МНОГОКАНАЛЬНОЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ РЕЛЕ С ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИСЯ КОНТАКТАМИ
MULTI-CHANNEL SOLID-STATE RELAY WITH SWITCHING CONTACTS

Изобретение относится к электронной коммутационной технике и может быть использовано для коммутации силовых цепей постоянного и переменного тока.
Известно твердотельное реле (Патент US №6462603, 2002), состоящее из источника постоянного тока, блока генератора, изолирующих трансформаторов и коммутаторов.
Недостатком устройства является избыточная сложность и количество элементов схемы, что приводит к увеличению габаритов и энергопотребления устройства.
Наиболее близким к заявленному изобретению является электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой (Патент Российской Федерации №2375816, кл. Н03K 17/00, 2009), содержащее первый электронный ключ на DМОП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, имеющий первичную и первую вторичную обмотки, первый выпрямительный диод, первый токоограничительный резистор, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй входы управления, первый и второй выходы, второй выпрямительный диод, второй токоограничительный резистор, второй электронный ключ на DМОП транзисторе со встроенным каналом, третий выход реле, первый и второй резисторы разряда, вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора. В предложенном устройстве управляющее напряжение, приложенное к входам управления, стабилизируется до необходимого для работы реле уровня стабилитроном и поступает на входы генератора импульсов, который формирует прямоугольные импульсы, поступающие на первичную обмотку импульсного трансформатора. Во вторичных обмотках трансформатора также формируются прямоугольные импульсы, выпрямляемые при помощи выпрямительных диодов, и заряжающие через первый и второй токоограничительный резисторы затворы первого и второго DMOП транзисторов соответственно. При этом, внутреннее сопротивление Rси первого DМОП транзистора уменьшается до сотен мОм, реализуя, таким образом, функцию «замыкающего контакта», а внутреннее сопротивление Rси второго DMOП транзистора со встроенным каналом возрастает до сотен МОм, реализуя, таким образом, функцию «размыкающего контакта».
Недостатком прототипа является ограничение его функциональных возможностей из-за неспособности коммутации переменного напряжения и чувствительности к направлению протекающего через нагрузку тока.
Кроме того, прототип имеет низкое быстродействие, так как разряд затворных емкостей коммутирующих транзисторов осуществляется через разрядные резисторы, что неэффективно. При малом значении их сопротивлений увеличится ток потребления на холостом ходу по цепи управления, а при больших значениях их сопротивлений увеличится время разряда затворной емкости.
Помимо перечисленных недостатков, прототип имеет низкую надежность, так как не снабжено защитой от кратковременного превышения («скачков») управляющего напряжения. Стабилитрон, используемый для стабилизации входного напряжения, является маломощным электронным элементом, рассчитанным на малые токи; следовательно, высока вероятность того, что внезапный импульс повышенного напряжения, превышающего номинальное значение управляющего напряжения, приведет к пробою стабилитрона.
Технической задачей изобретения является обеспечение коммутации двунаправленных силовых сигналов и независимости от направления тока, текущего через нагрузку, а также повышение быстродействия и увеличение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее генератор импульсов, первый и второй входы управления, дополнительно введены блок защиты и стабилизации, блок гальванической развязки, цепь сброса; N коммутационных каналов, состоящих из пары двунаправленных коммутаторов, первого и второго выходов реле, третьего выхода реле; причем первый и второй входы блока защиты и стабилизации соединены с первым и вторым входами управления соответственно, а первый выход блока защиты и стабилизации - с первым входом генератора импульсов; первый выход генератора импульсов - с первым входом блока гальванической развязки, первый и второй выходы блока гальванической развязки - с первыми входами каждого из двунаправленных коммутационных элементов, третий выход блока гальванической развязки - с первым входом цепи сброса, первый выход первого коммутационного элемента и второй выход второго коммутационного элемента - со вторым и третьим входами цепи сброса, второй выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом реле, третий выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом второго коммутационного элемента и третьим выходом реле, а третий выход второго коммутационного элемента соединен со вторым выходом реле.
На фиг. 1 представлена структурная схема многоканального твердотельного реле с переключающимися контактами с количеством каналов N=1.
На фиг. 2 представлена структурная схема многоканального твердотельного реле с переключающимися контактами с количеством каналов N=1 с указанием внутриблочных входов и выходов.
На фиг. 3 представлена структурная схема многоканального твердотельного реле с переключающимися контактами.
Многоканальное твердотельное реле с переключающимися контактами состоит из блока защиты и стабилизации 1, представляющего из себя линейный понижающий стабилизатор, собранный из дискретных компонентов или на базе унифицированных микросхем, генератора импульсов 2, который может быть построен на элементах стандартной логики или транзисторах по схеме мультивибратора, блока гальванической развязки 3, выполненного на базе трансформатора, цепи сброса 4, представляющей из себя автоматически срабатывающий в момент снятия управляющего напряжения коммутатор, N коммутационных каналов, состоящих из пары двунаправленных коммутаторов - первого двунаправленного коммутатора 5, реализующего функцию «замыкающего контакта», и второго двунаправленного коммутатора 6, реализующего функцию «размыкающего контакта», первого 7 и второго 8 входов управления, первого 9 и второго 10 выходов реле, третьего 11 выхода реле.
Первый двунаправленный коммутатор может быть выполнен на МОП-транзисторах с индуцированным каналом (Enhancement mode MOSFET), биполярных транзисторах, мощных тиристорах или биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT). Второй двунаправленный коммутатор может быть выполнен на МОП-транзисторах со встроенным каналом (Depletion mode MOSFET) или полевых транзисторах с управляющим р-n переходом (JFET).
Многоканальное твердотельное реле с переключающимися контактами работает следующим образом.
В исходном состоянии, когда на входы управления 7 и 8 не подано управляющее напряжение, первый коммутатор 5 закрыт и ток между первым 9 и третьим 11 выходами реле не течет, второй коммутатор 6 открыт и ток свободно протекает между вторым 10 и третьим 11 выходами реле.
После подачи на входы управления 7 и 8 управляющего напряжения включается блок защиты и стабилизации 1, осуществляющий стабилизацию входного напряжения до уровня, необходимого для работы элементов генератора импульсов 2. Генератор импульсов, в свою очередь, начинает формировать прямоугольные импульсы, поступающие на первичную обмотку импульсного трансформатора, расположенного в блоке гальванической развязки 3. В соответствии с коэффициентом преобразования во вторичных обмотках трансформатора также формируются прямоугольные импульсы, которые впоследствии выпрямляются и фильтруются. Получаемый на выходе блока 3 управляющий сигнал поступает на входы первого 5 и второго 6 коммутаторов. Начинают заряжаться затворные емкости силовых транзисторов, расположенные внутри коммутаторов. Когда заряд затвора начинает превышать пороговый уровень, транзисторы переходят в режим насыщения. Причем при этом первый коммутатор 5 переходит в открытое состояние и ток начинает свободно протекать между первым 9 и третьим 11 выходами реле, а второй коммутатор 6 переходит в закрытое состояние и ток между вторым 10 и третьим 11 выходами реле протекать прекращает.
После снятия со входов управления 7 и 8 управляющего напряжения последовательно отключаются блок защиты и стабилизации 1, генератор импульсов 2 и блок гальванической развязки 3. Напряжение управляющего сигнала, выходящего из блока 3, начинает линейно снижаться. В момент, когда оно становится меньше потенциала заряженной емкости силовых транзисторов, расположенных внутри коммутаторов, включается цепь сброса 4, обеспечивающая интенсификацию процесса разряда затворных емкостей. После этого устройство переходит в свое исходное состояние.
Таким образом, обеспечение коммутации двунаправленных силовых сигналов и независимости от направления тока, текущего через нагрузку, а также повышение быстродействия и увеличение надежности устройства.