ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ

ОПТОЭЛЕКТ ОННОЕ РЕЛЕ
Полезная модель относится к оптоэлектронике и преобразовательной технике и предназначена для коммутации цепей постоянного тока большой величины при построении, например, мостовых преобразовательных устройств.
Известны оптоэлектронные реле содержащие входной транзисторный оптрон и выходной биполярный транзистор, базовый ток которого через транзистор оптрона задается остаточным напряжением на выходном транзисторе в открытом состоянии  I .
Недостатком таких реле является малое быстродействие и достаточно большое остаточное напряжение даже при малых токах.
Известно также оптоэлектронное реле с дополнительным питанием, гальванически связанным с выходной цепью, содержащее входной, транзисторный оптрон и выходной МОП-транзистор  2 .
Недостаткам такого реле является необходимость дополнительного источника питания, что приводит к значительному усложнению при построении, например, мостовых схем, так как для каждого плеча моста требуется гальванически изолированный источник питания.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, оно и выбрано в качестве прототипа, является оптоэлектронное реле постоянного тока содержащее входной оптрон с цепочкой фотодиодов на выходе (фотовольтаический оптрон), положительный выход (анод) которого связан с затвором выходного узла, а отрицательный с истоком этого узла, причем выходной узел представляет собой силовой МОП- транзистор с изолированным затвором (однополярное реле), сток которого соединен со входом «+ и первым выходом узла, исток- истоковым входом «И и вторым выходом, а затвор - с затвором выходного узла, или два встречно-последовательно включенных МОПтранзистора с общими затворами и истоками (двуполярное реле), причем стоки транзисторов являются выходами узла, объединенные истоки- истоковым входом «И, а объединенные затворы- затвором выходного узла.  3 .
Недостатком такого реле является малое быстродействие, определяемое временем включения
Твкл  СипЯо, где
С-емкость затвор-исток силового узла;
Un-noporoBoe напряжение МОП-транзистора;
1о-средний ток на выходе оптрона в диапазоне выходного напряжения О  Un (не учитывается ток утечки затвор-исток).
Для типовых значений:
С  2-10- ф; Un  10В; 1о  5-10 А, получим Твкл  4-10 с
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет повышения быстродействия реле без введения дополнительного источника питания в выходную цепь.
резистора, стабилитрон и входной узел, обеспечивающий противофазное включение транзисторных оптронов, а в выходной узел с двумя транзисторами (двуполярное реле)-диодный мост, причем положительный входной контакт фотовольтаического оптрона соединен с первым контактом первого резистора, второй контакт которого соединен с положительным контактом источника питания, отрицательный входной контакт фотовольтаического оптрона соединен с отрицательным контактом источника питания, положительный входной контакт первого транзисторного оптрона соединен с положительным контактом первого выхода входного узла, отрицательный входной контакт первого транзисторного оптрона подключен к отрицательному контакту первого выхода входного узла, положительные и отрицательные входы второго транзисторного оптрона связаны, соответственно, с положительным и отрицательным контактами второго выхода входного узла, выводы питания и «общий которого подключены, соответственно, к положительному и отрицательному контактам источника питания, а входной вывод - ко входу устройства; положительный входной контакт фотовольтаического оптрона соединен с первым контактом первого конденсатора, отрицательным контактом диода и коллекторным контактом первого транзисторного оптрона, отрицательный выходной контакт фотовольтаического оптрона соединен со вторым контактом первого конденсатора, положительным контактом стабилитрона, истоковым контактом выходного узла и эмиттерным контактом второго транзисторного оптрона, коллекторный выход которого соединен с эмиттерным выходом первого транзисторного оптрона и затвором выходного узла, положительный контакт «+ которого соединен с первым контактом второго резистора, второй контакт которого соединен с первым контактом второго конденсатора, второй контакт которого связан с отрицательным контактом стабилтрона и положительным контактом диода, а диодный мост в двуполярном реле своими входами соединен с выходами устройства, положительным выходом - со входом «+ выходного узла, а отрицательным выходом - с истоковым входом узла.
На рис. представлена схема предлагаемого оптоэлектронного реле; на рис.2а - схема выходного узла для однополярного реле; на рис,2б - схема выходного узла для двуполярного реле, а на рисЗ - пример входного узла.
Оптоэлектронное реле содержит фотовольтанический оптрон 1, выходной узел 2, источник питания 3, транзисторные оптроны 4 и 5, первый конденсатор 6, диод 7, стабилитрон 8, второй конденсатор 9, резисторы 10 и 11, входной узел 12 и, для двуполярного реле, - диодный мост 13 в составе выходного узла. Отрицательный выход оптрона 1 соединен с первым выводом конденсатора 6, анодом стабилитрона 8, эмиттером транзисторного оптрона 5 и с истоковым входом выходного узла 2, а положительный выход оптрона 1-е катодом диода 7, вторым выводом конденсатора 6 и коллектором транзисторного оптрона 4. Анод диода 7 подключен к катоду стабилитрона 8 и первому выводу конденсатора 9, второй вывод которого связан с первым выводом резистора 10, второй вывод которого соединен с выводом «+ выходного узла 2, эмиттер транзисторного оптрона 4, соединен с коллектором транзисторного оптрона 5 и входом затвора выходного узла 2, выводы которого «Вых. и «Вых.2 являются выходами
устройства, отрицательный выход источника питания 3, связан с общей шиной, а положительный - с первым выводом резистора 10 и выводом питания входного узла 12, общий вывод которого соединен с общей шиной, вход - со входом реле, положительный и отрицательный выводы первого выхода - с положительным и отрицательным входами транзисторного оптрона 4, а положительный и отрицательный выводы второго выхода - положительным и отрицательным входом транзисторного оптрона 5, соответственно.
Реле могут быть как однополярными так и двуполярными рис.2а и рис.2б.
В двуполярных реле содержится диодный мост 13, входы которого связаны с шинами «Вых 1 и «Вых 2 / устройства, отрицательный выход связан с истоками встречно - последовательно включенных МОП-транзисторов и истоковым выводом выходного узла, положительный выход - с выводом «+ выходного узла.
Входной узел 12 должен обеспечивать следующий алгоритм функционирования: при напряжении на входе устройства равном нулю ток на вьгк. 1 равен нулю, на ВЫХ.2 - ток включения оптрона 5; при напряжении включения реле на входе - ток на ВЫХ.2 отсутствует, на вых.1 - ток включения оптрона 4. Пример входного узла на рис.3 реализует такой алгоритм.
Сопротивление резистора 11 определяет ток входного светодиода оптрона 1 по формуле 1д  (Е-Цд) / R, где Ид - падение напряжения на светодиоде.
Устройство работает следующим образом:
При включении источника питания 3 через время Т  Un-Ci Ло , где
Ci - емкость конденсатора 6, напряжение на конденсаторе 6 достигнет порогового напряжения Un включения выходного узла 2 и реле готово к работе. При подаче на вход оптореле напряжения включения транзистор оптрона 5 закрывается, а оптрона 4 открывается, при этом емкость затвора Сз«С1, выходного узла 2 заряжается до напряжения, которое было на конденсаторе 6, выходной узел отпирается, токи утечки затвора и транзистора оптрона 5 компенсируются выходным током оптрона 1.
При изменении UBX. до нуля оптрон 4 закрывается, оптрон 5 открывается, разряжая емкость затвора Сз, выходной узел 2 запирается. При этом напряжение на выводе «+ выходного узла 2 скачком возрастает до напряжения U силовой цепи на выходах реле и, через резистор 10 и емкость €2 конденсатора 9, подзаряжает конденсатор 6, компенсируя заряд, снятый с емкости затвора выходного узла 2, что дает возможность повторного включения реле без задержки, которая требовалась бы для компенсации этого заряда только с помощью оптрона 1 (т.е. без конденсатора 9). Время заряда и разряда емкости затвора определяется выходным током I транзисторных оптронов 4 и 5: Т«ипСз/1
Стабилитрон 8 обеспечивает защиту затвора вькодного узла 2 от перенапряжения и разряд конденсатора 9 при включении реле, диод 7 препятствует разряду конденсатора 6 через стабилитрон 8. Резистор 10 ограничивает ток разряда конденсатора .9 и рассеивает основную часть энергии разряда
С2  (СзШ - loTmin)/ (Emin-Un), где Tmm-минимальный период коммутации оптореле; Emin-минимальное напряжение силовой цепи
В случае, когда Tmin достаточно велик и выполняется соотношение
IoTmin CjUn , т.е. достаточно времени до очередного
включения, чтобы компенсировать потерю заряда на затворе при выключении за счет тока 1о оптрона 1, конденсатор 9 и, соответственно диод 7 и стабилитрон 8 не нужны. При этом задержки включения и выключения реле малы , но мала и допустимая частота коммутации.
Предложенное техническое решение было экспериментально проверено в составе полумоста и показало свою работоспособность в диапазоне частоты коммутации от О до 100 кГц и в диапазоне выходных напряжений от 7 В до 400В, при токах нагрузки от 0,1 А до 50А.
Заметим, что ограничение по минимальному напряжению коммутации действует только для высоких частот коммутации; при fgoM от О до нескольких десятков Герц минимальное напряжение коммутации равно нулю.