ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ С ЗАЩИТОЙ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
TRANSISTOR KEY WITH PROTECTION AGAINST SHORT-CIRCUITING

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к полупроводниковым силовым ключам с токовой защитой, и может найти применение при реализации различных устройств автоматики.
Известен транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания (патент РФ №2167492 автора Тихонравова С.Р., опубл. 20.05.2001, БИ №14), содержащий первый, второй и третий транзисторы разного типа проводимости, при этом база первого транзистора через первый резистор соединена с коллектором второго транзистора, а через второй резистор соединена с эмиттером первого транзистора и шиной питания, коллектор первого транзистора через нагрузку подключен к общей шине, база второго транзистора соединена через третий резистор с общей шиной и через базовый четвертый резистор с шиной управления, база третьего транзистора через седьмой резистор соединена с коллектором первого транзистора и через восьмой резистор с общей шиной, эмиттер третьего транзистора также соединен с общей шиной, коллектор третьего транзистора через пятый резистор соединен с эмиттером второго транзистора, который через последовательно соединенные шестой резистор и конденсатор соединен с общей шиной.
В данном транзисторном ключе, который является наиболее близким к заявляемому, недостатком является наличие времязадающей цепи, выполненной с применением конденсатора. При включении транзисторного ключа на нулевую нагрузку, транзисторный ключ работает в режиме короткого замыкания до тех пор, пока не зарядится конденсатор. Этого времени может быть достаточно для того, чтобы транзисторный ключ вышел из строя. Кроме того, как известно, емкость конденсатора может довольно сильно изменяться при изменении температуры, а следовательно, правильно рассчитанная RC-цепь, может привести либо к выходу из строя транзисторного ключа, либо к тому, что транзисторный ключ не включится, даже при незначительном изменении температуры окружающей среды.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности работы транзисторного ключа.
Для достижения этого технического результата в транзисторном ключе с защитой от короткого замыкания, содержащем первый и второй транзисторы, коллектор первого из которых соединен с входом полупроводникового ключа, первый выход которого соединен с первой шиной питания, а второй выход через нагрузку соединен с общей шиной, база первого транзистора соединена с первым выводом первого резистора и через второй резистор с общей шиной, эмиттер второго транзистора через третий резистор соединен с первым выводом четвертого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом пятого резистора, новым является то, что первый и второй транзисторы имеют разную проводимость, дополнительно введены диод, первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, релейный элемент, задатчик порога срабатывания релейного элемента, вторая шина питания, которая соединена с эмиттером второго транзистора и первым выводом задатчика порога срабатывания релейного элемента, второй вывод которого соединен с общей шиной и эмиттером первого транзистора, второй вывод первого резистора соединен с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом релейного элемента, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом пятого резистора и анодом диода, катод которого соединен со вторым выходом полупроводникового ключа, прямой вход релейного элемента соединен с выходом задатчика порога срабатывания релейного элемента, второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен со вторым выводом четвертого резистора и с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ, первый и второй входы которого объединены и являются входом транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания.
Исключение времязадающих цепей, выполненных с применением конденсаторов, делает транзисторный ключ стойким к изменению температуры окружающей среды. Включение релейного элемента в коллекторную цепь второго транзистора позволяет осуществить предварительный анализ режима нагрузки, что исключает возможность открывания ключа на короткозамкнутый контур. Все это в совокупности повышает надежность работы транзисторного ключа.
На чертеже представлена блок-схема транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания.
Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания содержит резистор нагрузки 1, полупроводниковый ключ 2, первый транзистор 3, первый резистор 4, второй резистор 5, первый элемент ИЛИ-НЕ 6, второй элемент ИЛИ-НЕ 7, четвертый резистор 8, третий резистор 9, второй транзистор 10, пятый резистор 11, диод 12, релейный элемент 13, задатчик 14 порога срабатывания релейного элемента, первая шина 15 питания, вторая шина 16 питания, общая шина 17.
Первый выход полупроводникового ключа 2 соединен с первой шиной 15 питания, а второй выход через нагрузку 1 соединен с общей шиной 17. Коллектор первого транзистора 3 соединен с входом полупроводникового ключа 2. База первого транзистора 3 через первый резистор 4 соединена с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ 6, а через второй резистор 5 соединена с эмиттером первого транзистора 3 и общей шиной 17. Второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ 6 соединен с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ 7, а также через четвертый резистор 8 - с базой второго транзистора 10 и первым выводом третьего резистора 9. Второй вывод третьего резистора 9 соединен с эмиттером второго транзистора 10, первым выводом задатчика 14 порога срабатывания релейного элемента и второй шиной 16 питания. Коллектор второго транзистора 10 через пятый резистор 11 соединен с инвертирующим входом релейного элемента 13 и анодом диода 12. Катод диода 12 подключен ко второму выходу полупроводникового ключа 2. Второй вывод задатчика 14 порога срабатывания релейного элемента подключен к общей шине 17, а выход соединен с прямым входом релейного элемента 13. Выход релейного элемента 13 соединен с первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ 6. Первый и второй входы второго элемента ИЛИ-НЕ 7 объединены и являются входом транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания.
Полупроводниковый ключ 2 может быть выполнен на биполярном транзисторе.
В качестве задатчика 14 порога срабатывания релейного элемента может быть использован резистивный делитель напряжения.
Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания работает следующим образом.
Первая шина 15 питания подключена к первому источнику питания (не показано), номинальное напряжение которого определяется типами примененных элементов и составляет, например, Е1=27В. Первая шина 15 питания является источником энергии для полупроводникового ключа 2, нагрузки 1. Вторая шина 16 питания подключена ко второму источнику питания (не показано), номинальное напряжение которого определяется типами примененных элементов и составляет, например, Е2=5В. Вторая шина 16 питания служит для питания первого и второго элементов ИЛИ-НЕ 6, 7, задатчика 14 порога срабатывания релейного элемента и второго транзистора 10.
После подачи напряжений питания Е1 и Е2 устройство приводится в исходное (выключенное) состояние, при этом схема управления (не показано) формирует на входе транзисторного ключа сигнал с уровнем логического «0». На выходе элемента ИЛИ-НЕ 7 формируется сигнал с уровнем логической «1», который поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 6 и удерживает транзистор 10 в режиме отсечки. На инвертирующем входе релейного элемента 13 напряжение U1 равно нулю. На прямом входе релейного элемента 13 резистивный делитель напряжения 14 формирует пороговое напряжение U2. Таким образом, напряжение U2 превышает напряжение U1, следовательно, на выходе релейного элемента 13 сформирован запирающий сигнал с уровнем логической «1». Этот сигнал поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 6. На выходе элемента ИЛИ-НЕ 6 формируется сигнал с уровнем логического «0», который удерживает транзистор 3 и полупроводниковый ключ 2 в режиме отсечки.
При подаче на вход транзисторного ключа сигнала с уровнем логической «1» на выходе элемента ИЛИ-НЕ 7 формируется сигнал с уровнем логического «0», который поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 6 и переводит транзистор 10 в режим насыщения. Через транзистор 10 и резистор нагрузки 1 от второй шины 16 питания к общей шине 17 начинает протекать ток. Этот ток создает на сопротивлении нагрузки 1 и диоде 12 падение напряжения U1, которое прикладывается к инвертирующему входу релейного элемента 13. Если сопротивление нагрузки 1 меньше требуемого значения либо равно нулю (короткое замыкание), то напряжение U1 не превысит пороговое напряжение U2 и релейный элемент 13 останется в исходном состоянии, на его выходе запирающий сигнал с уровнем логической «1». Транзистор 3 и полупроводниковый ключ 2 останутся в режиме отсечки.
В том случае, если сопротивление нагрузки 1 соответствует требуемому значению, то напряжение U1 превысит пороговое напряжение U2 и на выходе релейного элемента 13 будет сформирован разрешающий сигнал низкого уровня. На выходе элемента ИЛИ-НЕ 6 формируется сигнал с уровнем логической «1», который переведет транзистор 3 и полупроводниковый ключ 2 в режим насыщения.
В открытом состоянии транзисторного ключа осуществляется непрерывный анализ режима нагрузки. В случае короткого замыкания произойдет немедленное отключение, так как при этом напряжение U1 на инвертирующем входе релейного элемента 13 будет равно падению напряжения на диоде 12, что ниже порога срабатывания U2 релейного элемента 13. На выходе релейного элемента 13 сформируется запрещающий сигнал с уровнем логической «1», который поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 6. В независимости от того, какой сигнал на втором входе логического элемента ИЛИ-НЕ 6, на его выходе будет сформирован сигнал с уровнем логического «0», который переведет транзистор 3 и полупроводниковый ключ 2 в режим отсечки. Важно отметить, что предложенное устройство является самовосстанавливающейся системой. Как только восстановится рабочий режим нагрузки и при условии наличия на входе элемента ИЛИ-НЕ 7 сигнала с уровнем логической «1», транзисторный ключ автоматически включится.
Выключение устройства осуществляется путем поступления на вход транзисторного ключа сигнала с уровнем логического «0». При этом на выходе элемента ИЛИ-НЕ 7 формируется сигнал с уровнем логической «1», который поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 6 и переводит транзистор 10 в режим отсечки. В независимости от того, какой сигнал на первом входе элемента ИЛИ-НЕ 6, на его выходе будет сформирован сигнал с уровнем логического «0», который переведет транзистор 3, а следовательно, и полупроводниковый ключ 2 в режим отсечки.
В качестве элементов для реализации транзисторного ключа могут быть использованы: серийные микросхемы с необходимым набором функций, например микросхемы серии 1554; стандартные релейные элементы, например серии 521, электронные ключи необходимой мощности (биполярные или полевые транзисторы, составные транзисторы).