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

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных устройствах автоматики, в том числе в информационно-управляющих системах, в качестве силового транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания.
Известен транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания (патент РФ №2370883, приоритет от 29.04.2008, авторов Ведерникова В.Л., Биктимирова З.Н. и др., МПК8: H03K 17/08, опубл. 20.10.2009, БИ №29), содержащий полупроводниковый ключ, первый выход которого соединен с шиной питания, а второй выход через нагрузку соединен с общей шиной. Коллектор первого транзистора соединен с входом полупроводникового ключа. База первого транзистора через первый резистор соединена с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, а через второй резистор соединена с эмиттером первого транзистора и общей шиной. Второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ, а через четвертый резистор с базой второго транзистора и первым выводом третьего резистора. Второй вывод третьего резистора соединен с эмиттером второго транзистора и второй шиной питания, с которой соединен первый вывод задатчика порога срабатывания релейного элемента. Коллектор второго транзистора через пятый резистор соединен с инвертирующим входом релейного элемента и анодом диода. Катод диода подключен ко второму выходу полупроводникового ключа. Второй вывод задатчика порога срабатывания релейного элемента подключен к общей шине, а выход соединен с прямым входом релейного элемента. Выход релейного элемента соединен с первым входом первого элемента ИЛИ-НЕ. Первый и второй входы второго элемента ИЛИ-НЕ объединены и являются входом транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания. Полупроводниковый ключ выполнен на биполярном транзисторе.
Недостаток данного транзисторного ключа, который является наиболее близким к заявляемому, состоит в том, что при использовании в качестве полупроводникового ключа биполярного транзистора, потребуются значительные затраты мощности на формирование управляющего сигнала для поддержания открытого состояния ключа. Это обусловлено тем, что коэффициент передачи по току мощных биполярных транзисторов для больших выходных токов снижается до значений 3-5. Таким образом, указанный недостаток ограничивает применение транзисторного ключа в схемах с большими рабочими токами, так как выделяемая в нагрузке мощность становится сравнимой с мощностью, затрачиваемой на управление полупроводниковым ключом, тем самым снижая его надежность и делая транзисторный ключ крайне неэффективным. Одним из очевидных решений данной проблемы является применение в качестве полупроводникового ключа биполярных транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона (транзистор Дарлингтона) (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - 5-е изд., перераб. - М:. Мир, 1998. - 704 с., ил.). Соединенные по такой схеме транзисторы ведут себя как один транзистор, коэффициент усиления по току которого равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Однако транзистор Дарлингтона обладает рядом недостатков, наиболее существенным из которых является низкое быстродействие. Данный недостаток приведет к тому, что в случае возникновения короткого замыкания в нагрузке, даже после снятия управляющего сигнала, полупроводниковый ключ в течение некоторого времени будет работать на короткозамкнутый контур. Этого времени может быть достаточно для выхода транзистора из строя.
Исходя из вышесказанного, применение транзистора Дарлингтона в качестве полупроводникового ключа в известном устройстве позволяет снизить мощность управляющего сигнала, но при этом, приводит к снижению быстродействия транзисторного ключа, что в свою очередь без использования дополнительных технических решений, позволяющих компенсировать указанный недостаток, снижает его надежность.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении области применения транзисторного ключа и повышении надежности его работы.
Для достижения данного технического результата в транзисторном ключе с защитой от короткого замыкания, содержащем полупроводниковый ключ, вывод питания которого соединен с первой шиной питания, а выход соединен с катодом диода и через нагрузку с общей шиной, элемент ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом релейного элемента, а выход через первый резистор соединен с первым выводом второго резистора и базой n-p-n-  транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом второго резистора и общей шиной, которая через задатчик порога срабатывания релейного элемента соединена со второй шиной питания, эмиттером p-n-p-транзистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора и базой p-n-p-транзистора, коллектор которого через пятый резистор соединен с анодом диода и инвертирующим входом релейного элемента, не инвертирующий вход которого соединен с выходом задатчика порога срабатывания релейного элемента, новым является то, что полупроводниковый ключ выполнен по схеме Дарлингтона и дополнительно введены шестой резистор, элемент ИЛИ и схема выключения полупроводникового ключа, первый и второй выводы питания которой соединены соответственно с первой шиной питания и общей шиной, а вход - с выходом элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого является входом транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания и соединен с объединенными первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым выводом четвертого резистора, выход схемы выключения полупроводникового ключа соединен с входом полупроводникового ключа и через шестой резистор с коллектором n-p-n-транзистора.
Схема выключения полупроводникового ключа содержит p-n-p- и n-p-n-транзисторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы и инвертор, вход которого является входом схемы выключения полупроводникового ключа, а выход через первый резистор соединен с первым выводом второго резистора и базой n-p-n-транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом второго резистора и является вторым выводом питания схемы выключения полупроводникового ключа, а коллектор через третий резистор соединен с первым выводом четвертого резистора и базой p-n-p-транзистора, коллектор которого является выходом схемы выключения полупроводникового ключа, а эмиттер соединен со вторым выводом четвертого резистора и является первым выводом питания схемы выключения полупроводникового ключа.
За счет выполнения полупроводникового ключа по схеме Дарлингтона значительно снижается мощность, затрачиваемая на формирование требуемого входного тока полупроводникового ключа, что в свою очередь снижает суммарную мощность потерь транзисторного ключа в целом, повышая его эффективность, и расширяет область его применения.
Для ускорения процесса выключения транзистора Дарлингтона, в том числе и при возникновении короткого замыкания в нагрузке, в транзисторный ключ введена схема выключения полупроводникового ключа, которая шунтирует переход база-эмиттер транзистора Дарлингтона в момент его выключения. Такое решение позволяет значительно сократить время рассасывания накопившегося заряда в базе транзистора Дарлингтона, что повышает надежность работу устройства.
На чертеже представлен вариант блок-схемы транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания.
Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания содержит нагрузку 1, полупроводниковый ключ 2, схему 3 выключения полупроводникового ключа, элемент ИЛИ-НЕ 4, элемент ИЛИ 5, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10 и шестой 11 резисторы, n-p-n-транзистор 12, p-n-p-транзистор 13, релейный элемент 14, задатчик 15 порога срабатывания релейного элемента, диод 16, первую 17 (Е1) и вторую 18 (Е2) шины питания, общую шину 19 (Е3).
Вывод питания полупроводникового ключа 2 и первый вывод питания схемы 3 выключения полупроводникового ключа соединены с первой шиной 17 питания. Выход полупроводникового ключа 2 соединен с катодом диода 16 и через нагрузку 1 с общей шиной 19. Первый вход элемента ИЛИ-НЕ 4 соединен с выходом релейного элемента 14, а выход через первый резистор 6 соединен с первым выводом второго резистора 7 и базой n-p-n-транзистора 12, эмиттер которого соединен со вторым выводом второго резистора 7 и общей шиной 19. Общая шина 19 через задатчик 15 порога срабатывания релейного элемента соединена со второй шиной питания 18, эмиттером p-n-p-транзистора 13 и первым выводом третьего резистора 8. Второй вывод третьего резистора 8 соединен с первым выводом четвертого резистора 9 и базой p-n-p-транзистора 13, коллектор которого через пятый резистор 10 соединен с анодом диода 16 и инвертирующим входом релейного элемента 14. Не инвертирующий вход релейного элемента 14 соединен с выходом задатчика 15 порога срабатывания релейного элемента. Второй вывод питания схемы 3 выключения полупроводникового ключа соединен с общей шиной 19, а вход соединен с выходом элемента ИЛИ-НЕ 4. Второй вход элемента ИЛИ-НЕ 4 является входом транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания и соединен с объединенными первым и вторым входами элемента ИЛИ 5. Выход элемента ИЛИ 5 соединен со вторым выводом четвертого резистора 9. Выход схемы 3 выключения полупроводникового ключа соединен с входом полупроводникового ключа 2 и через шестой резистор 11 с коллектором n-p-n-транзистора 12.
Схема 3 выключения полупроводникового ключа содержит p-n-p- 20 и n-p-n- 21 транзисторы, первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 резисторы и инвертор 26.
Вход инвертора 26 является входом схемы 3 выключения полупроводникового ключа, а выход через первый резистор 22 соединен с первым выводом второго резистора 23 и базой n-p-n-транзистора 21. Эмиттер n-p-n-транзистора 21 соединен со вторым выводом второго резистора 23 и является вторым выводом питания схемы 3 выключения полупроводникового ключа, а коллектор через третий резистор 24 соединен с первым выводом четвертого 25 резистора и базой p-n-p-транзистора 20. Коллектор p-n-p-транзистора 20 является выходом схемы выключения полупроводникового ключа, а эмиттер соединен со вторым выводом четвертого резистора 25 и является первым выводом питания схемы 3 выключения полупроводникового ключа.
Для преобразования уровня цифрового сигнала с выхода элемента ИЛИ-НЕ 4 в сигнал с уровнем, необходимым для управления полупроводниковым ключом 2, применяется схема управления полупроводниковым ключом, выполненная на n-p-n-транзисторе 12, первом 6, втором 7 и шестом 11 резисторах.
Схема защиты от короткого замыкания предназначена для обнаружения режима короткого замыкания путем подачи контрольного импульса в нагрузку и его сравнения с пороговым напряжением, а также формирования сигнала перегрузки. Схема защиты от короткого замыкания содержит элемент ИЛИ 5, третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, p-n-p-транзистор 13, релейный элемент 14, задатчик 15 порога срабатывания релейного элемента и диод 16.
Полупроводниковый ключ выполнен по схеме Дарлингтона и содержит первый и второй p-n-p-транзисторы и первый и второй эмиттерные резисторы. Транзисторы Дарлингтона выпускаются в виде законченных модулей, включающих, как правило, и эмиттерные резисторы, что делает удобным их применение.
В качестве задатчика 15 порога срабатывания релейного элемента может быть использован резистивный делитель напряжения или любой другой источник опорного напряжения.
Релейный элемент 14 предназначен для сравнения напряжения контрольного импульса U1, поступающего на инвертирующий вход, с пороговым напряжением U2, поступающим с задатчика порога срабатывания на не инвертирующий вход, и выдачи сигнала перегрузки, тем самым запрещая передачу входного сигнала в схему управления полупроводниковым ключом, и может быть выполнен на основе компаратора напряжения.
Схема 3 выключения полупроводникового ключа может быть реализована на основе биполярных или полевых транзисторов.
В качестве инвертора 26 могут быть использованы серийные микросхемы с необходимым набором функций.
Нагрузкой 1 транзисторного ключа может быть одно или несколько мощных электромагнитных реле, лампа накаливания и т.д.
В качестве элементов для реализации транзисторного ключа могут быть использованы: серийные микросхемы с необходимым набором функций (например, микросхемы серии 1554); стандартные релейные элементы (например, микросхемы серии 521), электронные ключи необходимой мощности.
Транзисторный ключ с защитой от короткого замыкания работает следующим образом.
После подачи напряжений питания Е1 и Е2 устройство приводится в исходное (выключенное) состояние, при этом на втором входе элемента ИЛИ-НЕ 4, являющемся входом транзисторного ключа, должен быть установлен сигнал с уровнем логической «1». Вне зависимости от того, какой сигнал на первом входе элемента ИЛИ-НЕ 4, на его выходе формируется сигнал с уровнем логического «0», который удерживает n-p-n-транзистор 12 и полупроводниковый ключ 2 в режиме отсечки и поступает на вход схемы 3 выключения полупроводникового ключа.
При подаче на вход транзисторного ключа сигнала с уровнем логического «0», на выходе элемента ИЛИ 5 формируется сигнал с уровнем логического «0», который переводит p-n-p-транзистор 13 в режим насыщения. Через p-n-p-транзистор 13 и нагрузку 1 от второй шины 18 питания к общей шине 19 начинает протекать ток. Этот ток создает на сопротивлении нагрузки 1 и диоде 16 падение напряжения U1, которое поступает на инвертирующий вход релейного элемента 14. Если сопротивление нагрузки 1 меньше требуемого значения, либо равно нулю (короткое замыкание), то напряжение U1 не превысит пороговое напряжение U2 и релейный элемент 14 останется в исходном состоянии. Запирающий сигнал с уровнем логической «1» с выхода релейного элемента 14 поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 4 и блокирует передачу сигнала управления на вход полупроводникового ключа 2, следовательно, n-p-n-транзистор 12 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 14 будет сформирован разрешающий сигнал низкого уровня. На выходе элемента ИЛИ-НЕ 4 формируется сигнал с уровнем логической «1», который переведет n-p-n-транзистор 12 и полупроводниковый ключ 2 в режим насыщения. При этом данный сигнал поступает на вход схемы 3 выключения полупроводникового ключа и переводит ее в выключенное состояние.
В открытом состоянии транзисторного ключа осуществляется непрерывный анализ режима нагрузки 1. В случае короткого замыкания произойдет немедленное отключение нагрузки, так как при этом напряжение U1 на инвертирующем входе релейного элемента 14 будет равно падению напряжения на диоде 16, что ниже порога срабатывания U2 релейного элемента 14. На выходе релейного элемента 14 сформируется запрещающий сигнал с уровнем логической «1», который поступает на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 4. Вне зависимости от того, какой сигнал на втором входе (входе транзисторного ключа) логического элемента ИЛИ-НЕ 4, на его выходе будет сформирован сигнал с уровнем логического «0», который переведет n-p-n-транзистор 12 в режим отсечки, а схему 3 выключения полупроводникового ключа во включенное состояние. В совокупности, это приведет к очень быстрому закрыванию полупроводникового ключа 2 и прерыванию тока через короткозамкнутый контур, что позволит избежать перегрева и выхода полупроводникового ключа 2 из строя. Как только восстановится рабочий режим нагрузки 1 и при условии наличия на втором входе элемента ИЛИ-НЕ 4 сигнала с уровнем логического «0», транзисторный ключ автоматически включится.
Выключение устройства осуществляется путем подачи на вход транзисторного ключа сигнала с уровнем логической «1». При этом на выходе элемента ИЛИ-НЕ 4 формируется сигнал с уровнем логического «0», который переводит n-p-n-транзистор 12 в режим отсечки, а схему 3 выключения полупроводникового ключа во включенное состояние. Это в свою очередь переведет полупроводниковый ключ 2 в режим отсечки.