Высоковольтный переключатель

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в преобразователях напряжения. Цель изобретения - защита от перегрузок по току высоковольтного переключателя путем запирания всех силовых транзисторов при возникновении токовой перегрузки. При увеличении тока через транзистор 1.1 выше допустимой величины он переходит в активный режим. Напряжение на выходе делителя 22 возрастает , и транзистор 15 отпирается. Увеличение напряжения на обмотке 13 трансформатора 11.1 приводит к отпиранию фототранзистора оптопары 19. В результате через базу транзистора 1,1 начинает протекать ток отрицательной полярности и он закрывается . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 03 К 17/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1554132 (21) 4776435/21 (22) 03.01.90 (46) 23,04,92, Бюл. N 15 (71) Центральное научно-производственное объединение "Ленинец" (72) В,С,Уманский (53) 621.382 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1554132, кл. Н 03 К 17/60, 1988. (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в пре 0. 1728965 А2 образователях напряжения, Цель изобретения — защита от перегрузок по току высоковольтного переключателя путем запирания всех силовых транзисторов при возникновении токовой перегрузки, При увеличении тока через транзистор 1,1 выше допустимой величины он переходит в активный режим.

Напряжение на выходе делителя 22 возрастает, и транзистор 15 отпирается. Увеличение напряжения на обмотке 13 трансформатора 11.1 приводит к отпиранию фототранзистора оптопары 19. В резул ьтате через базу транзистора 1,1 начинает протекать ток отрицательной полярности и он закрывается. 2 ил.

1728965

Изобретение относится к импульсной технике, может найти применение, преимущественно, в повышающих преобразователях постоянного напряжения в постоянное, в частности, используемых для питания технологических электроннолучевых установок для обработки металлов, и является усовершенствованием известного переключателя по авт. ca. N 1554132.

Известен высоковольтный переключатель, который содержит M силовых транзисторов, источник питания, основной силовой дроссел ь, М-1 вспомогател ьн ых силовых дросселей, основной силовой диод, М-1 вспомогательных силовых диодов, М накопительных конденсаторов, М стабилитронов, нагрузку и М защитных диодов, Имеются также М-1 трансформаторов с первичными и вторичными обмотками и внешний источник управляющего тока, подключенный к базе первого силового транзистора, Отрицательный полюс источника питания соединен с эмиттером первого силового транзистора, а положительный полюс через основной силовой дроссель соединен с коллектором М-ro силового транзистора и с анодом основного силового диода. Его катод через включенные последовательно накопительные конденсаторы, каждый из которых зашунтироBBí соответствующим стабилитроном, соединен с эмиттером первого силового транзистора, Положительный полюс источника питания соединен через соответствующие вспомогательные дроссели с эмиттерами соответствующих силовых транзисторов, кроме первого, с анодами соответствующих защитных диодов, кроме первого, и с точками соединения включенных согласно первичных и вторичных обмоток соответствующих трансформаторов. Коллектор каждого предыдущего силового транзистора соединен с эмиттером последующего транзистора через вторичную обмотку соответствующего трансформатора. Крайние выводы первичных обмоток тех же трансформаторов соединены с базами соответствующих силовых транзисторов, кроме первого, и с катодами соответствующих защитных диодов, кроме первого, и с анодами соответствующих вспомогательных силовых диодов. Катоды этих диодов подключены к катодам соответствующих стабилитронов, кроме последнего. Нагрузка включена между катодом основного силового диода и эмиттером первого силового транзистора, к которому подключен анод первого защитного диода, катод которого соединен с базой того же транзистора, 5

55 зисторов 1.1...1,М, источник 2 питания основной силовой дроссель 3, М-1 вспомогательных силовых дросселей 4.1...4.(М-1), основной силовой диод 5, М-1 вспомогательных силовых диодов 6,1...6.(М-1), М накопительных конденсаторов 7.1...7,М, М

Однако в высоковольтном переключателе при возникновении перегрузки по току, вызванной, например, увеличением длительности импульса управляющего тока, возможен отказ из-за вторичного пробоя прежде всего первого силового транзистора (он наиболее сильно загружен по току), Целью изобретения является защита от перегрузок по току.

В высоковольтный переключатель введены дополнительные управляющий транзистор, первый, второй и третий разделительные диоды, Кроме того, введены транзисторная оптопара, конденсатор, балластный резистор и делитель напряжения, Вход делителя подключен параллельно первому силовому транзистору, база которого соединена с коллектором управляющего транзистора, база которого соединена с выходом делителя напряжения, а эмиттер соединен с коллектором фототранзистора оптопары. Эмиттер фототранзистора соединен -ерез первый разделительный диод, включенный в проводящем направлении, с эмиттером первого силового транзистора.

Встречно-параллельно по отношению к первому разделительному диоду подключены соединенные последовательно и согласно второй и третий разделительный диоды.

При этом эмиттер фототранзистора через включенные последовательно конденсатор и балластный резистор соединен с эмиттером второго силового транзистора и с анодом светодиода оптопары, катод которого соединен с коллектором первого силового транзистора.

Благодаря введению в высоковольтный переключатель допол нител ьн ых управляющего транзистора и трех разделительных диодов, а также введению транзисторной оптопары, конденсатора, балластного резистора и делителя напряжения с указанными связями, достигается запирание всех силовых транзисторов при возникновении токовой перегрузки и выходе первого силового транзистора, наиболее загруженного по току, из режима насыщения, Этим обеспечивается защита устройства, На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого высоковольтного переключателя; на фиг,2 — временные диаграммы напряжений.

Предлагаемый высоковольтный переключатель (фиг.1) содержит M силовых тран1728965

10

40

50

55 стабилитронов 8.1...8.М, нагрузку 9, М защитных диодов 10,1„,10.М и М-1 трансформаторов 11.1„.11,(М-1) с первичными 12 и вторичными 13 обмотками. Имеется также внешний источник управляющего тока Iy>p, подключенный к базе первого силового транзистора 1.1, зашунтированной резистором 14, Кроме того, в переключатель введены дополнительные управляющий транзистор

15, первый 16, второй 17 и третий 18 разделительные диоды, а также транзисторная оптопара 19, конденсатор 20, балластный резистор 21 и делитель 22 напряжения.

При этом отрицательный полюс источника 2 питания соединен с эмиттером транзистора 1,1, а положительный полюс через дроссель 3 соединен с коллектором транзистора 1,М и с анодом диода 5. Катод диода

5 через включенные последовательно конденсаторы 7.1...7,М, каждый из которых зашунтирован соответствующим стабилитроном 8.1...8,M.ñîåäèíåí с эмиттером транзистора 1.1. Положительный полюс источника 2 соединен через соответствующие дроссели 4,1...4(М-1) с эмиттерами соответствующих силовых транзисторов

1,2...1.М, кроме первого транзистора 1.1, с анодами диодов 10.2...10.М, кроме первого диода 10.1, и с точками соединения включенных согласно обмоток 12 и 13 у соответствующих трансформаторов 11.1...11,(M-1).

Коллектор каждого предыдущего транзистора 1.1...1(М-1) соединен с эмиттером последующего транзистора 1.2....1М через обмотку 13 соответствующего трансформатора 11.1...11.(М-1). Крайние выводы обмоток 12 тех же трансформаторов соединены с базами соответствующих транзисторов

1.2...1,М, кроме первого транзистора 1.1, с катодами соответствующих диодов

10.2...10.М, кроме первого диода 10.1, и с анодами соответствующих диодов

6.1...6.(М-1); Катоды этих диодов подключены к катодам соответствующих стабилитронов 8.1...8.(М-1), кроме последнего стабилитрона 8.М. Нагоузка 9 включена между катодом диода 5 и эмиттером транзистора 1.1, к которому подключен анод диода

10,1, катод которого соединен с базой того же транзистора 1.1.

Вход делителя 22 напряжения подключен параллельно первому силовому транзистору 1.1, база которого соединена с коллектором управляющего транзистора

15, база которого соединена с выходом делителя 22, а эмиттер соединен с коллектором фототранзистора оптопары 19, Эмиттер фототранзистора соединен через первый разделительный диод 16, включенный в проводящем направлении, с эмиттером транзистора 1.1. Встречно-параллельно по отношению к диоду 16 подключены соединенные последовательно и согласно диоды

17 и 18. При этом эмиттер фототранзистора в оптопаре 19 через включенные последовательно конденсатор 20 и балластный резистор 21 соединен с эмиттером второго силового транзистора 1.2 и с анодом светодиода оптопары 19, катод которого соединен с коллектором первого силового транзистора 1.1. В ряде случаев светодиод оптопары 19 может быть зашунтирован резистором 23, а база-эмиттерный переход фототранзистора — резистором 24.

Предлагаемый высоковольтный перекл ючател ь работает следующим образом.

В интервалах между импульсами управляющего тока lynp происходит заряд конденсатора 20 по цепи положительный полюс источника 2 — дроссель 4,1 — резистор 21— конденсатор 20 — разделительный диод 16— отрицательный полюс источника 2. Диоды

17 и 18 при этом заперты. Падение напряжения Ер на диоде 16 при этом положительно относительно отрицательного полюса источника 2 (фиг.2г). Напряжение Е на коллекторе транзистора 1„1 примерно равно напряжению Е2 источника 2, напряжение

Е на выходе делителя 22 оказывается достаточным для отпирания транзистора 15 (фиг.2ж). Однако ввиду отсутствия тока коллектора транзистора 1.1, который протекает через обмотку 13 трансформатора 11.1, светодиод в оптопаре 19 не излучает свет. Поэтому фототранзистор, включенный последовательно с транзистором, остается запертым. Цепь базы транзистора 1.1 в этих условиях оказывается не зашунтированной

В момент времени Т1 на базу транзистора 1.1 поступает управляющий импульс тока

lynp oT внешнего источника, при этом транзистор 1.1 насыщается и через него от источника 2, дроссель 4.1 и обмотку 13 трансформатора 11,1 начинается протекание пилообразного тока I> коллектора (фиг.2а), Напряжение Е> на коллекторе при этом спадает от величины Ег напряжения источника 2 почти до нуля (фиг.2a). Протекание тока Ip коллектора транзистора 1 1 через обмотку 13 трансформатора 11.1 вызывает появление положительного импульса напряжения на обмотке 12 того же трансформатора и на базе силового транзистора 1,2, который переходит в насыщенное состояние. При этом начинается протекание тока коллектора транзистора от источника

2 через дроссель 4. (М-1), обмотку 13 трансформатора 11, (М-1), насыщенный транзистор 1.2, обмотку 13 трансформатора 11.1 и

1728965

50 насыщенный транзистор 1.1. Аналогично описанному под действием возникающего в этих условиях положительного импульса на обмотке 12 трансформатора 11.(М-1) насыщается силовой транзистор 1.М. При этом начинается протекание тока !1 коллектора транзис-.ора 1.M от источника 2 через дроссель 3, насыщенный транзистор 1.М, обмотку 13 трансформатора 11,(М-1), насыщенный транзистор 1,2, обмотку 13 трансформатора 11.1 и насыщенный транзистор 1.1. В итоге ток коллектора транзистора 1.М равен I1, ток коллектора транзистора 1.2 равен 2! (при M = 3), а ток коллектора транзистора 1.1 равен Ml > = 3!1.

Диоды 5. 10.1„,10,М и 6,1...6, (М-1) при этом заперты. Ток базы !ь; !У,р транзистора 1.1 должен быть достаточным для того, чтобы обеспечить протекание тока коллектора, равного Ml> в режиме насыщения (фиг.2д).

При этом напряжение на выходе делителя

22 оказывается недостаточным для отпирания транзистора 15, Самый тяжелый режим по току имеет место у транзистора 1.1 — он поэтому прежде всего нуждается в защите, В момент Tz импульс тока управления улр на базе транзистора 1,1 заканчивается и транзистор запирается (фиг.2а, б). Под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в этих условиях в дросселе 4.1, отпираются диоды 10.2 и 6.1 энергия, накопленная к моменту времени Т в индуктивности дросселя 4.1, передается через указанные диоды

s конденсатор 7.1. Одновременно на базе транзистора 1.2 появляется отрицательный импульс, ограничиваемый по амплитуде диодом 10,2 чем обеспечивается запирание транзистора 1.2. Аналогичным образом происходит отпирание диодов 10,М и 6,(М-1), передача энергии из индуктивности дросселя 4.(М-1) в конденсаторы 7.1 и 7.2 и запирание транзистора 1.M. После этого энергия, накопленная в индуктивности дросселя 3, вызывает появление ЭДС самоиндукции, под действием которой отпирается диод 5, через него накопленная энергия передается током К в последовательно соединенные конденсаторы 7,1„,7,М, заряжая их до данного напряжения Eg, которое прикладывается к нагрузке 9 (фиг.2е), Во время насыщенного состояния транзистора 1.1 конденсатор 20 разряжается через него, балластный резистор 21 и диоды 17 и 18.

При этом диод 16 запирается, а на диодах

17 и 18 и на эмиттере фототранзистора в оптопаре 19 появляется отрицательное напряжение Ер (фиг.2ж). Благодаря наличию стабилитронов 8.1...8.М напряжение Eg не может превысить максимально допустимого значения.

Падение напряжения Е» на промежутках коллектор-эмиттер запертых силовых транзисторов 1.1...1.М при этом не может превысить значения, равного Ев, т.е. напряжения стабилизации однотипных стабилитронов 8.1...8.М, в противном случае происходит отпирание какого-либо из диодов 6.1...6.(М-1), Если ток Ml> через обмотку 13 трансформатора 11.1 и через транзистор 1.1 не превышает максимально допустимой величины !д л в течение интервала времени (Т>, Тг), а транзистор 1.1 остается насыщенным, то напряжение Егр на выходе делителя 22 не достаточно для отпирания транзистора 15 (флг.2ж). Ток М!1, протекающий через обмотку 13 трансформатора. 11.1, в этих условиях не достаточен для отпирания светодиода в оптопаре 19. Транзистор 15 и фототранзистор в оптопаре 19 остаются запертыми и не шунтируют базу силового транзистора 1.1, Если по какой-либо причине, например из-за увеличения длительности импульса управляющего тока lynp, ток М!1 через транзистор 1.1 возрастает в момент времени Тз до максимальной допустимой величины доп, то транзистор 1.1 (самый сильно нагруженный по току) выходит из состояния насыщения и переходит в активный режим; напряжение Е на нем возрастает, что приводит к возрастанию напряжения Е22 на выходе делителя 22 и отпиранию транзистора

15 (фиг.2а...ж, штриховые линии), Одновременно из-за увеличения падения напряжения на обмотке 13 трансформатора 11.1 отпирается светодиод в оптопаре 19, отпирается и фототранзистор. B результате через базу силового транзистора !Ф 1 и открытые транзистор 15 и фототранзистор в оптопаре 19 начинает протекать импульс тока Ig отрицательной полярности с длительностью Тз (фиг.2д, штриховые линии), замыкающийся через диоды 17 и 18, на которых существует напряжение отрицательной полярности Ер (фиг.2г), Поэтому при токовой перегрузке, сопровождающейся переходом самого нагруженного транзистора 1.1 в активный режим, обеспечивается его форсированное запирание. Аналогично описанному следом за транзистором 1.1 запираются и все остальные силовые транзисторы 1.2...1.М, Положительный технический эффект от использования предлагаемого высоковольтного переключателя состоит в обеспечении защиты от перегрузок по току, как следствие, повышается надежность.

На предприятии разработан лабораторный макет предлагаемого высоковольтного

1728965

Формула изобретения

Высоковольтный переключатель по авт.св. hL 1554132, отличающийся тем, что, с целью защиты от перегрузок по току, в него введены дополнительные управляющий транзистор, первый, второй и третий разделительные диоды, транзисторная оптопара, конденсатор, балластный резистор и делитель напряжения, вход которого подо о т< б а

Е1

1 о

Е г, !! !!! юг. 2

Составитель B.ÓMàíñêèé

Редактор H.Áoáêoâà Техред М.Моргентал Корректор О.Ципле

Заказ 1414 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 переключателя, в котором использовались транзисторы 1.1„,1.М и 15 типа 2Т630Б при

М = 3, диоды 10.1...10.М, 16...18 типа

2Д522Б, диоды 5 и 6,1„.6.(М-1) типа 2Д212А и оптопара 19 типа ЗОТ131А. В устройстве обеспечивалась защита от перегрузок по to у на уровне 1дол-,. 0,5 А при выходном напряжении на нагрузке 9 около 150 В и напряжении. питания Ez = 27 В. B известном устройстве при токе перегрузки более 0,5 А наблюдались отказы. ключен параллельно первому силовому транзистору, база которого соединена с коллектором управляющего транзистора, база которого соединена с выходом делите5 ля напряжения, а эмиттер подключен к коллектору фототранзистора оптопары, эмиттер фототранзистора соединен через первый разделительный диод, который включен в проводящем направлении, с

10 эмиттером первого силового транзистора, встречно параллельно первому разделительному диоду подключены второй и третий разделительные диоды. которые соединены последовательно и согласно, 15 эмиттер фототранзистора через конденсатор и балластный резистор, которые включены последовательно, соединен с эмиттером второго силового транзистора и анодом светодиода оптопары, катод которо20 го соединен с коллектором первого силового транзистора.