ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ
OPTOELECTRONIC RELAY

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в коммутационных устройствах с гальванической развязкой.
Известно электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой (патент РФ №2375816 C1, H03K 17/00), содержащее первый и второй электронный ключ на DMOJI транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, первый и второй выпрямительные диоды, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй токоограничивающие резисторы, первый и второй резисторы разряда.
Известное электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой имеет гальваническую развязку входов и выходов, выполненную на импульсном трансформаторе, имеющем первичную и вторичную обмотки, коммутирующее устройство, выполненное на первом и втором электронных ключах на OMOH транзисторах.
Известное электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой имеет следующие недостатки.
1. Отсутствие функции ограничения тока коммутируемой цепи.
2. Сложность схемы управления.
3. Невозможность реализации устройства в интегральном исполнении из-за использования трансформатора.
Известен электронный предохранитель (патент №2356161 C9, H03K 17/00, H02H 7/00), содержащий два транзистора и три резистора.
В известном электронном предохранителе реализована функция ограничения тока. Недостатком электронного предохранителя является отсутствие гальванической развязки входов и выходов.
Известен силовой ключ на МДП-транзисторе (патент РФ №2396706 C1, H03K 17/567), содержащий трансформатор, транзисторы одинаковой проводимости, коллекторно-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами в запирающем направлении, а переходы база-эмиттер - резисторами, коллектор одного из транзисторов подключен к затвору МДП-транзистора. эмиттеры транзисторов соединены непосредственно, а коллектор другого транзистора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, конец которой непосредственно подключен к истоку МДП-транзистора, дополнительная вторичная обмотка трансформатора подключена к базам транзисторов, начало дополнительной обмотки подключено к базе того транзистора, коллектор которого подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, дополнительные резистор, диод и биполярный транзистор аналогичной проводимости МДП-транзистора, причем первый вывод дополнительного резистора подключен к истоку МДП-транзистора и к базе дополнительного транзистора, коллектор которого через дополнительный диод в проводящем направлении соединен с затвором МДП-транзистора, второй вывод дополнительного резистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора и выходом ключа.
Известный силовой ключ на МДП-транзисторе имеет следующие недостатки.
1. Для управления МДП-транзистором требуется напряжение, состоящее из порогового напряжения включения транзистора и напряжения компенсации падения на дополнительном резисторе.
2. Наличие отрицательной обратной связи за счет падения напряжения на дополнительном резисторе при токе нагрузки, еще не превышающем пороговое значение ограничения тока.
3. Сложность схемы, требующая управление переменным током.
4. Невозможность реализации устройства в интегральном исполнении из-за использования трансформатора.
5. Низкая надежность.
Известно оптоэлектронное реле (патент РФ №2163417 C1, H03K 17/78, H03K 17/00) - прототип.
Известное оптоэлектронное реле, содержащее светодиод и оптически соединенную с ним матрицу последовательно включенных фотодиодов, коммутирующее устройство, устройство разряда, устройство ускорителя разряда, выполненное для улучшения динамических характеристик оптоэлектронного реле. Недостатком оптоэлектронного реле является отсутствие функции ограничения тока коммутируемой цепи.
Целью изобретения является реализация функции ограничения тока в оптоэлектронном реле, повышение надежности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в оптоэлектронное реле, содержащее первый светодиод и оптически связанную с ним матрицу последовательно включенных фотодиодов, коммутирующее устройство, устройство разряда, первый и второй выводы которого подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам матрицы последовательно включенных фотодиодов, а третий и четвертый выводы соответственно к первому и второму входам коммутирующего устройства, второй выход которого является вторым выходом оптоэлектронного реле, а входами оптоэлектронного реле являются анод и катод первого светодиода, оптически связанное с первым светодиодом устройство ускорения разряда, выполненное на n-МОП и р-МОП транзисторах, первом и втором фотодиодах и конденсаторе, сток n-МОП транзистора, затвор р-МОП транзистора и анод первого фотодиода которого подключены к первому входу коммутирующего устройства, исток n-МОП транзистора, отрицательная обкладка конденсатора и анод второго фотодиода подключены ко второму входу коммутирующего устройства, катод первого фотодиода соединен с положительной обкладкой конденсатора и истоком р-МОП транзистора, сток которого соединен с затвором n-МОП транзистора и катодом второго фотодиода, дополнительно введено устройство защитное, состоящее из второго светодиода, зашунтированного дополнительным резистором, и оптически связанного с ним фототранзистора, коллектор фототранзистора соединен с первым входом коммутирующего устройства, а эмиттер - со вторым входом коммутирующего устройства, катод второго светодиода и первый вывод дополнительного резистора подключены к первому выходу коммутирующего устройства, а анод второго светодиода и второй вывод дополнительного резистора являются первым выходом оптоэлектронного реле.
На чертеже представлена схема электрическая принципиальная предлагаемого оптоэлектронного реле, при этом, на чертеже и далее в тексте обозначены:
1 - первый вход оптоэлектронного реле:
2 - второй вход оптоэлектронного реле;
3 - светодиод;
4 - матрица последовательно включенных фотодиодов;
5 - первый резистор;
6 - первый фотодиод;
7 - конденсатор;
8 - p-МОП транзистор;
9 - второй фотодиод;
10 - первый n-МОП транзистор;
11 - фототранзистор;
12 - второй светодиод;
13 - второй резистор;
14 - второй n-МОП транзистор;
15 - первый выход оптоэлектронного реле;
16 - второй выход оптоэлектронного реле.
Оптоэлектронное реле выполнено следующим образом.
Оптоэлектронное реле содержит первый светодиод 3 и оптически связанную с ним матрицу последовательно включенных фотодиодов 4, коммутирующее устройство КУ. выполненное на втором n-МОП транзисторе 14, устройство защитное УЗ, выполненное на фототранзисторе 11, втором светодиоде 12 и втором резисторе 13, устройство разряда УР, выполненное на первом резисторе 5, первый и второй выводы которого подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам матрицы последовательно включенных фотодиодов 4, затвор и исток второго n-МОП транзистора 14 подключены соответственно к первому и второму выводам первого резистора 5, сток n-МОП транзистора соединен с катодом второго светодиода 12 и первым выводом второго резистора 13 и является первым выходом коммутирующего устройства КУ, анод второго светодиода 12 соединен со вторым выводом второго резистора 13 и является первым выходом оптоэлектронного реле 15, а исток второго n-МОП транзистора 14 является вторым выходом коммутирующего устройства и вторым выходом оптоэлектронного реле 16, при этом первым 1 и вторым 2 входами оптоэлектронного реле являются, соответственно, анод и катод первого светодиода 3, с которым оптически связано устройство ускорения разряда УУР, выполненное на первом n-МОП транзисторе 10 и р-МОП транзисторе 8, первом 6 и втором 9 фотодиодах и конденсаторе 7, сток первого n-МОП транзистора 10, затвор р-МОП транзистора 8 и анод первого фотодиода 6 подключены к затвору второго n-МОП транзистора 14, исток первого n-МОП транзистора 10, отрицательная обкладка конденсатора 7 и анод второго фотодиода 9 подключены к истоку второго n-МОП транзистора 14, катод первого фотодиода 6 соединен с положительной обкладкой конденсатора 7 и истоком р-МОП транзистора 8, сток которого соединен с затвором первого n-МОП транзистора 10 и катодом второго фотодиода 9, коллектор и эмиттер фототранзистора 11 подключены, соответственно, к затвору и истоку второго n-МОП транзистора 14.
Оптоэлектронное реле работает следующим образом.
При подаче на первый 1 и второй 2 входы оптоэлектронного реле управляющего сигнала первый светодиод 3 излучает фотоны, при этом матрица последовательно включенных фотодиодов 4 генерирует фототок, заряжающий входную емкость второго n-МОП транзистора 14 до напряжения фотоЭДС, что приводит к изменению состояния на выходе оптоэлектронного реле с выключенного на включенное, причем для включения второго n-МОП транзистора 14 требуется превысить лишь уровень порогового напряжения включения транзистора и не требуется дополнительного напряжения для компенсации падения на дополнительном резисторе, что позволяет сократить количество фотодиодов в матрице последовательно включенных фотодиодов 4 и в связи с этим повысить общую надежность оптоэлектронного реле. Устройство ускорения разряда УУР оптически связано с первым светодиодом 3, и конденсатор 7 заряжается через первый фотодиод 6 до напряжения, близкого к напряжению фотоЭДС, генерируемой матрицей последовательно включенных фотодиодов 4, а затвор первого n-МОП транзистора 10 полностью заряжается через второй фотодиод 9. При этом первый n-МОП транзистор 10 и р-МОП транзистор 8 оказываются надежно закрытыми и не влияют на процесс заряда входной емкости второго n-МОП транзистора 14.
Vэмиттер-база
До тех пор пока падение напряжения на втором резисторе 13 при протекании через него тока нагрузки не превышает значения, обеспечивающего проводящее состояние второго светодиода 12, второй n-МОП транзистор 14 функционирует без ограничения. Как только второй светодиод 12 начинает излучать фотоны, фототранзистор 11 начинает открываться, уменьшая при этом проводимость канала второго n-МОП транзистора 14. При достижении тока нагрузки заданного уровня, напряжение  фототранзистора 11 будет таким, что он будет открыт и переведет второй n-МОП транзистор 14 в режим отсечки.
При отключении на первом и втором входах оптоэлектронного реле 1 и 2 управляющего сигнала прекращается излучение светодиода 3 и, как следствие, генерация фототока в оптически связанных с ним матрице последовательно включенных фотодиодов 4. Входная емкость второго n-МОП транзистора 14 через первый резистор 5 устройства разряда УР начинает разряжаться, и второй n-MOП транзистор 14 запирается.
В качестве первого светодиода 3, оптически связанной с ним матрицы последовательно включенных фотодиодов 4 и первого резистора 5 можно использовать фотовольтаический элемент TLP591B ф. Toshiba, в качестве второго светодиода 12 и оптически связанного с ним фототранзистора 11 - оптопару TLP281B ф. Toshiba, в качестве второго n-МОП транзистора - 1RFL014 ф. International Rectifier, в качестве второго резистора RC0805JR-0711RL YAGEO. Также заявленное оптоэлектронное реле возможно выполнить в интегральном исполнении.