Реверсивный транзисторный мост

Предлагаемая полезная модель относится к электрическим коммутирующим устройствам, а именно к устройствам, осуществляющим изменение направления тока через нагрузку.
Известно устройство осуществления реверсивной коммутации, содержащее в котором в качестве коммутирующих элементов механические ключи, попарно соединенные между собой через нагрузку и подключенные к источнику постоянного силового напряжения. Первый вход первого ключа и первый вход второго ключа устройства объединены между собой, и через индуктивность подключены к источнику постоянного силового напряжения. Второй вход первого ключа и первый вход третьего ключа объединены между собой и подключены к первому входу нагрузки. Второй вход второго ключа и первый вход четвертого ключа объединены между собой и подключены ко второму входу нагрузки. Второй вход третьего ключа и второй вход четвертого ключа объединены между собой и подключены к источнику постоянного силового напряжения. Механическая коммутация происходит путем периодического механического замыкания и размыкания групп контактов для изменения полярности напряжения, подаваемого к нагрузке. Таким образом, ток в нагрузке протекает в требуемом направлении (Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - 2-е изд., стереотипное. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 347, рис. 7.1.а).
Однако описанное устройство имеет следующие недостатки, вызванные механическим замыканием и размыканием группы контактов: низкая надежность, низкое быстродействие во время переключения, увеличенные габариты и появление электрической дуги во время замыкания и размыкания контактов.
Наиболее близким к предлагаемой модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом), является реверсивный транзисторный мост, содержащий четыре транзистора одинаковой проводимости, а именно, n-p-n проводимости, которым для управления по базовой цепи необходимо четыре изолированных источника постоянного тока. Все транзисторы подключены к нагрузке. Изменение направления тока в нагрузке происходит путем включения соответствующей группы транзисторов. Коллекторы первого и третьего транзисторов объединены и подключены к плюсу постоянного силового питающего напряжения и катодам первого и третьего диодов соответственно. Эмиттеры второго и четвертого транзисторов объединены и подключены к минусу постоянного силового питающего напряжения и к анодам второго и четвертого диодов соответственно. Эмиттер первого транзистора и коллектор четвертого транзистора объединены и подключены к первому входу нагрузки, а также - к аноду первого диода и катоду четвертого диода. Эмиттер третьего транзистора и коллектор второго транзистора объединены и подключены ко второму входу нагрузки, а также - к аноду третьего диода и катоду второго диода (Гельман М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. 211, рисунок 10.12).
Однако это устройство имеет сложную громоздкую конструкцию вследствие необходимости наличия четырех независимых изолированных источников постоянного тока в системе управления коммутирующими транзисторами и пониженной надежности вследствие возможного увеличения риска короткого замыкания между изолированными источниками питания цепей управления транзисторами и силовой частью реверсивного транзисторного моста.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, заключается в создании реверсивного транзисторного моста упрощенной компактной конструкции путем обеспечения отсутствия использования независимых изолированных источников питания постоянного тока в системе управления транзисторами при повышенной надежности исключением риска короткого замыкания.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в реверсивном транзисторном мосту, содержащем четыре транзистора, в качестве двух из которых использованы транзисторы n-p-n проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к минусу постоянного силового питающего напряжения, при этом транзисторы подключены к нагрузке, согласно полезной модели в качестве двух других транзисторов реверсивного транзисторного моста использованы транзисторы р-n-р проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к плюсу постоянного силового питающего напряжения. При этом коллекторы транзисторов противоположной проводимости объединены попарно, причем одна пара подключена к первому входу нагрузки, а другая пара подключена ко второму входу нагрузки. Базы транзисторов n-р-n проводимости через сопротивления подключены к минусу постоянного силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов n-р-n проводимости. Базы транзисторов p-n-р проводимости через сопротивления подключены к плюсу постоянного силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов р-n-р проводимости. Базы расположенных противоположно по диагонали транзисторов разной проводимости соединены посредствам оптопар для открытия соответствующих транзисторов.
Упрощение и соответствующая компактность конструкции при повышенной ее надежности обусловлены введением цепочек, содержащих две оптопары, при отсутствии использования четырех изолированных источников постоянного тока в цепи база-эмиттер.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема реверсивного транзисторного моста; на фиг. 2 схематично показана работа реверсивного транзисторного моста.
Кроме того, на чертеже используются следующие обозначения:
- VT1, VT3 - транзисторы р-n-р проводимости;
- VT2, VT4 - транзисторы n-р-n проводимости;
- Rl, R2, R3, R4 - сопротивления;
- Rn - сопротивление нагрузки;
- VD1, VD2 - оптопары;
- «-» - минус постоянного силового напряжения;
- «+» - плюс постоянного силового напряжения;
- прямой линией со стрелкой показано направление тока вперед в нагрузке;
- дискретной линией со стрелкой показано направление тока назад в нагрузке.
Реверсивный транзисторный мост содержит два транзистора n-р-n проводимости, эмиттеры которых объединены и подключены к минусу постоянного силового питающего напряжения и два транзистора р-n-р проводимости, эмиттеры которых объединены и подключены к плюсу постоянного силового питающего напряжения. Коллекторы транзисторов противоположной проводимости объединены попарно, причем одна пара транзисторов противоположной проводимости подключена к первому входу нагрузки, а другая пара транзисторов противоположной проводимости подключена ко второму входу нагрузки. Базы транзисторов n-р-n проводимости через сопротивления подключены к минусу постоянного силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов n-р-n проводимости. Базы транзисторов р-n-р проводимости через сопротивления подключены к плюсу силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов р-n-р проводимости. Базы противоположных по диагонали транзисторов разной проводимости соединены посредствам оптопар для открытия соответствующих транзисторов.
Пример выполнения реверсивного транзисторного моста представлен на фигуре 1. Реверсивный транзисторный мост содержит четыре транзистора: транзистор 1 (VT1) р-n-р проводимости и транзистор 2 (VT3) р-n-р проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к плюсу постоянного силового питающего напряжения, транзистор 3 (VT2) n-р-n проводимости и транзистор 4 (VT4) n-р-n проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к минусу постоянного силового питающего напряжения.
База транзистора 3 (VT2) n-р-n проводимости и база транзистора 4 (VT4) n-р-n проводимости через сопротивление 5 (R2) и сопротивление 6 (R4) соответственно подключены к минусу постоянного силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов n-р-n проводимости. База транзистора 1 (VT1) р-n-р проводимости и база транзистора 2 (VT3) р-n-р проводимости через сопротивление 7 (R1) и сопротивление 8 (R3) соответственно подключены к плюсу постоянного силового питающего напряжения для надежного запирания транзисторов р-n-р проводимости.
Базы расположенных противоположно по диагонали транзистора 3 (VT2) n-р-n проводимости и транзистора 2 (VT3) р-n-р проводимости соединены через оптопару 9 (VD1). Базы расположенных противоположно по диагонали транзистора 4 (VT4) n-р-n проводимости и транзистора 1 (VT1) р-n-р проводимости соединены через оптопару 10 (VD2).
Коллекторы транзистора 2 (VT3) р-n-р проводимости и транзистора 4 (VT4) n-р-n проводимости объединены и подключены к первому входу 11 нагрузки 12 (Rn). Коллекторы транзистора 1 (VT1) р-n-р проводимости и транзистора 3 (VT2) n-р-n проводимости объединены и подключены к второму выходу 13 нагрузки 12 (Rn).
Работа реверсивного транзисторного моста происходит следующим образом.
Для прохождения тока через нагрузочное сопротивление в направлении вперед, указанном сплошной стрелкой на фиг. 1, в момент времени t1 (фиг. 2) подается сигнал на оптопару 9 (VD1). Ток начинает протекать по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 2 (VT3), база транзистора 2 (VT3), оптопара 9 (VD1), база транзистора 3 (VT2), эмиттер транзистора 3 (VT2), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзисторов 3 (VT2), 2 (VT3). Так как транзисторы 3 (VT2) и 2 (VT3) открыты, ток протекает по следующему направлению через нагрузку 12 (Rn): плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 2 (VT3), коллектор транзистора 2 (VT3), нагрузка 12 (Rn), эмиттер транзистора 3 (VT2), коллектор транзистора 3 (VT2), минус постоянного силового питающего напряжения. В момент времени t2 перестает подаваться управляющий сигнал на оптопару 9 (VD1) и происходит закрытие транзисторов 3 (VT2) и 2 (VT3). Для прохождения тока в направлении назад через нагрузку 12 (Rn), указанного пунктирной стрелкой (фиг. 1), в момент времени t3 подается сигнал на оптопару 10 (VD2). Ток начинает протекать по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 1 (VT1), база транзистора 1 (VT1), оптопара 10 (VD2), база транзистора 4 (VT4), эмиттер транзистора 4 (VT4), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзисторов 1 (VT1), 4 (VT4). Так как транзисторы 1 (VT1) и 4 (VT4) открыты, ток протекает по следующему пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 1 (VT1), коллектор транзистора 1 (VT1), вход 11 нагрузки 12 (Rn), нагрузка 12 (Rn), эмиттер транзистора 4 (VT4), коллектор транзистора 4 (VT4), минус постоянного силового питающего напряжения. В момент времени t4 перестает подаваться управляющий сигнал на оптопару 10 (VD2), и происходит закрытие транзисторов 1 (VT1) и 4 (VT4).
Таким образом, предлагаемый реверсивный транзисторный мост имеет преимущество перед реверсивным транзисторным мостом, выбранным в качестве прототипа, заключающееся в упрощении и обеспечении соответствующей компактности конструкции путем замены четырех изолированных источников питания в цепи база-эмиттер на цепочки, содержащие оптопары, при исключении риска возможного короткого замыкания силовой цепью и цепью системы управления.