КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ
SWITCHING DEVICES WITH TRANSFORMER GALVANIC ISOLATION OF CONTROL CIRCUITS

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к интерфейсным устройствам радиоэлектронной аппаратуры, реализующей функции управления исполнительными элементами.
Известно твердотельное реле, содержащее оптрон, коммутирующий элемент, состоящий из первого и второго полевых транзисторов, узел увеличения скорости, состоящий из резистора и третьего полевого транзистора, затвор которого соединен с первым контактом резистора и с первым входом узла увеличения скорости, исток третьего полевого транзистора соединен со вторым контактом резистора и с первым выходом узла увеличения скорости, сток третьего полевого транзистора соединен со вторым выходом узла увеличения скорости, и резистор, первый контакт которого соединен со вторым выходом узла увеличения скорости, первый выход которого соединен с первым входом коммутирующего элемента, второй вход которого соединен со вторым контактом резистора и с первым выходом оптрона, второй выход которого соединен с первым входом узла увеличения скорости, причем первый и второй входы оптрона являются первым и вторым входами твердотельного реле, первый и второй выходы которого являются первым и вторым выходами коммутирующего элемента [1].
Недостатком устройства является невысокая надежность и значительное потребление в цепях управления.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является твердотельное реле, содержащее входную схему, оптрон, коммутирующий элемент, состоящий из первого и второго полевых транзисторов, схему защиты от перегрузки, состоящую из первого и второго диодов, и поглощающий фильтр, первый контакт которого соединен с первым выходом схемы защиты от перегрузки и с первым выходом коммутирующего элемента, второй выход которого соединен со вторым контактом поглощающего фильтра и вторым выходом схемы защиты от перегрузки, вход которой соединен с первыми контактами оптрона и первого резистора и с первым входом коммутирующего элемента, второй вход которого соединен со вторым контактом оптрона, третий и четвертый контакты которого соединены с первым и вторым выходами входной схемы, первый и второй входы которой являются первым и вторым входами твердотельного реле, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым контактами поглощающего фильтра [2].
Недостатком этого устройства является невысокая надежность и значительное потребление в цепях управления.
Задачей изобретения является повышение надежности и снижение потребления в цепях управления.
Сущность заявляемого изобретения, возможность его осуществления и промышленного использования поясняются чертежами, представленными на фиг.1-7, где:
- на фиг.1 представлена функциональная схема коммутационных устройств с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления (далее коммутационных устройств);
- на фиг.2 представлена схема резервирования выходов команд управления (КУ);
- на фиг.3 представлена временная диаграмма работы коммутационных устройств;
- на фиг.4 представлена таблица истинности коммутационных устройств;
- на фиг.5 представлена микросборка с крышкой;
- на фиг.6 представлена микросборка с крышкой в разрезе;
- на фиг.7 представлена структурная схема микросборки с крышкой.
Указанные преимущества заявляемых коммутационных устройств перед прототипом достигаются за счет того, что в коммутационные устройства, содержащие первую 1 входную схему, первый 2 коммутирующий элемент, состоящий из первого 3 и второго 4 полевых транзисторов, первую 5 схему защиты от перегрузки, состоящую из первого 6 диода и третьего 7 полевого транзистора, с целью повышения надежности и снижения потребления в цепях управления дополнительно введены вторая 8 входная схема, третья 9 входная схема, первый 10 трансформатор, второй 11 трансформатор, третий 12 трансформатор, второй 13, третий 14, четвертый 15, пятый 16, шестой 17 диоды, четвертый 18, пятый 19, шестой 20 полевые транзисторы, первый 21, второй 22, третий 23 конденсаторы, первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27, пятый 28, шестой 29 резисторы, первый 30, второй 31 и третий 32 генераторы, выходы 33, 34, 35 которых соединены с первыми входами первой 1, второй 8 и третьей 9 входными схемами соответственно, первые выходы 36, 37, 38 которых соединены с первыми контактами первого 21, второго 22 и третьего 23 конденсаторов, вторые контакты которых соединены с первыми контактами первичных обмоток первого 10, второго 11 и третьего 12 трансформаторов, вторые контакты которых соединены со вторыми выходами 39, 40, 41 первой 1, второй 8 и третьей 9 входными схемами, вторые входы которых соединены с первым 42, вторым 43 и третьим 44 входами коммутационных устройств, четвертый 45, пятый 46 и шестой 47 входы которых соединены с первыми входами первого 30, второго 31, третьего 32 генераторов и с третьими входами первой 1, второй 8 и третьей 9 входными схемами, причем первый 48 контакт первой вторичной обмотки первого 10 трансформатора соединен с первым контактом шестого 17 диода, второй контакт которого соединен с затвором шестого 20 полевого транзистора и с первым контактом шестого 29 резистора, второй контакт которого соединен со стоками четвертого 18 и шестого 20 полевых транзисторов, с истоком пятого 19 полевого транзистора, со вторым контактом третьего 26 резистора, со вторыми 49, 50 контактами второй и первой вторичными обмотками второго 11 и первого 10 трансформаторов, первый 51 контакт второй вторичной обмотки второго 11 трансформатора соединен с первым контактом четвертого 15 диода, второй контакт которого соединен с первым контактом третьего 26 резистора, с затвором четвертого 18 полевого транзистора, первый 52 контакт второй вторичной обмотки первого 10 трансформатора соединен с первым контактом третьего 14 диода, второй контакт которого соединен с первым контактом второго 25 резистора, с затвором второго 4 полевого транзистора, исток которого соединен со стоками первого 3 и третьего 7 полевых транзисторов, со вторыми контактами первого 24 и пятого 28 резисторов, со вторыми 53, 54 контактами первой вторичной обмотки второго 11 трансформатора и второй вторичной обмотки третьего 12 трансформатора, первый 55 контакт которой соединен с первым контактом первого 6 диода, второй контакт которого соединен с первым контактом пятого 28 резистора и с затвором третьего 7 полевого транзистора, исток которого соединен с истоком первого 3 полевого транзистора и является первым 56 выходом коммутационных устройств, второй 57 выход которых соединен со стоком второго 4 полевого транзистора, со вторыми контактами второго 25 резистора и второй 58 вторичной обмоткой первого 10 трансформатора, причем первый 59 контакт первой вторичной обмотки второго 11 трансформатора соединен с первым контактом второго 13 диода, второй контакт которого соединен с первым контактом первого 24 резистора и затвором первого 3 полевого транзистора, причем третий 60 выход коммутационных устройств соединен с истоками четвертого 18 и шестого 20 полевых транзисторов, четвертый 61 выход коммутационных устройств соединен со стоком пятого 19 полевого транзистора, со вторыми контактами четвертого 27 резистора и первой 62 вторичной обмотки третьего 12 трансформатора, первый 63 контакт которого соединен с первым контактом пятого 16 диода, второй контакт которого соединен с первым контактом четвертого 27 резистора, затвором пятого 19 полевого транзистора, причем седьмой 64, восьмой 65, девятый 66 входы коммутационных устройств соединены со вторыми входами первого 30, второго 31 и третьего 32 генераторов, коммутационные устройства размещены в микросборке с крышкой 67, выполненные в виде цифровых кристаллов и трансформаторов, резисторов и конденсаторов, выводы «питания» и «общий» которых соединены с соответствующими отдельными слоями микросборки, а разводка коммутационных устройств выполнена в двух других слоях.
Коммутационные устройства работают следующим образом.
Применение силовых ключей в интерфейсных устройствах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), реализующей функции управления исполнительными элементами, увеличивает тепловыделение в силовых ключах и требует реализации эффективного теплоотвода, также возрастают коммутационные помехи, что вынуждает принимать меры по защите слаботочных цепей РЭА, реализующих логические функции управления.
Функциональная схема коммутационных устройств с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления представлена на фиг.1.
Обеспечение эффективного теплоотвода может быть решено выбором коммутационного элемента 2 (первый 3 и второй 4 полевые транзисторы) с низким сопротивлением в открытом состоянии, что позволяет уменьшить тепловыделение и затраты на отвод тепла. Этому требованию удовлетворяют мощные МОП-транзисторы специального назначения 2П7132-5 [3]. Обеспечение эффективной защиты от помех сводится к введению в цепи управления коммутационных элементов схем с гальванической развязкой цепей управления силовым ключом и его выхода, потери энергии в такой схеме могут быть сведены к минимуму.
Увеличение надежности коммутационных устройств достигается за счет резервирования КУ. Выдача резервированных КУ при подаче на вход коммутационных устройств информации с трех каналов выполняется в соответствии со схемой, представленной на фиг.2. На основном выводе формируется инверсный сигнал, когда в канале В или С и А присутствуют логические единицы. На резервном выводе формируется инверсный сигнал, когда в канале А или В и С присутствуют логические единицы. Временная диаграмма работы коммутационных устройств представлена на фиг.3.
Каждый канал для функционирования тактируется от своего генератора (30, 31, 32). При подаче на входы каналов (42, 43, 44) команды на входных схемах (1, 8, 9) заполняются частотой от своих генераторов (30, 31, 32) и усиливаются, затем команды в виде импульсов поступают на первичные обмотки (36, 39; 37, 40; 38, 41) трансформаторов (10, 11, 12) (трансформаторная развязка). Со вторичной обмотки эти же команды поступают через второй 13 и третий 14 диоды на вход коммутационного элемента 2, где за счет входной емкости формируется сигнал, полностью повторяющий форму и длительность входного сигнала. Коммутационный элемент 2 открывается, подключая активную нагрузку.
Работа при всех комбинациях входных команд полностью определяется таблицей истинности коммутационных устройств, представленной на фиг.4.
Решение проблем коммутационных устройств приводит к дополнительным аппаратным затратам, которые решаются благодаря размещению кристаллов микросхем и трансформаторов и других РЭ в микросборке с крышкой, представленной на фиг.5 и фиг.6.
Структурная схема микросборки с крышкой представлена на фиг.7. В микросборке размещается шесть коммутационных устройств. Размещение коммутационных устройств на микросборке с крышкой позволяет повысить надежность и улучшить весогабаритные характеристики.
Источники информации
1. Патент USA №5138177, кл. 250/551, 307/311, кл. G02B 27/00, 1992 г.
2. Патент USA №7023681 В2, кл 361/118, 361/93.1, кл. Н02Н 9/00 (прототип).
3. Микросхема 2П7132-5 АЕЯР.432140.542ТУ.