ДВУХКАСКАДНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КОММУТАТОР

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для бесконтактной коммутации нагрузки, представляющей собой резонансный контур, посредством подачи управляющего высокочастотного сигнала на вход устройства.
Известно применение транзистора в качестве элемента, обеспечивающего коммутацию нагрузки [1, с. 104, 105]. Между входом для подачи управляющего сигнала и общим проводом включена последовательная цепь, содержащая резистор и переход база - эмиттер транзистора, один из выводов нагрузки соединен с коллектором транзистора, другой вывод нагрузки соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс источника питания соединен с общим проводом. Такая схема непригодна, если требуется инверсия управляющего сигнала по отношению к напряжению на нагрузке.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является схема каскадного соединения двух ключевых транзисторов [1, с. 107]. Между входом управляющего сигнала и общим проводом последовательно включены первый резистор и переход база - эмиттер первого транзистора, между коллектором первого транзистора и общим проводом включен переход база - эмиттер второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с одним из выводов нагрузки. Недостатком прототипа является то, что в схеме прототипа, для перевода второго транзистора во включенное состояние используется дополнительный источник питания, поэтому, между положительным полюсом дополнительного источника питания и базой второго транзистора включен резистор, задающий ток базы. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве задача перевода второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора во включенное состояние решена без использования какого - либо дополнительного источника питания.
Также известен способ решения задачи перевода второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора во включенное состояние [1, с. 191], который состоит в том, что в качестве источника питания, задающего ток базы второго транзистора, используется тот же источник питания, от которого питается нагрузка (резонансный контур), т.е. резистор, задающий ток базы второго транзистора включается между выводом базы второго транзистора и положительным полюсом источника питания, от которого питается нагрузка (резонансный контур). При таком способе решения задачи перевода второго транзистора во включенное состояние дополнительный источник питания не требуется, но, наличие резистора, задающего ток базы второго транзистора, создает условия для возникновения явления самовозбуждения второго транзистора, т.к. появляется паразитная связь, передающая энергию высокочастотных колебаний резонансного контура на базу второго транзистора. Это является недостатком данного способа.
В отличие от прототипа предлагаемое устройство не создает (насколько это возможно) паразитную связь между нагрузкой (резонансный контур) и базой второго транзистора, т.е. устраняется условие возникновения явления самовозбуждения второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора, следовательно, повышается устойчивость устройства к явлению самовозбуждения.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение включенного состояния второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора без дополнительного источника питания, и при этом происходит упрощение схемы устройства, а также повышение устойчивости устройства к явлению самовозбуждения второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора.
Технический результат достигается тем, что двухкаскадный транзисторный коммутатор, содержит вход для подачи управляющего сигнала, общий провод, являющийся вторым входом для управляющего сигнала, между входом управляющего сигнала и общим проводом последовательно включены первый резистор и переход база - эмиттер первого транзистора, между коллектором первого транзистора и общим проводом включен переход база - эмиттер второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод нагрузки соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс источника питания соединен с общим проводом, в схему двухкаскадного транзисторного коммутатора дополнительно включены две последовательные цепи: между входом управляющего сигнала и общим проводом включена первая последовательная цепь, содержащая диод, второй резистор и конденсатор; между одним из выводов конденсатора и общим проводом включена вторая последовательная цепь, содержащая третий резистор и переход база - эмиттер второго транзистора.
На фиг. 1 приведена схема двухкаскадного транзисторного коммутатора со следующими обозначениями: вход для подачи управляющего сигнала 1; первый резистор 2; первый транзистор 3; второй транзистор 4; нагрузка 5; источник питания 6; диод 7; второй резистор 8; конденсатор 9; третий резистор 10, общий провод 11.
На фиг. 2 представлены эпюры напряжений, поясняющие работу схемы на фиг. 1.
На фиг. 3 представлена осциллограмма сигналов, зафиксированных при работе реализованного на практике устройства, измерительные щупы осциллографа были соединены с элементами схемы на фиг. 1 в тех же точках, относительно которых нарисованы эпюры напряжений на фиг. 2.
На фиг. 4 приведена схема двухкаскадного транзисторного коммутатора, в котором первый каскад выполнен на полевом транзисторе, обозначения элементов на фиг. 4 совпадают с обозначениями элементов на фиг. 1.
Двухкаскадный транзисторный коммутатор (фиг. 1) содержит вход 1 для подачи управляющего высокочастотного сигнала, первый резистор 2, первый транзистор 3, второй транзистор 4, нагрузку 5, источник питания 6, диод 7, второй резистор 8, конденсатор 9, третий резистор 10, общий провод 11. Первый резистор 2 и переход база - эмиттер первого транзистора 3 включены последовательно между входом 1 и общим проводом 11. Между коллектором первого транзистора 3 и общим проводом 11 включен переход база - эмиттер второго транзистора 4. Вывод коллектора второго транзистора 4 соединен с первым выводом нагрузки 5. Второй вывод нагрузки 5 соединен с положительным полюсом источника питания 6. Отрицательный полюс источника питания 6 соединен с общим проводом 11. Диод 7, второй резистор 8 и конденсатор 9 образуют последовательную цепь, включенную между входом 1 и общим проводом 11. Третий резистор 10 и переход база - эмиттер второго транзистора 4 образуют последовательную цепь, включенную между одним из выводов конденсатора 9 и общим проводом 11.
Работа двухкаскадного транзисторного коммутатора происходит следующим образом (фиг. 2). На вход 1 и общий провод 11 поступает высокочастотный сигнал, представляющий собой последовательное чередование импульсов и пауз, эпюра управляющего высокочастотного сигнала обозначена символом Uвх. Считаем, что потенциал общего провода 11 равен нулю. При наличии импульса во входном сигнале, первый резистор 2 задает ток базы первого транзистора 3, первый транзистор 3 переходит во включенное состояние, в результате напряжение на коллекторе первого транзистора 3 падает до уровня, близкого к нулю, при этом ток базы второго транзистора 4 отсутствует, поэтому второй транзистор 4 выключается. При наличии паузы во входном сигнале, ток базы первого транзистора 3 прекращается, в результате напряжение на коллекторе первого транзистора 3 увеличивается до уровня 0,7…0,8 В. Уровень напряжения 0,7…0,8 В на коллекторе первого транзистора 3 определяется напряжением смещения перехода база - эмиттер второго транзистора 4. Эпюра напряжения на коллекторе первого транзистора 3 обозначена символом Uкэ Т1, она совпадает с эпюрой напряжения на базе второго транзистора 4, обозначенной символом Uбэ Т2. Одновременно с периодическим изменением напряжения на базе второго транзистора 4 (в противофазе с Uвх), происходит процесс заряда и разряда конденсатора 9. При наличии импульса во входном сигнале, происходит заряд конденсатора 9 через диод 7 и второй резистор 8. При наличии паузы во входном сигнале, происходит разряд конденсатора 9 через третий резистор 10 и переход база - эмиттер второго транзистора 4. Разряд конденсатора 9 через третий резистор 10 и переход база - эмиттер второго транзистора 4 означает наличие тока базы второго транзистора 4, при этом второй транзистор 4 переходит во включенное состояние, напряжение от источника питания 6 прикладывается к нагрузке 5. Эпюра напряжения на конденсаторе 9 обозначена символом Uс. Эпюра напряжения на коллекторе второго транзистора 4 обозначена символом Uкэ Т2. Чередование импульсов и пауз входного сигнала приводит к периодическому выключению и включению второго транзистора 4, обеспечивая периодическое подключение нагрузки 5 (резонансный контур) к источнику питания 6.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на серийной элементной базе. Взаимодействие элементов схемы предлагаемого устройства, изложенное при рассмотрении принципа работы двухкаскадного транзисторного коммутатора, подтверждаются объективными данными. На фиг. 3 представлена осциллограмма сигналов, зафиксированных при работе реализованного на практике устройства. Измерительные щупы осциллографа были соединены с элементами схемы на фиг. 1 в тех же точках, относительно которых нарисованы эпюры напряжений на фиг. 2. Все импульсные сигналы на фиг. 3 были зафиксированы одновременно, для этого было использовано четыре щупа. Первому щупу на осциллограмме фиг. 3 соответствует эпюра Uвх на фиг. 2, второму щупу на осциллограмме фиг. 3 соответствует эпюра Uс на фиг. 2, третьему щупу на осциллограмме фиг. 3 соответствует эпюра Uкэ Т1 и эпюра Uбэ Т2 на фиг. 2, четвертому щупу на осциллограмме фиг. 3 соответствует эпюра Uкэ Т2 на фиг. 2.
При рассмотрении осциллограммы фиг. 3 можно отметить следующее: импульсные сигналы, зафиксированные при работе реализованного на практике устройства, в основном совпадают по форме и по фазе с эпюрами на фиг. 2;
небольшое увеличение длительности фронтов и спадов импульсных сигналов, зафиксированное при работе реализованного на практике устройства, не влияет на работоспособность;
небольшой сдвиг фаз между входным управляющим сигналом (щуп 1) и напряжением на коллекторе второго транзистора (щуп 4), зафиксированный при работе реализованного на практике устройства, объясняется задержками при переключениях транзисторов и не влияет на работоспособность; форма напряжения на коллекторе второго транзистора (щуп 4), зафиксированная при работе реализованного на практике устройства, свидетельствует о наличии резонансного процесса в нагрузке (резонансный контур), резонансный процесс в нагрузке не учитывался при изображении эпюры Uкэ Т2 на фиг. 2 для простоты изложения материала заявки.
Таким образом, реализованное на практике устройство подтверждает получение технического результата, который состоит в обеспечении включенного состояния второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора без дополнительного источника питания, и при этом происходит упрощение схемы устройства, а также повышение устойчивости устройства к явлению самовозбуждения второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора.
Предлагаемое устройство может быть реализовано с применением полевого транзистора в первом каскаде, при этом, отличительная часть формулы полезной модели не меняется. На фиг. 4 приведена схема двухкаскадного транзисторного коммутатора, в котором первый каскад выполнен на полевом транзисторе, обозначения элементов на фиг. 4 совпадают с обозначениями элементов на фиг. 1. Известно, что полевой транзистор по многим своим свойствам является аналогом биполярного транзистора, исключением является то, что на управляющий электрод полевого транзистора необходимо подавать управляющее напряжение, а не ток. Все рассуждения, изложенные при рассмотрении принципа работы предлагаемого двухкаскадного транзисторного коммутатора остаются справедливыми при выполнении первого каскада на полевом транзисторе. При этом необходимо учесть, что электроды полевого транзистора имеют определенное соответствие с электродами биполярного транзистора: затвор соответствует базе, сток соответствует коллектору, исток соответствует эмиттеру.
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемой полезной модели. Заявляемая полезная модель технически осуществима, промышленно реализуема, проведенные испытания подтверждают достижение технического результата - обеспечение включенного состояния второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора без дополнительного источника питания, и при этом происходит упрощение схемы устройства, а также повышение устойчивости устройства к явлению самовозбуждения второго транзистора двухкаскадного транзисторного коммутатора, поэтому она соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Гаврилов С.А. Искусство схемотехники. Просто о сложном. - Спб.: Наука и Техника, 2011.