Высоковольтный транзисторный переключатель

 

Использование: изобретение относится к импульсной технике и предназначено для Зп 4(Э L использования в импульсных модуляторах, стабилизаторах. Сущность изобретения: устройство содержит 1 генератор управляющих импульсов оптического излучения 1, n-коммутирующих транзисторов (2), п формирователей управляющих импульсов 3, п стабилитронов 4, 8, п резисторов 5,10, 11, п конденсаторов 7, 13, п диодов 6, 12, 14, 15, 17, п дополнительных транзисторных транзисторов 9, п излучающих диодов 16, п приемников оптического излучения 18, 1 блок сравнения 19, 1 входную шину 20, 1 выходную шину 21, 1 общую шину (22). 3 ил, О Ј/ со с XI ;СО : ihO О OJ Э L rtw. Ф/j/ ,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1 I) (s»s Н 03 К 17/60

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4860371/21 (22) 17.08,90 (46) 15.05,92. Бюл, № 18 (75) Е.П,Мясников (53) 621.318.57(088,8) (56) Заявка Японии ¹ 52-с115 кл. Н 03 К 17/60, 197 .

Авторское свидетельсгво СССР

N 1637018, кл. Н 03 К 17/60, 1988. (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ (57) Использование: изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в импульсных модуляторах, стабилизаторах, Сущность изобретения: устройство содержит 1 генератор уп ра вля ющих импульсов оптического излучения 1, и-коммутирующих транзисторов (2), и формирователей управляющих импульсов 3, и стабилитронов 4, 8, и резисторов 5,10, 11, и конденсаторов 7, 13, и диодов 6, 12, 14, 15, 17, и дополнительных транзисторных транзисторов 9, пизлучающих диодов 16,,и приемников оптического излучения 18, 1 блок сравнения 19, 1 входную шину 20, 1 выходную шину 21, 1 общую шину (22). 3 ил, 1734203

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в импульсных модуляторах, импульсных стабилизаторах и других устройствах радиоэлектроники, где необходимы высоковольтные переключатели.

Цель изобретения — повышение быстродействия, На фиг. 1 приведена функциональная схема высоковольтного транзисторного переключателя; на фиг. 2а — диаграммы сигналов в различных точках устройства при нормальной работе его; на фиг. 2 б — то же, при неисправности формирователя управляющих импульсов первого коммутирующего транзистора; на фиг..3 — пример схемы блока сравнения устройства, Высоковольтный транзисторный переключатель содержит генератор 1 управляющих импульсов оптического излучения, коммутирующие транзисторы 2.1-2.п, формирователи 3.1-3.п управляющих импульсов, первые ста бил итрон ы 4.1 4. и, резисторы 5.1-5.п, диоды 6.1-6.п, конденсаторы 7.1-7,п, первые стабилитроны 8.1-8,п, дополнительные транзисторы 9,1-9.п, первые дополнительные резисторы 10.1-10п, вторые дополнительные резисторы 11.111.п, первый дополнительные диоды 12,112.п, дополнительные конденсаторы

13.1-13.п, вторые дополнительные диоды

14.1-14.п, третьи дополнительные диоды

15,1-15.п, излучающие диоды 16,1-16.п, четвертые дополнительные диоды 17,1-17,п, приемники 18.1-18,п оптического излучения, блок 19 сравнения. Кроме того, на чертеже обозначены входная шина 20, выходная шина 21 и общая шина 22. Коммутирующие транзисторы 2.1-2.п соединены в последовательную цепь, при этом коллектор предыдущего соединен с эмиттером последующего через включенные последовательно диод 14, конденсатор 13 и диод 12. Коллектор и-го коммутирующего транзистора 2 подключен к выходной шине

21 устройства, а эмиттер 1-го через цепочку из диода 12.1, конденсатора 13.1 и диода

14,1 — к общей шине 22, Первый вход генератора 1 соединен с входной шиной устройства выход генератора 1 соединен с входами формирователей 3,1-3,п. Общий вывод каждого формирователя 3,1-3.п соединен с эмиттером соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2,п, коллектором соответствующего дополнительного транзистора 9.1-9.п, первым выводом соответствующего конденсатора

7,1-7.п, анодом соответствующего стабилитрона 8.1-8,п и анодом соответствующего диода 12.1-12.п. Выход каждого формирова5

55 теля 3.1-3.п соединен с базой соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.п и анодом соответствующего стабилитрона

4.1-4,п. Второй вывод каждого стабилитрона 4.1-4.п соединен с коллектором соответствующего коммутирующего транзистора

2.1-2.п, первыми выводами соответствующих резисторов 5.1-5.п и 10.1-10,п. Шина питания каждого формирователя 3.1-3.п соединена с вторым выводом соответствующего конденсатора 7.1-7.п, катодом соответствующего стабилитрона 8.1-8,п, диода 6.1-6.п, диода 17.1-17.п и анодом соответствующего излучающего диода 16.1-16.п.

Второй вывод каждого резистора 5.1-5.п подключен к аноду соответствующего диода

6,1-6.п. Второй вывод каждого резистора

10.1-10.п подключен к катоду соответствующего диода 15.1-15.п, анод которого соединен с катодом соответствующего излучающего диода 16.1-16,п. База каждого дополнительного транзистора 9.1-9,п подключена к катоду соответствующего диода

14,1-14.п и через соответствующий резистор

11.1-11.n — к катоду соответствующего диода

12,1-12.п, аноду соответствующего диода

17.1-17.п и первому выводу соответствующего конденсатора 13.1-13,п, второй вывод которого соединен с анодом соответствующего диода 14.1-14,п и эмитте ром соответствующего дополнительного транзистора 9,1-9.п. Оптический вывод каждого излучающего диода подключен к входу соответствующего приемника 18,1-18.п оптического излучения, выводы которых соединены с соответствующими входами блока 19 сравнения, Выход блока 19 подключен ко второму управляющему входу генератора 1, а его и + 1-й вход соединен с входной шиной 20 устройства.

Высоковольтный транзисторный переключатель работает следующим образом, В исходном состоянии генератор 1 выключен, все коммутирующие транзисторы

2.1-2.п закрыты. Делитель из резисторов

5.1-5.п и стабилитронов 8.1-8.п обеспечивает равномерное распределение напряжения по коммутирующим транзисторам

2.1-2.п, Конденсаторы 7,1-7.п заряжены до напряжения пробоя стабилитронов 8.1-8.п.

Диоды 15.1-15 и заперты обратным напряжением. Рабочий ток через излучающие диоды 16,1-16.п не протекает, и сигнал на входах приемников 18,1-18.п равен нулю, На всех входах блока 19 сравнения напряжение имеет один уровень и сигнал на его выходе равен нулю. Конденсаторы 13 разряжены.

Поступающий по входной шине устройства управляющий импульс (на фиг, 2 N«) попадает на входы блока 19 сравнения и

1734203

20

30

50 генератора 1, при этом на выходе генератора 1 появляется оптическое излучение (на фиг 2 Рген), которое по оптическим волноводам поступает на входы формирователей

3.1-3.п. При этом диэлектрические волноводы,. кроме передачи мощности электромагнитного излучения на входы формирователей

3.1-3.п, осуществляют электрическую развязку формирователей 3.1-3.п и транзисторов

2.1-2.п с генератором 1 и между собой. Формирователи 3.1-3.п вырабатывают управляющие импульсы тока, которые поступают в базы коммутирующих транзисторов 2.1-2.п (на фиг. 2 16.1-!бп). Транзисторы отпираются, напряжение на их коллекторах уменьшается (на фиг. 2 Ока) 0кзд). Напряжение на выходе устройства (на фиг. 2 0»х), являющееся суммой напряжений на транзисторах 2.1-2.п, также уменьшается, при этом на выходе устройства формируется фронт импульса. Когда напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора 2 становится меньше напряжения, до которого заряжен конденсатор 7, через излучающий диод 16, диод 15, резистор 10 и коммутирующий транзистор 2 начинает протекать ток в прямом направлении, ограничиваемый сопротивлением резистора 10, при этом излучающий диод начинает генерировать импульс оптического излучения. Последний по диэлектрическому волноводу поступает на вход соответствующего приемника 18.1-18.п оптического излучения и преобразуется им в импульс напряжения (на фиг. 2 Unpre-Unp.n) При этом диоды 6.1-6.п исключают разряд конденсаторов 7.1-7.п через резисторы 5.1-5.п и далее через открытые транзисторы 2.1-2.п, а диэлектрические волноводы обеспечивают электрическую развязку излучающих диодов 16.1-16.п с приемниками 18,1-18 и и между собой. Таким образом на входы блока 19 сравнения поступают импульсы контроля напряжения на транзисторах 2.1-2.п, фронт каждого из которых совпадает с моментом открывания соответствующего коммутирующего транзистора 2,1-2.п. С началом открытия коммутирующих транзисторов начинается протекание импульса рабочего тока от выходной шины 21 устройства через упомянутые транзисторы 2 к общей шине 22, который заряжает включенные последовательно с коммутирующими транзисторами

2,1-2.п конденсаторы 13.1-13.п. Напряжение на конденсаторах 13.1-13,п постепенно повышается (на фиг, 2 U<>a), при этом протекание тока в обход конденсатора 13.1-13,п через коллекторно-эмиттерную цепь транзисторов 9.1-9.п исключается благодаря запиранию этих транзисторов отрицательным смещением, подаваемым на их базы с диодов 14.1-14.п при протекании через них рабочего тока устройства.

В момент окончания управляющего импульса на входе устройства генератор 1 выключается. Поступление оптического излучения на вход формирователей 3.1-3.п прекращается, что приводит к окончанию импульсов тока с выходов этих формирователей в базы коммутирующих транзисторов

2.1-2.п. Эти транзисторы закрываются, напряжение на их коллекторах увеличивается, при этом формируется спад импульса на выходе устройства С повышением напряжения на коллекторах коммутирующих транзисторов 2.1-2.п протекание тока через излучающие диоды 16,1-16.п прекращается, таким образом спад каждого импульса контроля напряжения на коммутирующих транзисторах 2.1-2;и также совпадает с моментом закрывания соответствующего коммутирующего транзистора 2.1-2.п, Конденсаторы 7.1-7.п, частично разрядившиеся за время наличия импульса устройства токами питания формирователей 3.1-3.п и излучающих диодов 16.1-16.п, начинают дозаряжаться, до напряжения пробоя стабилитронов 8.1-8 и двумя путями. Токами через резисторы 5.1-5.п и диоды 6.1-6.п с коллектором запертых коммутирующих транзисторов 2.1-2.п. Токами разряда конденсаторов 13.1-13.п, которые зарядились импульсом рабочего тока устройства через отпертые коммутирующие транзисторы до напряжения, превышающего напряжение пробоя стабилитронов 8.1-8.п. При этом ток разряда конденсатора 13.1-13.п протекает с верхней (фиг, 1) обкладки через диод 17 к конденсатору 7, далее через конденсатор 7, открытый транзистор 9 на нижнюю обкладку конденсатора 13,1-13,п. В этот период времени транзистор 9.1-9.п находится в открытом состоянии благодаря поступлению тока в его базу от заряженного конденсатора 13,1-13.п через резистор 11,1-11.п при этом отрицательное смещение на базе этого транзистора уже отсутствует из-за окончания импульса тока через диод 14.1-14.п.

После окончания дозарядки конденсатора

7.1-7.п разряд конденсатора 13.1-13.п продолжается минуя конденсатор 7.1-7.п через стабилитрон 8.1-8.п. При понижении напряжения на конденсаторе 13.1-13.п ниже напряжения пробоя стабилитрона 8.1-8.п разряд конденсатора значительно замедляется и может происходить только через резистор 11.1-11. и и база-эмиттерный переход транзистора 9.1-9.п, Далее работа устройства повторяется в изложенной последовательности, В процессе работы устройства блок 19 сравнения осуществляет, по посту1734203

55 пающим на входы контрольным импульсам непрерывный контроль взаимной синхронности переключения коммутирующих транзисторов 2.1-2.п и синхронности с управляющим импульсом, поступающим по входной шине устройства. При нормальной работе устройства напряжение на выходе блока 19 сравнения отсутствует (на фиг. 2 контроля). При появлении сбоя или. отказа в работе отдельных элементов устройства (например формирователя 3.1, как показано на фиг. 26), приводящего к возникновению асинхронизма в коммутации транзисторов

2,1-2.п как между собой, так и относительно полученного устройством управляющего импульса, на. выходе блока сравнения 19 появляется сигнал (фиг. 2б 0контр), Этот сигнал поступает на второй управляющий вход генератора 1 для выключения его. Таким образом исключается возможность развития лавинного процесса выхода элементов устройства из строя при возникновении сбоев в его работе или отказе отдельных элементов. При этом кратковременные перенапряжения транзисторов устраняются работой стабилитронов 4.1-4.п.

В предлагаемом высоковольтном транзисторном переключателе источники питания управляющих цепей коммутирующих транзисторов выполнены в виде накопительных конденсаторов, подключенных через резистор и диод параллельно каждому коммутирующему транзистору. При этом за время нахождения коммутирующих транзисторов в проводящем состоянии происходит частичный разряд накопительных конденсаторов потребителями. Восполнение этих потерь заряда реализуется двумя путями. При восполнении потерь заряда конденсатора током с коллектора коммутирующего транзистора в паузе между формированием импульсов устройством, полнота восполнения зависит от скважности формируемых устройством импульсов и уменьшается с уменьшением скважности, Возможность восполнения потерь заряда конденсатора током от допол нительного конденсатора, включенного последовательно с коммутирующим транзистором и заряжаемого импульсом рабочего тока, протекающего через устройство, не зависит от скважности формируемых устройством импульсов, à QRределяется величиной электрического заряда, протекающего через дополнительные конденсаторы за время импульса рабочего тока. Поэтому введение в высоковольтный транзисторный переключатель дополнительной схемы подзаряда индивидуальных источников питания коммутирующих транзисторов, выполненной на основе конденсаторов, включенных последовательно с коммутирующими транзисторами, и соответствующих вспомогательных элементов (дополнительных диодов, транзисторов, резисторов), позволило существенно повысить максимальную частоту переключений устройства и обеспечить формирование устройством импульсов с малыми значениями скважности. При этом также, как и в устройстве-прототипе, время коммутации переключателя не превышает времени включения отдельного коммутирующего транзистора, а наличие системы автоматического контроля работы коммутирующих транзисторов обеспечивает его высокую работоспособность.

Таким образом, реализация в предлагаемом высоковольтном транзисторном переключателе возможности формирования импульсов с различными, включая малые, значениями скважности и большой частотой следования, в сочетании с малым временем переключения и высокой работоспособностью устройства, означает полное достижение поставленной цели изобретения.

Формула изобретения

Высоковольтный транзисторный переключатель, содержащий генератор управляющих импульсов оптического излучения, управляющий вход которого соединен с входной шиной устройства, и-коммутирующих транзисторов, база-эмиттерный переход каждого из которых подключен к выходу соответствующего формирователя управляющих импульсов, входы которых соединены с выходом генератора управляющих импул ьсов диэлектрическими вол новодами, база-коллекторный переход каждого коммутирующего транзистора шунтирован первым стабилитроном, а между коллектором и эмиттером каждого коммутирующего транзистора включена цепочка из последовательно соединенных резистора, диода и конденсатора, который шунтирован вторым стабилитроном, причем объединенные выводы конденсатора, диода и второго стабилитрона соединены с шиной питания соответствующего формирователя управляющих импульсов, и-приемников оптического излучения, выходы которых подключены к входам n+1-входового блока сравнения, выход которого соединен с вторым управляющим входом генератора управляющих импульсов, а (n+1)-й вход соединен с входной шиной устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия введены и первых цепочек из соединенных последовательно и согласно первого дополнительного диода, дополнительного кон17.34203

10 денсатора и второго дополнительного диода, и вторых цепочек из соединенных последовательно и согласно излучающего диода, третьего дополнительного диода и первого дополнительного резистора, и дополнительных транзисторов, и четвертых дополнительных диодов и п вторых дополнительных резисторов, причем коллекторно-змиттерные цепи коммутирующих транзисторов соединены одна с другой в последовательную цепь через подключенные к ним согласно первые введенные цепочки, при этом эмиттер первого транзистора подключен через упомянутую . первую цепочку к общей шине, а коллектор п-го транзистора — к выходной шине, коллектор каждого дополнительного транзистора соединен с эмиттером соответствующего коммутирующего транзистора и первым выводом первого дополнительного диода, его база подключена через соответствующий второй дополнительный резистор к второму выводу первого дополнительного диода и первому выводу дополнительного конденсатора, а также через соединенные последо5 вательно и согласно соответствующие четвертый дополнительный диод и вторую цепочку к коллектору коммутирующего транзистора, при этом одноименные выводы четвертого дополнительного диода и второго

10 стабилитрона, а также разноименный вывод излучающего диода объединены, эмиттер дополнительного транзистора подключен к второму выводу дополнительного конденсатора и первому выводу второго дополнительного

15 диода, второй вывод которого соединен с базой дополнительного транзистора, а оптический выход каждого излучающего диода подключен через диэлектрический волновод к входу соответствующего приемника

20 оптического излучения.

1734203

45

Составитель Е.Мясников

Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор M.Òoâòèí

Заказ 1676 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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