Транзисторный ключ

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться для управляемого по программе подключения напряжения питания к биполярным полупостоянным запоминающим устройствам, а также в качестве формирователя импульсов тока в кабельную или воздушную линию связи с распределенными параметрами. Технический результат заключается в уменьшении потребляемой мощности и повышении надежности. Транзисторный ключ содержит транзисторы (Т) (1), (3) разной структуры, включенные по двухтактной схеме, логические элементы И (13), И-НЕ (12), инвертор (14) управления этими Т (1, 3), а также Т (2), резисторы (4-10), конденсатор (11). Введены триггер Шмитта (21), диоды (22), (24) и стабилитрон (20). Включение этих элементов позволяет оперативно следить за режимом работы нагрузки и автоматически изменять состояние ключевых элементов Т (1), (3). 1 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к транзисторным ключам, и может быть использовано для управляемого по программе подключения напряжения питания к биполярным полупостоянным запоминающим устройствам, а также в качестве формирователя импульсов тока в кабельную или воздушную линию связи с распределенными параметрами.

Известен транзисторный ключ, обеспечивающий передачу цифровых сигналов в линию связи с распределенными параметрами, содержащий четырнадцать транзисторов одной структуры (n-р-n-тип), восемь диодов и двенадцать резисторов (Наумов Ю.Е., Аваев Н.А., Бедрековский М.А. Помехоустойчивость устройств на интегральных логических схемах. М., "Советское радио", 1975 (стр.104, рис.5.7).

Известный транзисторный ключ позволяет работать с симметричными линиями связи (без заземления нагрузки), имеет низкое выходное сопротивление и защиту от коротких замыканий в линии.

Недостатками известного транзисторного ключа являются недостаточно высокая надежность и ограниченные функциональные возможности.

Первый недостаток обусловлен тем, что при коротком замыкании на выходе в нем происходит ограничение тока выходных каскадов путем стабилизации выходного тока, приводящее к существенному увеличению мощности рассеивания на токостабилизирующих элементах. При микроминиатюрном конструктивном исполнении транзисторного ключа это создаст тяжелые температурные режимы, что снизит его наработку на отказ.

Второй недостаток обусловлен существенным изменением амплитуды выходного сигнала ключа в зависимости от сопротивления линии связи, что ограничивает возможности его применения для целого ряда цифровых каналов из-за ухудшения соотношения сигнал/помеха. Кроме того, при использовании ключа для работы по несимметричным цепям, он оказывается незащищенным от случайного подключения в цепь нагрузки встречного напряжения.

Известен транзисторный ключ (Авторское свидетельство СССР №1264332, кл. Н 03 К 17/60. "Транзисторный ключ", опубликовано 15.10.86. Бюл. №38), выбранный в качестве ближайшего аналога (прототипа), содержащий первый и второй транзисторы одной структуры, третий и четвертый транзисторы другой структуры, десять резисторов, два инвертора, два элемента И-НЕ, элемент И, входную шину и нагрузку, причем эмиттер первого транзистора подключен к шине источника питания и первому выводу первого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, коллектор которого через нагрузку подключен к общей шине, коллектор второго транзистора соединен с первым выводом второго резистора, а база подключена к первому выводу третьего резистора и через четвертый резистор - к шине источника питания, второй вывод третьего резистора соединен с выходом первого элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к входной шине и первому входу второго элемента И-НЕ, выход которого через пятый резистор соединен с базой первого транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к шине источника питания, второй вход первого элемента И-НЕ соединен с выходом первого инвертора, вход которого подключен к первому выводу шестого резистора и через седьмой резистор - к общей шине, второй вход второго элемента И-НЕ соединен с коллектором первого транзистора и вторыми выводами второго и шестого резисторов, вход второго инвертора подключен к входной шине, а выход соединен с первым входом элемента И и через восьмой резистор с базой третьего транзистора, коллектор которого через девятый резистор соединен с коллекторами первого и четвертого транзисторов, база четвертого транзистора через десятый резистор соединена с выходом элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого инвертора, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов объединены и подключены к общей шине. Кроме того, транзисторный ключ содержит два конденсатора, причем первый вывод первого конденсатора подключен к коллектору первого транзистора, а второй вывод соединен с общей шиной и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к эмиттеру первого транзистора.

Известный транзисторный ключ обеспечивает коммутацию любых активно-емкостных нагрузок, обладает высокими коммутационными свойствами, обеспечивает защиту активных элементов (транзисторов) от токовых перегрузок как при коротком замыкании нагрузки, так и от случайного подключения в цепь нагрузки встречного напряжения.

Недостатками известного транзисторного ключа являются значительная потребляемая мощность от источника питания и недостаточно высокая надежность.

Первый недостаток обусловлен тем, что при коротком замыкании нагрузки ток, потребляемый ключом от источника питания, ограничивается только коллекторным резистором второго транзистора (а резистор по условиям быстродействия ключа должен иметь малый номинал), поэтому значение тока может быть велико.

Второй недостаток обусловлен тем, что в аварийных режимах ключа, при коротком замыкании нагрузки или подключении в цепь нагрузки встречного напряжения, на коллекторных резисторах второго и третьего транзисторов, соответственно, будут выделяться значительные мощности, следствием чего станет температурная перегрузка элементов. Кроме того, в известном транзисторном ключе второй вход второго логического элемента И-НЕ имеет непосредственную связь с нагрузкой, что создает опасность выхода из строя этого логического элемента при случайном подключении в цепь нагрузки встречного напряжения значительной величины (например, превышающей напряжение питания логического комплекса транзисторного ключа).

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение потребляемой мощности и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в транзисторный ключ, содержащий первый и второй транзисторы одной структуры, третий транзистор другой структуры, семь резисторов, конденсатор, элемент И-НЕ, элемент И, инвертор, нагрузку, первый вывод которой подключен к общей шине, первому выводу конденсатора и эмиттеру третьего транзистора, база которого через первый резистор соединена с выходом элемента И, первый вход которого подключен к первому входу элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с входной клеммой и входом инвертора, выход которого подключен ко второму входу элемента И, выход элемента И-НЕ через второй резистор соединен с первым выводом третьего резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого объединен с шиной источника питания и вторым выводом третьего резистора, а коллектор подключен через четвертый резистор к коллектору третьего транзистора, первый вывод пятого резистора соединен с базой второго транзистора, коллектор которого подключен через последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы к общей шине, введены триггер Шмитта, два диода и стабилитрон, анод которого соединен с общей шиной, а катод подключен ко второму выводу конденсатора, точке соединения шестого и седьмого резисторов и входу триггера Шмитта, инверсный выход которого подключен к первым входам элементов И и И-НЕ, при этом эмиттер второго транзистора соединен с коллектором первого транзистора и катодом первого диода, анод которого подключен ко второму выводу нагрузки и катоду второго диода, анод которого соединен с коллектором третьего транзистора и вторым выводом пятого резистора.

Перечисленные выше существенные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень" по следующим причинам.

Проведенные исследования уровня техники в области транзисторных ключей показали, что на момент подачи заявки сущность предлагаемого технического решения неизвестна.

Содержащиеся в заявляемом объекте дополнительные элементы с соответствующей структурой связей существенно отличают его от известных транзисторных ключей и эти нововведения для специалистов не следуют явным образом из уровня техники.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в вычислительной технике и в промышленности средств связи, в частности при организации передачи цифровой информации по длинным линиям связи, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применимость".

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема транзисторного ключа.

Транзисторный ключ содержит первый 1 и второй 2 транзисторы одной структуры, третий транзистор 3 другой структуры, семь резисторов 4-10, конденсатор 11, элемент 12 И-НЕ, элемент 13 И, инвертор 14, нагрузку 15, первый вывод 16 которой подключен к общей шине 17, первому выводу конденсатора 11 и эмиттеру третьего транзистора 3, база которого через первый резистор 4 соединена с выходом элемента 13 И, первый вход которого подключен к первому входу элемента 12 И-НЕ, второй вход которого соединен с входной клеммой 18 и входом инвертора 14, выход которого подключен к второму входу элемента 13 И, выход элемента 12 И-НЕ через второй резистор 5 соединен с первым выводом третьего резистора 6 и базой первого транзистора 1, эмиттер которого объединен с шиной 19 источника питания и вторым выводом третьего резистора 6, а коллектор подключен через четвертый резистор 7 к коллектору третьего транзистора 3, первый вывод пятого резистора 8 соединен с базой второго транзистора 2, коллектор которого подключен через последовательно соединенные шестой 9 и седьмой 10 резисторы к общей шине 17, анод стабилитрона 20 соединен с общей шиной 17, а его катод подключен ко второму выводу конденсатора 11, точке соединения шестого 9 и седьмого 10 резисторов и входу триггера 21 Шмитта, инверсный выход которого подключен к первым входам элементов 13 И и 12 И-НЕ, при этом эмиттер второго транзистора 2 соединен с коллектором первого транзистора 1 и катодом первого диода 22, анод которого подключен ко второму выводу 23 нагрузки 15 и катоду второго диода 24, анод которого соединен с коллектором третьего транзистора 3 и вторым выводом пятого резистора 8. Выходом транзисторного ключа является клемма 25, подключенная к точке соединения диодов 22 и 24.

Транзисторный ключ работает следующим образом.

При наличии на шине 19 напряжения питания и поступлении на входную клемму 18 уровня логического нуля ("0"), на выходе элемента 12 И-НЕ устанавливается высокий уровень напряжения, что исключает возможность протекания через резистор 5 базового тока транзистора 1, в результате чего транзистор 1 выключен и через резистор 7, диод 24 и нагрузку 15 ток не протекает (нагрузка 15 отключена от шины 19 источника питания). При отсутствии тока в коллекторной цепи транзистора 1 на резисторе 7 отсутствует какое-либо напряжение, поэтому транзистор 2 выключен, в его коллекторной цепи отсутствует ток, а на резисторе 10 отсутствует напряжение, что обеспечивает наличие уровня "0" на входе триггера 21 Шмитта. При этом на инверсном выходе триггера 21 установлен уровень логической единицы ("1"), который поступает на первые входы элементов 13 И и 12 И-НЕ. Уровень "0" с выходной клеммы 18 поступает на вход инвертора 14, в результате чего на его выходе - уровень "1", который поступает на второй вход элемента И 13. На обоих входах элемента И 13 оказываются уровни "1", следовательно, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения, обеспечивающий через резистор 4 протекание базового тока транзистора 3, в результате чего транзистор 3 оказывается включенным. Если к этому моменту времени на реактивных элементах нагрузки 15 было какое-то остаточное напряжение, то оно будет снято за счет подключения клеммы 23 нагрузки 15 к общей шине 17 через диод 22, резистор 7 и открытый транзистор 3.

При поступлении на входную клемму 18 уровня "1" на обоих входах элемента 12 И-НЕ оказываются уровни "1", а на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения, обеспечивающий через резистор 5 протекание базового тока транзистора 1 и включение транзистора 1. Коллекторный ток транзистора 1 протекает через резистор 7 и диод 24 в нагрузку 15. При этом транзистор 3 оказывается выключенным, так как в этот момент времени уровень "1" с входной клеммы 18, поступая на вход инвертора 14, устанавливает на его выходе, а следовательно, и на втором входе элемента 13 И уровень "0", в результате чего на выходе элемента 13 И - низкий уровень напряжения, и в базовой цепи транзистора 3 отсутствует ток.

Коллекторный ток транзистора 1, протекающий через резистор 7 в нагрузку, создает на резисторе 7 падение напряжения, однако номинал резистора 7 выбирается таким образом, чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем было бы недостаточно для появления базового тока транзистора 2, следовательно, транзистор 2 остается в выключенном состоянии.

Если по каким-либо причинам ток в нагрузке 15 станет выше допустимой величины (например, при коротком замыкании нагрузки), напряжение на резисторе 7 увеличится и станет достаточным для появления базового тока транзистора 2, что приведет к его включению. Коллекторный ток включившегося транзистора 2, протекая через резисторы 9 и 10, начнет заряжать конденсатор 11, и когда напряжение на нем достигнет верхнего значения петли гистерезиса (напряжение включения) триггера 21 Шмитта, триггер 21 переключится и на его инверсном выходе установится уровень "0", который заблокирует работу элементов 13 И и 12 И-НЕ по первым входам. На выходе элемента 12 И-НЕ установится высокий уровень напряжения, что отключит базовый ток транзистора 1 и приведет к его выключению и отключению нагрузки 15 от шины 19 источника питания. При этом выключится и транзистор 2, так как на резисторе 7 не будет напряжения, и прекратится ток в его коллекторной цепи. Конденсатор 11 начнет разряжаться через резистор 10. Такое отключенное состояние нагрузки будет сохраняться до тех пор, пока уменьшающееся напряжение на конденсаторе 11 не достигнет нижнего значения петли гистерезиса (напряжение выключения) триггера 21 Шмитта. После этого на инверсном выходе триггера 21 установится уровень "1", что приведет к установке на выходе элемента 12 И-НЕ низкого уровня напряжения, включению транзистора 1 и появлению тока в нагрузке 15. Если к этому моменту времени не будет ликвидировано аварийное состояние нагрузки (ток нагрузки будет превышать максимально допустимый), вновь включится транзистор 2, начнется заряд конденсатора 11 с последующим отключением нагрузки 15 от шины 19 источника питания по описанному выше принципу. Периодическое подключение и отключение нагрузки 15 (опрос состояния нагрузки) будет продолжаться до тех пор, пока не будет устранена причина аварийного тока в нагрузке. Период, с которым будет осуществляться опрос состояний нагрузки, определяется параметрами времязадающей цепи - конденсатор 11 - резистор 10 и шириной петли гистерезиса триггера 21 Шмитта. Таким образом, после устранения аварийного состояния нагрузки 15, она автоматически будет подключена к шине 19 источника питания, если на входной клемме 18 будет сохраняться уровень "1".

При поступлении на входную клемму 18 уровня "0", по описанной выше логике работы, выключится транзистор 1 и включится транзистор 3. Включившийся транзистор 3 осуществит быстрый разряд эквивалентной емкости нагрузки по цепи: клемма 23 - диод 22 - резистор 7 - транзистор 3 - общая шина 17. Если при включенном транзисторе 3, возникнет аварийная ситуация (например, случайное включение встречного напряжения на отключенную от шины питания нагрузку или появление на нагрузке наведенной ЭДС от грозовых разрядов), то возрастет ток коллектора транзистора 3, а следовательно, увеличится и падение напряжения на резисторе 7 до величины, достаточной для появления базового тока транзистора 2, что приведет к его включению. Коллекторный ток включившегося транзистора 2, протекая через резисторы 9 и 10, начнет заряжать конденсатор 11, и когда напряжение на нем достигнет верхнего значения петли гистерезиса триггера 21 Шмитта, триггер 21 переключится, и на его инверсном выходе установится уровень "0", который заблокирует работу элементов 13 И и 12 И-НЕ по первым входам. На выходе элемента 13 И установится низкий уровень напряжения, что отключит базовый ток транзистора 3 и приведет к его выключению и прекращению шунтирования нагрузки 15. При этом выключится и транзистор 2, так как на резисторе 7 не будет напряжения, и прекратится ток в его коллекторной цепи. Конденсатор 11 начнет разряжаться через резистор 10. Такое состояние будет сохраняться до тех пор, пока уменьшающееся напряжение на конденсаторе 11 не достигнет нижнего значения петли гистерезиса триггера 21 Шмитта. После этого на инверсном выходе триггера 21 установится уровень "1", что приведет к установке на выходе элемента 13 И высокого уровня напряжения, появлению базового тока транзистора 3 и его включению. Если к этому времени не будет отключено встречное напряжение в нагрузке, вновь включится транзистор 2, начнется заряд конденсатора 11 с последующим выключением транзистора 3 и прекращением шунтирования нагрузки 15 по описанному выше принципу. Периодическое прекращение шунтирования нагрузки 15 (опрос наличия встречного напряжения на нагрузке) будет продолжаться до тех пор, пока не прекратится действие встречного напряжения или наведенной ЭДС на нагрузке. Период опроса состояния нагрузки определяется теми же параметрами, как и в случае короткого замыкания нагрузки.

Таким образом, после устранения действия встречного напряжения на нагрузке 15 она автоматически будет зашунтирована и подключена к общей шине 17 через открытый транзистор 3, если на входной клемме 18 будет сохраняться уровень "0".

Следует отметить, что время заряда конденсатора 11, определяемое значением его емкости и номиналами резисторов 9 и 10, должно быть больше времени действия импульсных токов транзисторов 1 и 3, обусловленного временами заряда и разряда эквивалентной емкости нагрузки 15. С другой стороны, это время заряда не должно превышать допустимой длительности максимально допустимых импульсных токов транзисторов 1 и 3, возникающих при аварийных состояниях нагрузки 15.

Время разряда конденсатора 11, определяемое значением его емкости и номиналом резистора 10, не должно превышать допустимого времени готовности транзисторного ключа (времени его восстановления) после устранения аварии в нагрузке.

Стабилитрон 20 ограничивает амплитуду заряда конденсатора 11, что позволяет стабилизировать время готовности транзисторного ключа вне зависимости от амплитуд встречных напряжений. Одновременно стабилитрон 20 обеспечивает защиту входа триггера 21 от перенапряжений, в случае, если встречные напряжения на нагрузке будут иметь большую амплитуду.

Резистор 8 является принципиально необходимым, так как благодаря ему обеспечивается необходимая разность потенциалов между эмиттером включенного транзистора 2 и общей шиной при коротком замыкании нагрузки или встречном включении напряжения. Именно за счет этой разности потенциалов обеспечивается ток через резисторы 9 и 10 и заряд конденсатора 11.

Работа транзисторов 1 и 3 в режиме глубокого насыщения при включенном состоянии и отсечки в выключенном состоянии, а также тот факт, что заряд и разряд эквивалентной емкости нагрузки 15 происходит через один и тот же резистор 7, обеспечивают высокие ключевые свойства транзисторного ключа и одинаковые значения длительностей фронта и спада токовых импульсов.

Таким образом, предложенный транзисторный ключ, по сравнению с известным, практически не потребляет мощности от источника питания в аварийных состояниях нагрузки, следствием чего является и малая мощность рассеивания на элементах ключа, что является предпосылкой существенного повышения его надежности при микроминиатюризации.

Структура построения транзисторного ключа позволяет реализовать его с применением прогрессивных технологий в микроэлектронике (например, ПЛИС-технологий), что позволит создать высоконадежные и быстродействующие устройства для передачи цифровой информации в длинные линии связи.

Транзисторный ключ, содержащий первый и второй транзисторы одной структуры, третий транзистор другой структуры, семь резисторов, конденсатор, элемент И-НЕ, элемент И, инвертор, нагрузку, первый вывод которой подключен к общей шине, первому выводу конденсатора и эмиттеру третьего транзистора, база которого через первый резистор соединена с выходом элемента И, первый вход которого подключен к первому входу элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с входной клеммой и входом инвертора, выход которого подключен ко второму входу элемента И, выход элемента И-НЕ через второй резистор соединен с первым выводом третьего резистора и базой первого транзистора, эмиттер которого объединен с шиной источника питания и вторым выводом третьего резистора, а коллектор подключен через четвертый резистор к коллектору третьего транзистора, первый вывод пятого резистора соединен с базой второго транзистора, коллектор которого подключен через последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы к общей шине, отличающийся тем, что дополнительно содержит триггер Шмитта, два диода и стабилитрон, анод которого соединен с общей шиной, а катод подключен ко второму выводу конденсатора, точке соединения шестого и седьмого резисторов и входу триггера Шмитта, инверсный выход которого подключен к первым входам элементов И и И-НЕ, при этом эмиттер второго транзистора соединен с коллектором первого транзистора и катодом первого диода, анод которого подключен ко второму выводу нагрузки и катоду второго диода, анод которого соединен с коллектором третьего транзистора и вторым выводом пятого резистора.