Транзисторный ключ (варианты)

 

Транзисторный ключ содержит полевой транзистор с изолированным затвором, исток и сток которого являются выходами ключа, схему управления, один из резисторов схемы управления включен между истоком и затвором полевого транзистора, один из полюсов источника питания схемы управления подключен к полюсу противоположной полярности источника питания нагрузки, при этом эмиттер первого биполярного транзистора схемы управления и один из электродов диода, тип проводимости которого противоположен типу проводимости этого транзистора, соединены с затвором полевого транзистора, эмиттер второго биполярного транзистора, один из электродов стабилитрона и один из выводов конденсатора подключены к истоку полевого транзистора, а второй электрод диода, коллектор второго биполярного транзистора и база первого биполярного транзистора соединены вместе и через второй резистор подключены к коллектору первого биполярного транзистора, соединенному с вторым выводом конденсатора, второй электрод стабилитрона соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора и через третий резистор с вторым полюсом источника питания схемы управления, а через четвертый резистор с базой второго биполярного транзистора, между которой и эмиттером этого биполярного транзистора включен фотодиод или фототранзистор оптрона, электроды светодиода которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано в статических преобразователях различного назначения.

Известен транзисторный ключ, содержащий полевой транзистор с изолированным затвором и каналом п-типа, схему управления, состоящую из биполярного транзистора, тип проводимости базы которого соответствует типу проводимости канала полевого транзистора, стабилитрона, диода, однооперационного триодного тиристора и трех резисторов, задатчика опорного напряжения и источника питания схемы управления, отрицательный полюс которого подключен к положительному полюсу источника питания нагрузки, при этом затвор полевого транзистора через первый резистор подключен к соединенным вместе аноду тиристора и катодам диода и стабилитрона, анод которого и один из выводов второго резистора присоединены к истоку полевого транзистора, второй вывод второго резистора соединен с управляющим электродом тиристора, анодом диода и коллектором биполярного транзистора. Его база подключена к выходу задатчика опорного напряжения, входы которого подключены к полюсам источника питания схемы управления, а с эмиттером соединен один из выводов третьего резистора, второй вывод которого при включении нагрузки в цепь истока полевого транзистора предназначен для подключения к источнику сигнала управления и является входом ключа.

При включенной в цепь стока полевого транзистора нагрузке схема управления дополнительно содержит четвертый резистор, который включен между коллектором биполярного транзистора и общей точкой соединения управляющего электрода тиристора, анода диода и второго вывода второго резистора. Второй вывод третьего резистора соединен с положительным полюсом источника питания схемы управления, а общая точка соединения этого резистора с эмиттером биполярного транзистора предназначена для подключения к источнику сигнала управления и является входом ключа [1] К недостаткам этого устройства относятся узкие функциональные возможности, так как исполнение этих транзисторных ключей предполагает включение нагрузки или только в цепь истока, или только в цепь стока, т.е. они не взаимоменяемы. Другой особенностью, снижающей функциональные возможности этого ключа, является наличие электрической связи между источником сигнала управления и источником питания нагрузки. Причем источник сигнала управления может соединяться только с положительным полюсом источника питания нагрузки, что затрудняет контроль и импульсное регулирование тока в активно-индуктивной нагрузке и обмотках электродвигателей. Использование в схеме управления для включения и выключения полевого транзистора тиристора, время выключения которого на порядок больше времени включения и составляет обычно 20 150 мкс, существенно снижает быстродействие рассматриваемого ключа и, соответственно, его функциональные возможности. Дополнительно уменьшает быстродействие ключа первый резистор, предназначенный для ограничения тока через тиристор при выключении полевого транзистора. Этот резистор включен последовательно с емкостью затвор-исток и увеличивает постоянную времени ее разряда. Кроме того, время включения этого ключа зависит от места включения нагрузки и при идентичных полевых транзисторных различается более чем на порядок. Это объясняется тем, что биполярные транзисторы схемы управления, работающие во включенном состоянии в режиме источников тока, в зависимости от места включения нагрузки имеют различные, отличающиеся на 1-2 порядка, коллекторные токи, которыми осуществляется заряд входной емкости полевого транзистора при его включении. Меньший коллекторный ток у биполярного транзистора схемы управления полевого транзистора с нагрузкой в цепи стока. В этом случае к биполярному транзистору во включенном состоянии будет прикладываться все напряжение источника питания нагрузки. Увеличение на порядок его коллекторного тока с целью увеличения быстродействия ключа резко повысит рассеиваемую в биполярных транзисторах мощность, что приведет к возрастанию габаритов схемы управления и всего транзисторного ключа. Следует также отметить, что биполярные транзисторы в схеме управления должны быть высоковольтными, что увеличивает стоимость транзисторного ключа.

Известен также транзисторный ключ, содержащий полевой транзистор с изолированным затвором и каналом п-типа, схему управления, состоящую из двух комплементарных биполярных транзисторов, конденсатора и двух резисторов, и источника питания схемы управления, один из полюсов которого подключен к одноименному полюсу источника питания нагрузки и истоку полевого транзистора, в цепь стока которого включена коммутируемая нагрузка, при этом эмиттеры биполярных транзисторов объединены вместе и через первый резистор присоединены к затвору полевого транзистора, коллектор биполярного транзистора, тип проводимости базы которого соответствует типу проводимости канала полевого транзистора, соединен с одним из выводов конденсатора и подключен к истоку полевого транзистора, коллектор второго биполярного транзистора и второй вывод конденсатора подключены к второму полюсу источника питания схемы управления, базы обоих биполярных транзисторов присоединены к одному из выводов второго резистора, второй вывод которого и первый полюс источника питания схемы управления предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

При включении нагрузки в цепь истока полезного транзистора схема управления известного транзисторного ключа дополнительно содержит второй полевой транзистор с изолированным затвором и каналом, тип которого соответствует типу канала первого полевого транзистора, диод и третий резистор, который включен между положительным полюсом источника питания нагрузки и стоком второго полевого транзистора. Исток этого транзистора соединен с отрицательным полюсом источника питания схемы управления. К его положительному полюсу подключен анод диода, к катоду которого присоединены коллектор второго биполярного транзистора и второй вывод конденсатора. Второй вывод второго резистора соединен с истоком второго полевого транзистора, затвор которого и отрицательный полюс источника питания схемы управления предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа [2] Недостатками известного технического решения являются ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невзаимоменяемости транзисторных ключей из-за различного исполнения схемы управления полевым транзистором при включении нагрузки в цепь его стока и в цепь истока, а также в отсутствии электрической развязки между источником сигнала управления и источником питания нагрузки. Кроме того, подобные транзисторные ключи по причине нефункционирования не могут быть использованы в целом ряде статических преобразователей, в которых коммутируемая нагрузка включается в цепь истока полевого транзистора, например в импульсных стабилизаторах и регуляторах постоянного напряжения, если необходимое выходное напряжение в них равно или больше напряжения источника питания схемы управления ключом. При этом введение в известный транзисторный ключ, предназначенный для коммутации нагрузки, включенной в цепь истока полевого транзистора, второго, практически одинакового полевого транзистора, рассчитанного на работу при напряжении источника питания нагрузки, приводит к существенному возрастанию стоимости такого ключа, что, естественно, накладывает дополнительные ограничения на область его применения.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является транзисторный ключ, содержащий полевой транзистор с изолированным затвором и каналом п-типа, схему управления, состоящую из логического элемента НЕ с открытым коллектором серии ТТЛ, биполярного транзистора, тип проводимости базы которого противоположен типу проводимости канала полевого транзистора, диода и резистора, и двух источников питания схемы управления, одноименные полюса каждого из которых подключены к соединенным вместе полюсу той же полярности источника питания нагрузки и истоку полевого транзистора, в цепь стока которого включена коммутируемая нагрузка, при этом эмиттер биполярного транзистора и анод диода соединены с затвором полевого транзистора, катод диода, открытый коллектор транзистора выходного каскада логического элемента НЕ и база биполярного транзистора соединены вместе и через резистор присоединены к коллектору биполярного транзистора, соединенному с вторым полюсом одного из источников питания схемы управления, к второму одноименному полюсу другого источника питания схемы управления подключен вывод подвода напряжения питания логического элемента НЕ, вход которого предназначен для подключения к источнику сигнала управления и является входом ключа [3] Недостатком этого устройства являются невысокие функциональные возможности, ограничивающиеся использованием транзисторного ключа только с нагрузкой, включенной в цепь стока полевого транзистора, что не позволяет применять его в мостовых инверторах электрических машин переменного тока и коммутаторах вентильных электродвигателей. Невозможность использования этого транзисторного ключа при включении нагрузки в цепь истока полевого транзистора объясняется необходимостью электрической развязки входа схемы управления ключом и ее источника питания с внешним источником сигнала управления. Но даже в том случае, если такая развязка в рассматриваемом ключе была бы реализована, питание схем управления каждого ключа с нагрузкой в цепи истока нужно было бы производить от отдельных электрически несвязанных источников питания. Это ведет к увеличению габаритов и стоимости цепей управления этими ключами, что сделает их применение малоэффективным по указанным критериям, т. е. дополнительно снизит их функциональные возможности. Следует также обратить внимание на не очень высокую надежность работы такого ключа, так как при случайном исчезновении сигнала управления на входе логического элемента НЕ, т.е. при равенстве напряжения на его входе логическому "0", на его выходе будет напряжение, эквивалентное логической "1", и полевой транзистор будет открыт. При этом нагрузка будет постоянно включена. Аналогичное состояние ключа будет и при исчезновении напряжения питания логического элемента НЕ, вызванного, например обрывом провода, плохим контактом или коротким замыканием. При использовании таких транзисторных ключей в мостовых коммутирующих устройствах такая ситуация приведет к сквозным токам короткого замыкания и выходу из строя транзисторных ключей и всего устройства. Таким образом, рассматриваемый транзисторный ключ можно использовать только в очень ограниченном числе устройств, в которых описанная ситуация не приведет к аварийным режимам работы, что, несомненно, существенно сужает функциональные возможности этого ключа. Дополнительные ограничения накладывают на функциональные возможности известного транзисторного ключа использование для питания его схемы управления двух источников питания, причем одного из них - стабилизированного, приводящее в мостовых коммутирующих устройствах к резкому возрастанию сложности и стоимости всего устройства, что во многих случаях неприемлемо.

Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей транзисторного ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором за счет универсальности схемы управления, позволяющей производить его включение и выключение с нагрузкой как в цепи стока, так и в цепи истока, и питаемой в каждом одновременно используемом однотипном или разнотипном вариантах включения ключа только от одного общего источника питания.

Для достижения поставленной цели напряженный транзисторный ключ, как и известный, содержит полевой транзистор с изолированным затвором, схему управления, состоящую из двух биполярных транзисторов, тип проводимости базы которых противоположен типу проводимости канала полевого транзистора, стабилитрона, диода, конденсатора и двух резисторов, один из которых включен между истоком и затвором полевого транзистора, и источника питания схемы управления, один из полюсов которого подключен к полюсу противоположной полярности источника питания нагрузки, при этом эмиттер первого биполярного транзистора схемы управления и один из электродов диода, тип проводимости которого противоположен типу проводимости эмиттера этого транзистора, соединены с затвором полевого транзистора, эмиттер второго биполярного транзистора и один из электродов стабилитрона и один из выводов конденсатора подключены к истоку полевого транзистора, а второй электрод диода, коллектор второго биполярного транзистора и база первого биполярного транзистора соединены вместе и через второй резистор присоединены к коллектору первого биполярного транзистора, соединенного с вторым выводом конденсатора. В отличии от известного устройства в схему управления транзисторным ключом дополнительно введены диодный или транзисторный оптрон и два резистора, при этом второй электрод стабилитрона соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора и через третий резистор с вторым полюсом источника питания схемы управления, а через четвертый резистор с базой второго биполярного транзистора, между которой и эмиттером этого биполярного транзистора включен фотодиод или фототранзистор оптрона, электроды светодиода которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

Для повышения быстродействия транзисторного ключа второй биполярный транзистор схемы управления может представлять собой составной биполярный транзистор.

Согласно второму варианту, поставленная цель и повышение быстродействия транзисторного ключа достигается тем, что в его схему управления дополнительно введены предварительный импульсный усилитель, диодный или транзисторный оптрон и два резистора, при этом второй электрод стабилитрона соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора и через третий резистор с вторым полюсом источника питания схемы управления, а через четвертый резистор с базой второго биполярного транзистора и с одним из выходных выводов предварительного импульсного усилителя, второй из которых присоединен к эмиттеру второго биполярного транзистора, а к входным выводам предварительного импульсного усилителя подключен фотодиод или фототранзистор оптрона, электроды светодиода которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

Использование общеизвестных приемов для решения задачи расширения функциональных возможностей транзисторного ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором, заключающихся в выполнении его схемы управления в виде модулятора и демодулятора с трансформаторной развязкой цепей управления ключом и нагрузки 4 не может считаться эффективной мерой, так как она имеет невысокое быстродействие, определяемое частотой опорного переменного напряжения, которая должна быть на 1-2 порядка выше частоты коммутации ключа и, как правило, не превышает 100-200 кГц, и постоянной времени фильтра нижних частот демодулятора, что не позволяет использовать такой ключ во многих устройствах преобразовательной техники, т. е. он будет иметь ограниченные функциональные возможности. Кроме того, рассматриваемая схема управления полевым транзистором содержит не менее двух трансформаторов, т.е. намоточных изделий. Это делает невозможным ее изготовление в интегральном исполнении и тем самым использование в малогабаритных преобразовательных устройствах, что дополнительно ограничивает функциональные возможности транзисторного ключа. Негативно отражаются на функциональных возможностях этого ключа и большие динамически потери мощности в полевом транзисторе при его выключении, обусловленные пассивным разрядом емкости затвор-исток и емкости фильтра нижних частот демодулятора через резисторы этого фильтра.

В результате решения поставленной задачи расширения функциональных возможностей за счет универсальности схемы управления полевого транзистора с изолированным затвором предложено новое техническое решение, материализованное в конкретных признаках особым образом выполненного транзисторного ключа.

Все признаки транзисторного ключа, изложенные в формуле изобретения, являются необходимыми с точки зрения решаемой задачи и находятся между собой в устойчивой взаимосвязи, так что отбрасывание любого из них не позволяет достичь поставленной цели.

Сказанное и позволяет сделать вывод о том, что все признаки, изложенные в формуле изобретения, в совокупности, с точки зрения решаемой задачи, являются существенными.

В известных источниках информации указанная совокупность существенных признаков, предложенная для решения поставленной задачи, не обнаружена, что дает основание классифицировать ее как удовлетворяющую критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема первого варианта транзисторного ключа с нагрузкой в цепи стока; на фиг. 2 принципиальная электрическая схема первого варианта транзисторного ключа с нагрузкой в цепи истока; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема второго варианта транзисторного ключа с нагрузкой в цепи стока.

Транзисторный ключ по первому варианту исполнения (фиг. 1, 2) содержит полевой транзистор 1 с изолированным затворами каналом, например п-типа, схему 2 управления, состоящую из двух биполярных п-р-п транзисторов 3, 4, тип проводимости базы которых протиповоложен типу проводимости канала полевого транзистора 1, диода 5, стабилитрона 6, диодного оптрона 7, содержащего фотодиод 8 и светодиод 9, коденсатора 10 и четырех резисторов 11, 12, 13, 14, первый 11 из которых включен между истоком и затвором полевого транзистора 1, и источника 15 питания схемы управления, отрицательный полюс которого подключен к положительному, т.е. противоположной полярности, полюсу источника 16 питания. Эмиттер первого биполярного транзистора 3 схемы 2 управления и анод диода 5 соединены с затвором полевого транзистора 2. Эмиттер второго биполярного транзистора 4 и один из электродов стабилитрона 6, параллельно которому присоединен конденсатор 10, подключены к истоку полевого транзистора 1. Второй электрод стабилитрона 6 соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора 3, к которому через второй резистор 12 подключены соединенные вместе база этого же транзистора 3, катод диода 5 и коллектор второго биполярного транзистора 4, через третий резистор 13 с положительным (вторым) полюсом источника 15 питания схемы управления, а через четвертый резистор 14 с базой второго биполярного транзистора 4, между которой и эмиттером этого биполярного транзистора включен фотодиод 8 оптрона 7, электроды светодиода 9 которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

Коммутируемая нагрузка 17, например резистор или входная цепь силового биполярного транзистора, если полевой транзистор входит в состав биполярного транзистора с изолированным затвором, может быть включена как в цепь стока, так и в цепь истока полевого транзистора 1. В первом варианте включения транзисторного ключа (фиг. 1) нагрузка 17 подключена между общей точкой соединения источников 15, 16 питания схемы управления и нагрузки и стоком полевого транзистора 1, исток которого соединен с отрицательным полюсом источника 16 питания нагрузки. Во втором варианте включения транзисторного ключа (фиг. 2) нагрузка подключена между истоком полевого транзистора 1 и отрицательным полюсом источника питания 16 нагрузки, а сток полевого транзистора 1 присоединен к общей точке соединения источников 15, 16 питания схемы управления и нагрузки.

Принцип работы транзисторного ключа заключается в следующем.

При отсутствии сигнала управления на входе транзисторного ключа (фиг. 1, 2), т.е. в обесточенном состоянии светодиода 9 оптрона 7, сопротивление его фотодиода 8, включенного в обратном направлении, велико, и второй биполярный транзистор 4 будет закрыт. Затвор полевого транзистора 1 через включенный в прямом направлении диод 5 и открытый второй биполярный транзистор 4 подключается к его истоку. Напряжение на затворе полевого транзистора 1 относительно его истока будет меньше, чем пороговое напряжение открывания, и он будет закрыт. Если по каким-то причинам напряжение U_псу источника питания 15 схемы управления исчезнет, то полевой транзистор 1 также будет закрыт, так как его затвор и исток будут соединены между собой через первый резистор 11 и будут иметь одинаковые потенциалы.

При поступлении на вход транзисторного ключа сигнала управления в виде импульса тока, проходящего по светодиоду 9 оптрона 7, обратное сопротивление его фотодиода 8 резко уменьшается, и база второго биполярного транзистора 4 будет присоединена к его эмиттеру. Второй биполярный транзистор 4 закрывается, а первый биполярный транзистор 3 в связи с этим открывается, и через него разряжается на входную емкость полевого транзистора 1 конденсатора 10, заряженный до напряжения стабилизации стабилитрона 6. Напряжение на затворе полевого транзистора 1 относительно истока возрастает и при достижении им величины порогового напряжения открывания полевой транзистор 1 включается и подключает нагрузку 17 к источнику 16 питания нагрузки.

Емкость конденсатора 10 выбирается на 1-2 порядка больше входной емкости полевого транзистора 1, поэтому на рассматриваемой стадии работы транзисторного ключа это эквивалентно подключению входной емкости полевого транзистора 1 через открытый первый биполярный транзистор 3 к источнику постоянного тока с ЭДС, равной напряжению стабилизации стабилитрона 6, и практически нулевым внутренним сопротивлением, что обеспечивает большой ток заряда входной емкости полевого транзистора 1, определяемый сопротивлением второго резистора 12 и коэффициентом передачи тока базы первого биполярного транзистора 3, и, соответственно, высокое быстродействие при включении транзисторного ключа.

Во включенном состоянии на затворе полевого транзистора 1 с нагрузкой в цепи стока (фиг. 1) относительно истока устанавливается напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 6, а на затворе полевого транзистора 1 с нагрузкой в цепи истока (фиг. 2), если U_пи>>U_псу, оно будет меньше напряжения стабилизации стабилитрона 6 и равно где U_зи напряжение затвор-исток полевого транзистора 1; U_си(о) напряжение сток-исток открытого полевого транзистора 1; U_пн напряжение источника 16 питания нагрузки; U_псу напряжение источника 15 питания схемы управления; R₁₀, R₁₃ сопротивления первого 11 и третьего 13 резисторов.

Установка на затворе полевого транзистора 1 с нагрузкой в цепи истока необходимого напряжения U_зи, превышающего пороговое напряжение открывания, как следует из выражения (1), может быть осуществлена выбором соответствующих напряжения U_псу источника 15 питания схемы управления и сопротивления первого резистора 11.

В момент прекращения действия входного сигнала управления транзисторного ключа ток в светодиоде 9 оптрона 7 становится равным нулю, и обратное сопротивление фотодиода 8 резко возрастает. Увеличивается ток базы второго биполярного транзистора 4 и он включается. Входная емкость полевого транзистора 1 начинает разряжаться через открытый второй биполярный транзистор 4 и диод 5, падением напряжения на котором, приложенным в обратном направлении к переходу эмиттер-база первого биполярного транзистора 3, запирается этот транзистор, тем самым одновременно, отключая затвор полевого транзистора 1 от напряжения, поступающего на него со стабилитрона 6. Напряжение на затворе полевого транзистора 1 уменьшается и при достижении им величины порогового напряжения открывания полевой транзистор 1 закрывается. Нагрузка 17 обесточивается.

Время выключения полевого транзистора 1 пропорционально току разряда его входной емкости, который находится в прямой зависимости от коэффициента передачи тока базы и тока базы второго биполярного транзистора 4.

Для повышения коэффициента передачи тока базы второй биполярный транзистор 4 может быть представлен составным биполярным транзистором. Принцип работы транзисторного ключа при этом не отличается от изложенного выше.

Увеличение тока базы второго биполярного транзистора может быть достигнуто уменьшением сопротивления четвертого резистора 14, которое для нормального функционирования схемы управления 2 должно быть не менее чем на порядок больше минимального значения обратного сопротивления фотодиода 8. Выполнение этого условия ограничивает минимальное время выключения полевого транзистора 1. Уменьшить его можно применением транзисторного оптрона, т.е. заменой фотодиода 8 на фототранзистор, сопротивление которого в открытом (освещенном) состоянии на 1-2 порядка меньше обратного сопротивления фотодиода в этих же условиях. Однако в некоторых случаях это не позволяет получить желаемого результата, так как быстродействие транзисторного оптрона на порядок ниже диодного. Поэтому более эффективной мерой по увеличению быстродействия транзисторного ключа при его выключении за счет увеличения тока базы второго биполярного транзистора 4 будет выполнение его по второму варианту, согласно которому он, как показано на фиг. 3, содержит полевой транзистор 1 с изолированным затвором и каналом, например п-типа, схему 2 управления, состоящую из двух биполярных п-р-п транзисторов 3, 4, тип проводимости базы которых противоположен типу канала полевого транзистора 1, диода 5, стабилитрона 6, диодного оптрона 7, содержащего фотодиод 8 и светодиод 9, конденсатора 10 и четырех резисторов 11, 12, 13, 14, первый 11 из которых включен между истоком и стоком полевого транзистора 1, источника 15 питания схемы управления, отрицательный полюс которого подключен к положительному, т. е. противоположной полярности, полюсу источника 16 питания нагрузки 17, включенной, например между стоком полевого транзистора 1 и общей точкой соединения источников 15, 16 питания схемы управления и нагрузки, и предварительного импульсного усилителя 18, который может иметь различное устройство. Изображенный на фиг. 3 предварительный импульсный усилитель 18 состоит из третьего биполярного п-р-п транзистора 19, между базой и эмиттером которого включен пятый резистор 20. Эмиттер первого биполярного транзистора 3 схемы 2 управления и анод диода 5 соединены с затвором полевого транзистора 1. Эмиттер второго биполярного транзистора 4 и один из электродов стабилитрона 6, параллельно которому присоединен конденсатор 10, подключен к истоку полевого транзистора 1. Второй электрод стабилитрона 6 соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора 3, к которому через второй резистор 12 подключены соединенные вместе база этого же транзистора 3, катод диода 5 и коллектор второго биполярного транзистора 4, через третий резистор 13 с положительным (вторым) полюсом источника 15 питания схемы управления, а через четвертый резистор 14 с соединенными вместе базой второго биполярного транзистора 4 и коллектором третьего биполярного транзистора 19, являющегося одним из выходных выводом предварительного импульсного усилителя 18. Эмиттер третьего биполярного транзистора 19, представляющий собой второй выходной вывод предварительного импульсного усилителя 18, присоединен к эмиттеру второго биполярного транзистора 4. Между базой третьего биполярного транзистора 19 и общей точкой соединения стабилитрона 6 с третьим резистором 13, образующих входные выводы предварительного импульсного усилителя 18, включен фотодиод 8 оптрона 7, электроды светодиода 9 которого являются входом транзисторного ключа.

Транзисторный ключ по второму варианту исполнения работает следующим образом.

С поступлением на его вход импульса тока, проходящего по светодиоду 9 оптрона 7, обратное сопротивление фотодиода 8 резко уменьшается, и включается третий биполярный транзистор 19, который подключает базу второго биполярного транзистора 4 к его эмиттеру. Этот транзистор закрывается, а первый биполярный транзистор 3 открывается. Напряжение на затворе полевого транзистора 1 возрастает и при равенстве его пороговому напряжению открывания полевой транзистор 1 включается и подключает нагрузку 17 к источнику 16 питания нагрузки.

В момент окончания входного импульса тока сопротивление фотодиода 8 резко возрастает, и третий биполярный транзистор 19, так как его база через резистор 20 присоединена к его эмиттеру, закрывается. Открывается второй биполярный транзистор 4 и начинается описанный выше процесс закрытия полевого транзистора 1, по окончании которого нагрузка 17 отключается от источника 16 питания. В рассматриваемом варианте исполнения транзисторного ключа минимально допустимое сопротивление четвертого резистора 14 будет ограничиваться только максимально допустимым током базы второго биполярного транзистора 4, а разряд входной емкости полевого транзистора 1 будет производиться максимально допустимым током коллектора второго биполярного транзистора 4, что в несколько раз уменьшит время выключения транзисторного ключа по сравнению с первым вариантом его исполнения.

Таким образом, по сравнению с прототипом эффективность предложенного устройства заключается в расширении функциональных возможностей транзисторного ключа на полевом транзисторе с изолированным затвором, получаемое за счет использования в нем созданной универсальной схемы управления, позволяющей включать и выключать полевой транзистор с нагрузкой как в цепи стока, так и в цепи истока. При этом питание всех схем управления при одновременной работе нескольких как однотипных, так и разнотипных вариантов включения транзисторных ключей производится только от одного источника постоянного тока, который может иметь нестабилизированное напряжение с низкими требованиями к его коэффициенту пульсаций. Схема управления полевым транзистором имеет малое энергопотребление, определяемое практически минимальным током стабилизации I_ст≥3 мА стабилитрона 6, и может быть выполнена по интегральной технологии в виде отдельной микросхемы, к которой присоединяются только два навесных элемента: конденсатор 10 и балластный третий резистор 13, сопротивление и рассеиваемая мощность которого выбираются в зависимости от величины напряжения источника 16 питания нагрузки. Кроме того, предложенный транзисторный ключ обладает большей надежностью работы, достигаемой, во-первых, закрытием полевого транзистора при исчезновении сигнала управления или напряжения источника питания схемы управления, во-вторых, использованием в высоковольтной части схемы управления ключом вместо высоковольтных полупроводниковых приборов резистора, допускающего при меньших габаритах и стоимости более высокую рабочую температуру. Все это расширяет функциональные возможности транзисторного ключа и позволяет использовать его для коммутации электрических цепей постоянного тока в широком классе преобразовательных устройств, включающих инверторы электрических машин переменного тока, коммутаторы вентильных электродвигателей и источники вторичного электропитания.

Формула изобретения

1. Транзисторный ключ, содержащий полевой транзистор с изолированным затвором, исток и сток которого являются выходами ключа, схему управления, состоящую из двух биполярных транзисторов, тип проводимости базы которых противоположен типу проводимости канала полевого транзистора, стабилитрона, диода, конденсатора и двух резисторов, один из которых включен между истоком и затвором полевого транзистора, и источника питания схемы управления, один из полюсов которого подключен к полюсу противоположной полярности источника питания нагрузки, при этом эмиттер первого биполярного транзистора схемы управления и один из электродов диода, тип проводимости которого противоположен типу проводимости эмиттера этого транзистора, соединены с затвором полевого транзистора, эмиттер второго биполярного транзистора, один из электродов стабилитрона и один из выводов конденсатора подключены к истоку полевого транзистора, а второй электрод диода, коллектор второго биполярного транзистора и база первого биполярного транзистора соединены вместе и через второй резистор подключены к коллектору первого биполярного транзистора, соединенному с вторым выводом конденсатора, отличающийся тем, что в схему управления дополнительно введены диодный или транзисторный оптрон и два резистора, при этом второй электрод стабилитрона соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора и через третий резистор с вторым полюсом источника питания схемы управления, а через четвертый резистор с базой второго биполярного транзистора, между которой и эмиттером этого биполярного транзистора включен фотодиод или фототранзистор оптрона, электроды светодиода которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что второй биполярный транзистор схемы управления представляет собой составной биполярный транзистор.

3. Транзисторный ключ, содержащий полевой транзистор с изолированным затвором, исток и сток которого являются выходами ключа, схему управления, состоящую из двух биполярных транзисторов, тип проводимости базы которых противоположен типу проводимости канала полевого транзистора, стабилитрона, диода, конденсатора и двух резисторов, один из которых включен между истоком и затвором полевого транзистора, и источника питания схемы управления, один из полюсов которого подключен к полюсу противоположной полярности источника питания нагрузки, при этом эмиттер первого биполярного транзистора схемы управления и один из электродов диода, тип проводимости которого противоположен типу проводимости эмиттера этого транзистора, эмиттер второго биполярного транзистора, один из электродов стабилитрона и один из выводов конденсатора подключены к истоку полевого транзистора, а второй электрод диода, коллектор второго биполярного транзистора и база первого биполярного транзистора соединены вместе и через второй резистор подключены к коллектору первого биполярного транзистора, соединенному с вторым выводом конденсатора, отличающийся тем, что в схему управления дополнительно введены предварительный импульсный усилитель, диодный или транзисторный оптрон и два резистора, при этом второй электрод стабилитрона соединен непосредственно с коллектором первого биполярного транзистора и через третий резистор с вторым полюсом источника питания схемы управления, а через четвертый резистор с базой второго биполярного транзистора и с одним из выходных выводов предварительного импульсного усилителя, второй из которых присоединен к эмиттеру второго биполярного транзистора, а к входным выводам предварительного импульсного усилителя подключен фотодиод или фототранзистор оптрона, электроды светодиода которого предназначены для подключения к источнику сигнала управления и являются входом ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3