасывания неравновесного заряда из базы силового транзистора 1;

5 — время спада тока коллектора силового транзистора 1 (фиг.2з). . Коммутатор выключается в момент когда окончательно запираются !

О сильноточные транзисторы 1. l-l,п.

После окончательного запирания сильноточных транзисторов коммутатор ботов к новому включению (момент t

f5 фиг,2ж). Время выключения коммутато-! ра Г 6!к„ определяе г быстродействие коммутатора и равно t = t

В» Кл ». (фиг.2з), Реально достигаемые времеHB выключения предлагаемого транзис- 20 торного коммутатора приближаются к теоретическим пределам, которые опре делены внутритранзисторными физическими процессами, зистор по схеме Дарлингтона, к базе которого одним выводом подключен первый резистор, о тл ич ающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия и КПД, введен трансформатор, параллельно первому резистору подключен конденсатор, точка соединения которых подключена к началу обмотки первой секции вторичной обмотки трансформатора, конец обмотки подключен к эмиттеру управляющего транзистора, база .силового транзистора — к цепочке из последовательно соединенных диода — анодом к базе= и линейного индуктивного элемента, в эмиттерную цепь управляющего транзистора включен узел фиксации уровня смещения, выполненный из диода — анодом к эмиттеру, последовательно к которому подключен:конденсатор, вторая обкладка которого соединена с началом обмотки второй секции втоI ричной обмотки трансформатора, конец которой соединен с общей шиной, при этом точка соединения конденсатора и диода подсоединена к аноду другого диода узла фиксации уровня смещения, катод которого соединен с общим коллектором схемы Дарлингтона, первичная ббмотка трансформатора соединена с входными шинами.

1554131

Составитель С.О1евцов

Редактор С,Лисина ТехредЛ.Сердюкова Корректор С.Шевкун

Заказ 465 Тирах 665 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101