Транзисторный реверсивный коммутатор

Предлагаемая полезная модель относится к коммутационным устройствам и может быть использована для реверсивной коммутации токов в нагрузке.
Известно устройство - реверсивный четырехполюсник, содержащий два релейных контакта В1 и В2, два релейных контакта H1 и Н2 и индуктивную нагрузку в виде якорной обмотки двигателя постоянного тока. При замыкании контактов В1 и В2 ток протекает через якорную обмотку двигателя (нагрузки) в прямом направлении. При замыкании контактов H1 и Н2 и размыкании контактов В1 и В2 осуществляется реверсивное подключение якорной обмотки двигателя (нагрузки), ток при этом подключении протекает в обратном направлении (Вишневский С.Н. Характеристики двигателя в электроприводе [Текст]. - 6-е изд., испр. - Москва: Энергия, 1977. - С. 84, рис. 2-22).
Однако описанное устройство имеет следующие недостатки: появление электрических дуг в момент размыкания группы контактов, относительно большое время коммутации, вызванное механическим замыканием группы 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 обладает пониженной степенью надежности вследствие высокого риска короткого замыкания силовой части реверсивного транзисторного моста в случае неправильной подачи управляющего сигнала на базы транзисторов, а также возможного короткого замыкания между изолированными источниками питания цепей управления транзисторами.
Технической проблемой, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение надежности за счет исключения возможности короткого замыкания силовой части схемы при неправильной подаче управляющих сигналов на базы транзисторов.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в транзисторном реверсивном коммутаторе, содержащем четыре транзистора, в качестве двух из которых использованы транзисторы n-p-n проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к минусу постоянного силового питающего напряжения, причем эти транзисторы подключены коллекторами к разным входам нагрузки, согласно полезной модели в качестве двух других транзисторов транзисторного реверсивного коммутатора использованы транзисторы p-n-p проводимости, причем эмиттеры этих транзисторов соединены и подключены к плюсу постоянного силового питающего напряжения. Коллекторы первого и четвертого транзисторов объединены и подключены к первому входу нагрузки, коллекторы третьего и второго транзисторов объединены и подключены ко второму входу нагрузки. База первого транзистора соединена с одним из выводов первого резистора, база четвертого транзистора соединена с одним из выводов четвертого резистора, второй вывод первого резистора и второй вывод четвертого резистора соединены и подключены к общей точке, которая подсоединена к аноду и катоду фотодиодов, соответственно, первой и четвертой оптопар, соединенных последовательно, при этом катод фотодиода первой оптопары соединен с плюсом, а анод четвертой оптопары соединен с минусом силового питающего напряжения. База второго транзистора соединена с одним из выводов второго резистора, база третьего транзистора соединена с одним из выводов третьего резистора, второй вывод второго резистора и второй вывод третьего резистора соединены и подключены к общей точке, которая подсоединена к аноду и катоду фотодиодов, соответственно, третьей и второй оптопар, соединенных последовательно, при этом катод фотодиода третьей оптопары соединен с плюсом, а анод второй оптопары соединен с минусом силового питающего напряжения.
Повышение надежности устройства обусловлено использованием пар транзисторов разной проводимости, что позволяет при подаче управляющего сигнала отпирать один из транзисторов и одновременно надежно запирать другой. Это также достигается введением цепочек, содержащих четыре оптопары, при отсутствии использования четырех изолированных источников постоянного тока в цепи база-эмиттер.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема транзисторного реверсивного коммутатора; на фиг. 2 показана тактовая диаграмма работы транзисторного реверсивного коммутатора.
Кроме того, на чертежах используются следующие обозначения:
- VT1, VT3 - транзисторы p-n-p проводимости;
- VT2, VT4 - транзисторы n-p-n проводимости;
- R1, R2, R3, R4 - сопротивления;
- Rн - сопротивление нагрузки;
- VD1, VD2, VD3, VD4 - оптопары;
- «-» - минус постоянного силового напряжения;
- «+» - плюс постоянного силового напряжения;
- сплошной линией со стрелкой показано прямое направление тока в нагрузке;
- пунктирной линией со стрелкой показано обратное направление тока в нагрузке;
- t1, t2, t3, t4, t5, t6 - моменты времени коммутации.
Пример выполнения транзисторного реверсивного коммутатора представлен на фиг. 1.
Транзисторный реверсивный коммутатор содержит четыре транзистора: транзистор 1 (VT1) p-n-p проводимости и транзистор 2 (VT3) p-n-p проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к плюсу постоянного силового питающего напряжения, транзистор 3 (VT2) n-p-n проводимости и транзистор 4 (VT4) n-p-n проводимости, соединенные эмиттерами и подключенные к минусу постоянного силового питающего напряжения.
База транзистора 1 (VT1) p-n-p проводимости и база транзистора 4 (VT4) n-p-n проводимости через сопротивление 5 (R1) и сопротивление 6 (R4), соответственно, подключены к общей точке 7, которая подсоединена к аноду фотодиода оптопары 8 (VD1) и к катоду фотодиода оптопары 9 (VD4), при этом катод фотодиода оптопары 8 (VD1) подключен к плюсу силового питающего напряжения, а анод фотодиода оптопары 9 (VD4) подключен к минусу силового питающего напряжения. База транзистора 2 (VT3) p-n-p проводимости и база транзистора 3 (VT2) n-p-n проводимости через сопротивление 10 (R3) и сопротивление 11 (R2), соответственно, подключены к общей точке 12, которая подсоединена к аноду фотодиода оптопары 13 (VD3) и к катоду фотодиода оптопары 14 (VD2), при этом катод фотодиода оптопары 13 (VD3) подключен к плюсу силового питающего напряжения, а анод фотодиода оптопары 14(VD2) подключен к минусу силового питающего напряжения.
Коллекторы транзистора 1 (VT1) p-n-p проводимости и транзистора 4 (VT4) n-p-n проводимости объединены и подключены к первому входу 15 нагрузки 16 (Rн). Коллекторы транзистора 2 (VT3) p-n-p проводимости и транзистора 3 (VT2) n-p-n проводимости объединены и подключены к второму входу 17 нагрузки 16 (Rн).
Работа транзисторного реверсивного коммутатора происходит следующим образом.
Для прохождения тока через нагрузочное сопротивление в прямом направлении, указанном сплошной линией со стрелкой на фиг. 1, в момент времени t1 (фиг. 2) подаются сигналы на оптопары 9 (VD4) и 13 (VD3). Начинают протекать базовые токи, один из токов протекает по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 1 (VT1), база транзистора 1 (VT1), резистор 5 (R1), общая точка 7, оптопара 9 (VD4), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзистора 1 (VT1), транзистор 4 (VT4) при этом надежно заперт, другой базовый ток протекает по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, оптопара 13 (VD3), общая точка 12, резистор 11 (R2), база транзистора 3 (VT2), эмиттер транзистора 3 (VT2), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзистора 3 (VT2). Транзистор 2 (VT3) при этом надежно заперт. Так как транзисторы 1 (VT1) и 3 (VT2) открыты, начинает протекать коллекторный ток по следующему направлению через нагрузку 16 (Rн): плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 1 (VT1), коллектор транзистора 1 (VT1). вход 15 нагрузки 16 (Rн), нагрузка 16 (Rн), коллектор транзистора 3 (VT2), эмиттер транзистора 3 (VT2), минус постоянного силового питающего напряжения. В момент времени t2 (фиг. 2) перестают подаваться управляющие сигналы на оптопары 9 (VD4) и 13 (VD3), и происходит закрытие транзисторов 1 (VT1) и 3 (VT2). Для прохождения тока в обратном направлении через нагрузку 16 (Rн), указанного пунктирной линией со стрелкой (фиг. 1), в момент времени t3 (фиг. 2) подаются сигналы на оптопары 8 (VD1) и 14 (VD2). Начинают протекать базовые токи, один из токов протекает по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, оптопара 8 (VD1), общая точка 7, резистор 6 (R4), база транзистора 4 (VT4). Эмиттер транзистора 4 (VT4), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзистора 4 (VT4), транзистор 1 (VT1) при этом надежно заперт, другой базовый ток протекает по пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 2 (VT3), база транзистора 2 (VT3), резистор 10 (R3), общая точка 12, оптопара 14 (VD2), минус постоянного силового питающего напряжения, что приводит к открытию транзистора 2 (VT3), транзистор 3 (VT2) при этом надежно заперт. Так как транзисторы 2 (VT3) и 4 (VT4) открыты, начинает протекать коллекторный ток через нагрузку 16 (Rн) по следующему пути: плюс постоянного силового питающего напряжения, эмиттер транзистора 2 (VT3), коллектор транзистора 2 (VT3), вход 17 нагрузки 16 (Rн), нагрузка 16 (Rн), коллектор транзистора 4 (VT4), эмиттер транзистора 4 (VT4), минус постоянного силового питающего напряжения. В момент времени t4 (фиг. 2) перестают подаваться управляющие сигналы на оптопары 8 (VD1) и 14 (VD2), и происходит закрытие транзисторов 2 (VT3) и 4 (VT4), затем цикл повторяется. В случае неправильной (одновременной) подачи управляющих сигналов на оптопары 8 (VD1) и 9 (VD4), исключено короткое замыкание силовой части схемы, поскольку ток в этом случае будет протекать по пути: плюс силового питающего напряжения, оптопара 8 (VD1), общая точка 7, оптопара 9 (VD4), минус силового питающего напряжения. Аналогично, в случае неправильной (одновременной) подачи управляющих сигналов на оптопары 13 (VD3) и 14 (VD2), исключено короткое замыкание силовой части схемы, поскольку ток в этом случае будет протекать по пути: плюс силового питающего напряжения, оптопара 13 (VD3), общая точка 12, оптопара 14 (VD2), минус силового питающего напряжения.
Таким образом, предлагаемый транзисторный реверсивный коммутатор имеет преимущество перед реверсивным транзисторным мостом, выбранным в качестве прототипа, заключающееся в повышении надежности устройства путем использования пар транзисторов разной проводимости, что позволяет при подаче управляющих сигналов отпирать один из транзисторов и одновременно надежно запирать другой, таким образом, исключая возможность короткого замыкания силовой части схемы. Это также достигается введением цепочек, содержащих четыре оптопары, что позволяет отказаться от использования четырех изолированных источников постоянного тока в цепи база-эмиттер.