Вентиль электрический
Владельцы патента RU 2451385:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано в выпрямителях, в устройствах с параллельным соединением источников напряжения питания на общую нагрузку и т.п. Технический результат - увеличение коэффициента полезного действия системы электропитания и надежности за счет снижения сопротивления вентиля электрического в открытом состоянии и уменьшения рассеиваемой мощности. Эта задача решается тем, что вентиль электрический содержит управляемый ключ и компаратор, управляемый ключ содержит два управляемых элемента, каждый из которых имеет силовой вывод, вывод управления и общий вывод, компаратор имеет два входа, выход, общий вывод и выводы питания, управляемые элементы управляемого ключа соединены последовательно встречно, для чего общий вывод первого управляемого элемента и общий вывод второго управляемого элемента соединены и образуют общую цепь управляемого ключа, которая соединена с общим выводом компаратора, при этом вывод управления первого управляемого элемента и вывод управления второго управляемого элемента соединены между собой и образуют вход управления управляемого ключа, который соединен с выходом компаратора, силовой вывод первого управляемого элемента образует вывод анода вентиля электрического и соединяется с одним из входов компаратора, силовой вывод второго управляемого элемента образует вывод катода вентиля электрического и соединяется с другим входом компаратора, выводы питания компаратора образуют входы питания вентиля электрического. 3 ил.
Вентиль электрический относится к области электротехники и электроники и может быть использован в выпрямителях, в устройствах с параллельным соединением источников напряжения питания, работающих на общую нагрузку, в ответственных системах с резервированием электропитания, в зарядно-разрядных устройствах и т.п. Функционально - это полупроводниковый диод, обладающий высокой проводимостью для токов прямого направления и низкой - для токов обратного направления.
Диод (вентиль электрический) известен широко, применяется он в выпрямителях переменного напряжения [1], в системах электропитания, содержащих два и более одинаковых блока питания для увеличения мощности в нагрузке [2], для соединения резервирующих источников питания с целью увеличения надежности системы электропитания и т.д.
Однако в силу большого падения напряжения на диодах при номинальных рабочих токах их применение, особенно в низковольтных устройствах, заранее предопределяет низкий КПД этих устройств. При больших мощностях выпрямителей это требует больших теплоотводов, что ухудшает масс-габаритные характеристики блоков питания и тому подобных устройств, что является большим недостатком для аппаратуры, применяемой в летательных аппаратах.
По техническому исполнению не найдено известное устройство, имеющее с данным изобретением общие признаки и сходное функциональное назначение, в связи с чем предложенное изобретение рассматривается как не имеющее прототипа. Вместе с тем, наиболее близким аналогом по функциональному назначению является именно диод, в связи с чем именно с его техническими характеристиками производится сравнение технических характеристик данного изобретения.
Технический результат предложенного изобретения - увеличение коэффициента полезного действия при использовании предложенного вентиля электрического в системах электропитания за счет уменьшения падения напряжения на вентиле электрическом для токов в прямом направлении по сравнению с падением напряжения на диоде.
Этот результат достигается тем, что вентиль электрический содержит управляемый ключ и компаратор, управляемый ключ содержит два управляемых элемента, каждый из которых имеет силовой вывод, вывод управления и общий вывод, компаратор имеет два входа, выход, общий вывод и выводы питания, управляемые элементы управляемого ключа соединены последовательно встречно, для чего общий вывод первого управляемого элемента и общий вывод второго управляемого элемента соединены и образуют общую цепь управляемого ключа, которая соединена с общим выводом компаратора, при этом вывод управления первого управляемого элемента и вывод управления второго управляемого элемента соединены между собой и образуют вход управления управляемого ключа, который соединен с выходом компаратора, силовой вывод первого управляемого элемента образует вывод анода вентиля электрического и соединяется с одним из входов компаратора, силовой вывод второго управляемого элемента образует вывод катода вентиля электрического и соединяется с другим входом компаратора, выводы питания компаратора образуют входы питания вентиля электрического.
На фиг.1 приведена блок-схема предложенного вентиля электрического, на фиг.2 - простейший пример его применения, на фиг.3 - вольтамперные характеристики предложенного вентиля электрического iвэ=f(uвэ) и диода iд=f(uд), при этом на чертежах и далее в тексте обозначены:
1 - управляемый ключ;
2 - компаратор;
3 - выход компаратора,
4 - вход управления управляемого ключа,
5, 6 -входы компаратора;
7 - общая цепь,
8 - анод,
9 - катод (силовые выводы электронного ключа),
10, 11 - вольтамперные характеристики вентиля электрического и диода,
VT1, VT2 - управляемые элементы,
с - сток (силовой вывод каждого из управляемых элементов VT1, VT2),
u - исток (общий вывод каждого из управляемых элементов VT1, VT2),
з - затвор (вывод управления управляемых элементов VT1, VT2),
Е - цепи питания компаратора,
Rн, Сн - сопротивление и конденсатор нагрузки,
u, i - напряжения и токи вентиля электрического,
uд, uвэ - напряжение на диоде и напряжение на вентиле электрическом,
iн - ток нагрузки.
Предложенное устройство выполнено следующим образом.
Управляемый ключ 1 состоит из двух последовательно встречно включенных управляемых элементов VT1 и VT2. Для примера здесь показаны полевые транзисторы с проводимостью n-типа. В качестве управляемых элементов могут быть использованы также любого типа биполярные транзисторы р-n-р или n-р-n проводимости, но - предпочтительно - полевые транзисторы. При этом общие выводы этих элементов (исток, эмиттер), относительно которых на их управляющие входы (затвор, база) подаются управляющие сигналы, объединены в общую цепь 7 управляемого ключа 1. С этой же цепью соединяется общий вывод компаратора 2. Второй силовой вывод управляемого элемента VT1 управляемого ключа 1 (сток, коллектор) образует анод 8 устройства, а второй силовой вывод управляемого элемента VT2 управляемого ключа 1 образует катод 9 устройства. Если в управляемом ключе 1 применены управляемые элементы VT1 и VT2 противоположной проводимости, то анод с катодом меняются местами, но принцип действия не изменяется. В зависимости от типа управляемых элементов VT1 и VT2 их силовые выводы могут быть зашунтированы обратными диодами (образуются в процессе выращивания полупроводниковых структур), как это показано на фиг.1. Управляемый ключ 1 выполнен симметричным и, когда он открыт, может пропускать ток в любом направлении, а когда закрыт, то не пропускает ток ни в одном направлении. Его эквивалентная схема может быть представлена некоторым низкоомным сопротивлением r в открытом состоянии (доли Ома и даже единицы мОм) и высокоомным сопротивлением R - в закрытом состоянии (сотни кОм и даже десятки МОм). При этом в первом случае на ключе будет незначительное падение напряжения (десятые и даже сотые доли вольта) от протекающего по нему тока, а в другом - напряжение, зависящее от схемы включения предложенного устройства и значения рабочих напряжений системы, в которой предложенное устройство применено. Быстродействие предложенного вентиля электрического будет определяться совокупностью переходных процессов в компараторе 2 и в самих управляемых элементах VT1 и VT2.
Анод 8 устройства и его катод 9 соединены с входами 5 и 6 компаратора 2, выход 3 которого соединен с управляющим входом 4 управляемого ключа 1.
На фиг.1 компаратор 2 показан с проходной характеристикой Uo=f(Ui), имеющей два состояния выходного напряжения. На проходной характеристике:
Ui - напряжение на входе компаратора (разность напряжений между выводами 5 и 6 компаратора 2),
Uo - напряжение на выходе 3 компаратора 2.
Напряжение на выходе 3 компаратора 2 имеет два значения - «ноль» и «единица». При этом «ноль» - это некоторое напряжение (или ток), которое способно закрыть управляемый ключ 1, если его приложить к управляющему входу 4 относительно общей цепи 7, а «единица» - это значение напряжения (или тока), которое способно надежно открыть управляемый ключ 1. При этом в зависимости от типов использованных в управляемом ключе 1 управляемых элементов VT1 и VT2 (проводимости n- или p-типа) значениям «ноль» и «единица» могут соответствовать как положительные напряжения (токи), так и отрицательные.
Напряжение питания Е компаратора 2 (его полярность и фактическое значение этого напряжения) зависит от конкретного исполнения компаратора 2 предложенного устройства, типов использованных управляемых элементов VT1 и VT2, а также конкретным устройством, в котором применен данный вентиль электрический. В дальнейшем в описании работы устройства источник напряжения питания Е, как таковой, не рассматривается, поскольку такие устройства широко освещены и в технической и в учебной литературе. Единственное (хотя и не строго обязательное) требование к источнику питания Е - его гальваническая развязка от источников питания силовой части (анод 8 и катод 9) конкретного устройства.
Компаратор 2 реагирует на падение напряжения на омическом сопротивлении r управляемого ключа 1, когда управляемый ключ 1 открыт, либо на напряжение на нем, когда он закрыт. Компаратор 2 в проходной характеристике может не иметь гистерезиса, может иметь симметричный или несимметричный гистерезис, в зависимости от особенностей конкретного применения предложенного вентиля электрического.
Описание работы устройства приводится при использовании в нем в качестве управляемых элементов VT1 и VT2 полевых транзисторов n-типа. Для них сигнал «ноль» - это реальный ноль напряжения или отрицательное напряжение в несколько вольт на управляющем электроде (затвор), а сигнал «единица» - положительное напряжение не более 5-10 В.
Конкретное исполнение схемы устройства, изображенное на фиг.1, когда анод 8 соединен с прямым входом 5 компаратора 2, а катод 9 соединен с инвертирующим входом 6 компаратора 2, обеспечивает протекание тока в нагрузку только от вывода 8 (анод) к выводу 9 (катод) вентиля электрического. При таком устройстве предложенного вентиля электрического он может быть представлен эквивалентной схемой в виде диода, анод 8 которого образован силовым выводом (сток) управляемого элемента VT1, а катод - силовым выводом (также сток) управляемого элемента VT2, в соответствии с фиг.2.
Рабочим режимом предложенного вентиля электрического в составе устройства по фиг.2 является наличие напряжения питания (переменного или пульсирующего) на аноде 8 относительно общей шины («земля») и любого вида нагрузки, включенной между катодом 9 и общей шиной, как это показано на фиг.2.
Следует заметить, что использование в управляемом ключе управляемых элементов р- или р-n-р типа предполагает изменение полярности управляющих сигналов («нуля» и «единицы») для обеспечения правильной работы управляемого ключа. Для этого достаточно применить компаратор, у которого выходной сигнал инвертирован, либо поменять подключение прямого и инвертирующего входов компаратора, либо поменять местами обозначения анода и катода управляемого ключа. Принцип действия вентиля электрического не изменится.
Работает вентиль электрический следующим образом (естественно, при наличии напряжения питания Е компаратора 2).
Допустим, что на аноде 8 - переменное напряжение, а к катоду 9 подключена резистивная нагрузка Rн, зашунтированная конденсатором Сн (фиг.2). При выполнении устройства по двухтактной схеме в него может быть введен дроссель по классической схеме (на фиг.2 не показано).
При подаче переменного напряжения силового питания компаратор 2 в первый момент устанавливается в состояние, определяемое разностью потенциалов на его входах 5 и 6. Если напряжение на аноде 8 устройства и на прямом входе 5 компаратора 2 отрицательное по сравнению с напряжением на катоде 9 устройства и на инвертирующем входе 6 компаратора 2, то на выходе 3 компаратора 2 устанавливается отрицательное напряжение или иное, соответствующее управляющему «нулю». Управляемый ключ 1 при этом закрыт и его сопротивление R определяется только токами утечки управляемых элементов VT1 и VT2 и входными токами, протекающими между входами 5 и 6 компаратора 2. По мере увеличения напряжения на аноде 8 наступает момент, когда разность потенциалов на входах 5 и 6 компаратора меняет знак. Компаратор 2 переключается и на выходе 3 компаратора 2 устанавливается напряжение, соответствующее «единице» на входе управления 4 управляемого ключа 1. С этого момента управляемый ключ 1 открывается, его сопротивление уменьшается до значения, равного r и практически не изменяется, пока управляемый ключ открыт. И с этого же момента в нагрузку RнСн (фиг.2) начинает течь ток. По мере возрастания напряжения на аноде 8 устройства растет и ток в нагрузке (поз.10 на фиг.3). Далее напряжение на аноде 8 устройства начинает уменьшаться, уменьшается и ток в нагрузке. Наконец наступает момент равенства входного напряжения и напряжения на нагрузке, ток от источника входного напряжения прекращается и далее стремится поменять знак. В этот момент разность потенциалов на входах 5 и 6 компаратора 2 также меняет знак, компаратор перебрасывается в состояние «ноль» и закрывает управляемый ключ 1. С этого момента ток в нагрузку RнСн больше не течет. Таким образом, включается управляемый ключ 1 при положительной разности напряжений между его анодом 8 и катодом 9, близкой к нулю, а выключается - при отрицательном напряжении (и токе), также близком к нулю. После выключения управляемого ключа 1 напряжение между входами 5 и 6 компаратора 2 становится отрицательным и удерживает его в состоянии «ноль». По аналогии поочередно работают управляемые ключи и в двухтактной схеме (на чертежах не показано).
Такая работа выпрямителя, приведенного на фиг.2, ничем не отличается от работы простейшего выпрямителя на диоде [1]. При этом в предложенном устройстве ток в нагрузку начинает течь с момента, когда напряжение на аноде 8 устройства только начало превышать напряжение на нагрузке (с разностью единицы милливольт) и протекает до момента, когда напряжение на аноде 8 только стало меньше напряжения на нагрузке примерно на такую же величину. В то время как выпрямитель на обычном диоде в такой же схеме устройства начинает пропускать ток в нагрузку, когда входное напряжение превысит напряжение на нагрузке по крайней мере на (0,5-0,7) В, а то и более 1 В и кончает течь уже при напряжении на входе, превышающем напряжение на нагрузке на такое же значение. Из-за дополнительного падения напряжения на диоде (uд-uвэ) происходит большая потеря входного напряжения и мощности, особенно в низковольтных выпрямителях - до 10% и более. Предложенное устройство позволяет существенно уменьшить потери мощности, что снижает нагрев элементов и увеличивает надежность их работы и технический ресурс. Кроме того, это, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить радиатор либо обойтись вообще без него, т.е. упростить конструкцию устройства. Упрощение конструктивной части устройства ведет к улучшению его масс-габаритных характеристик, что существенно для устройств летательных аппаратов.
Таким образом, сравнение выпрямителя на диоде и выпрямителя с применением предложенного вентиля электрического с точки зрения КПД оказывается в пользу предложенного изобретения. Это преимущество проявляется и при других вариантах использования данного изобретения, например, при включении параллельно двух и более одинаковых источников питания на одну нагрузку (например, в мощных блоках питания, имеющих модульную структуру) - для увеличения мощности в нагрузке, а также в системах с резервированием источников питания, в системах с использованием аккумуляторных батарей и др. В частности, при дублировании источников питания с аккумуляторными батареями и подключением их к одной нагрузке всегда будет работать та батарея, которая имеет большее напряжение. При этом вторая батарея будет полностью отключена и в нее не будет протекать ток заряда от первой батареи, разряжающий эту первую батарею. Подключение второй батареи произойдет только тогда, когда за счет разряда первой батареи напряжение на второй батарее станет чуть больше, чем напряжение на нагрузке. С этого момента обе батареи будут работать на нагрузку параллельно.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренном автором предложении не встречалась ранее для решения поставленной технической задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы серийные транзисторы (предпочтительны - полевые транзисторы, требующие минимальной мощности управления - единицы милливатт и даже менее) и компараторы, имеющие допустимые входные напряжения не менее максимального значения рабочих напряжений системы. Для ограничения напряжения между входами компаратора могут быть применены нелинейные элементы - диоды, стабилитроны, варисторы, а для ограничения тока по цепям управления - резисторы.
Устройство может быть выполнено как на дискретных элементах (в том числе - в виде микросборки), так и в виде монолитной полупроводниковой структуры - микросхемы. Полупроводниковая технология это позволяет.
Литература
1. Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. Киев: «Технiка», 1978 г., стр.6.
2. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания. М.: Энерготомиздат, 1990 г., с.139, рис.5.4.
Вентиль электрический содержит управляемый ключ и компаратор, управляемый ключ содержит два управляемых элемента, каждый из которых имеет силовой вывод, вывод управления и общий вывод, компаратор имеет два входа, выход, общий вывод и выводы питания, управляемые элементы управляемого ключа соединены последовательно встречно, для чего общий вывод первого управляемого элемента и общий вывод второго управляемого элемента соединены и образуют общую цепь управляемого ключа, которая соединена с общим выводом компаратора, при этом вывод управления первого управляемого элемента и вывод управления второго управляемого элемента соединены между собой и образуют вход управления управляемого ключа, который соединен с выходом компаратора, силовой вывод первого управляемого элемента образует вывод анода вентиля электрического и соединяется с одним из входов компаратора, силовой вывод второго управляемого элемента образует вывод катода вентиля электрического и соединяется с другим входом компаратора, выводы питания компаратора образуют входы питания вентиля электрического.
