УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ
LOAD CONTROL DEVICE

Устройство управления нагрузкой относится к импульсной технике.
Известно устройство (см. патент ФРГ, заявка №1613894, опубл. 28.03.1974, МКИ H02H 7/20. «Устройство для управления нагрузкой»). Устройство содержит резистивный делитель, резисторы, n-p-n- и р-n-р-транзисторы и диод. Вход устройства для управления нагрузкой через последовательную RC-цепь и параллельно соединенный к ней резистивный делитель, выполненный на последовательно соединенных первом и втором резисторах, подключен к базе n-p-n-транзистора, подключен через третий резистор к эмиттеру n-p-n-транзистора и общей шине. Коллектор n-р-n-транзистора через четвертый резистор подключен к базе p-n-р-транзистора, подключенный через пятый резистор к эмиттеру p-n-р-транзистора и плюсовой шине питания. Коллектор p-n-р-транзистора подключен через шестой резистор к катоду диода и первому выводу нагрузки (в виде реле или резистора нагрузки), второй вывод которой подключен к общей шине, анод диода подключен к точке объединения первого и второго резисторов.
Недостатками известного устройства являются пониженная надежность защиты, узкий диапазон (близкий к напряжению на шине питания) входных напряжений устройства для обеспечения защиты ключевого транзистора от короткого замыкания и узкий диапазон повышенного напряжения питания за счет отсутствия защиты нагрузки от перенапряжения при повышении тока через нее за счет повышенного напряжения питания.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для управления нагрузкой (см. патент RU 2121190 С1, МПК H01H 47/32, опубл. в БИ №30 от 27.10.98, авторы Шишкин Г.И., Дикарев И.И.). Устройство для управления нагрузкой, выполненной в виде электромагнитного реле, содержащее два n-р-n-транзистора, два p-n-р-транзистора, шесть резисторов. База первого n-р-n-транзистора соединена через первый резистор с входом устройства и через второй резистор с общей шиной, эмиттер первого n-p-n-транзистора соединен с общей шиной, коллектор его через третий резистор соединен с базой первого p-n-р-транзистора и через четвертый резистор с эмиттером первого р-n-р-транзистора и силовой шиной питания устройства, коллектор первого р-n-р-транзистора подключен к первому выводу нагрузки (выполненной в виде электромагнитного реле), другой вывод нагрузки подключен через пятый резистор к общей шине и непосредственно к эмиттеру второго р-n-р-транзистора, база которого подключена к коллектору второго р-n-р-транзистора и базе первого n-p-n-транзистора, коллектор второго р-n-р-транзистора подключен через шестой резистор к общей шине и непосредственно к базе второго n-p-n-транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине.
Недостатком известного устройства является ненадежная работа в энергоемком автогенераторном режиме для отличных от индуктивных видов нагрузки. Кроме того, p-n-р-транзистор усилителя мощности не защищен от тока короткого замыкания инерционной нагрузки (электромагнитного реле) из-за срыва автогенераторного режима.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в унификации устройства к любой нагрузке и повышении надежности защиты. Для достижения технического результата в устройстве для управления нагрузкой, содержащем первый и второй p-n-р-транзисторы, нагрузку, первый, второй, третий, четвертый, пятый резисторы и n-p-n-транзистор, база которого соединена через первый резистор с входом устройства, эмиттер соединен с общей шиной, а коллектор через второй резистор соединен с базой первого p-n-р-транзистора, которая подключена через третий резистор к шине питания устройства, при этом коллектор первого p-n-р-транзистора соединен с первым выводом нагрузки, новым является то, что эмиттер второго p-n-р-транзистора подключен к шине питания, база второго p-n-р-транзистора соединена через четвертый резистор с шиной питания, с эмиттером первого p-n-р-транзистора и через пятый резистор соединена с коллектором n-p-n-транзистора, база первого p-n-р-транзистора соединена с коллектором второго р-n-р-транзистора, при этом второй вывод нагрузки подключен к общей шине.
В устройстве для управления нагрузкой нагрузка может быть выполнена в виде обмотки электромагнитного реле или первичной обмотки трансформатора, зашунтированной диодом, в виде резистора или емкости (или параллельной RC-цепи).
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве обеспечивает унификацию устройства к любой нагрузке и повышение надежности защиты. Повышенная надежность обеспечивается защитой не только нагрузки, но и самого первого p-n-р-транзистора от перегрузки, как при короткозамкнутой нагрузке, так и при резком повышении напряжении питания.
На фиг. 1 представлен пример реализации принципиальной схемы устройства для управления нагрузкой, на фиг. 2-5 представлены различные виды нагрузок в виде обмотки электромагнитного реле, зашунтированной диодом, первичной обмотки трансформатора, зашунтированной диодом, резистора, конденсатора соответственно.
Устройство для управления нагрузкой содержит первый 2 и второй 3 р-n-р-транзисторы, нагрузку 10, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7, пятый 8 резисторы и n-p-n-транзистор 1, база которого соединена через первый резистор 4 с входом устройства 11, эмиттер соединен с общей шиной, а коллектор через второй резистор 5 соединен с базой первого р-n-р-транзистора 2, которая подключена через третий резистор 6 к (силовой) шине питания 9 устройства, при этом коллектор первого p-n-р-транзистора 2 соединен с первым выводом нагрузки 10, эмиттер второго p-n-р-транзистора 3 подключен к шине питания 9, база второго p-n-р-транзистора 3 соединена через четвертый резистор 7 с шиной питания 9, с эмиттером первого р-n-р-транзистора 2 и через пятый резистор 8 соединена с коллектором n-р-n-транзистора 1, база первого p-n-р-транзистора 2 соединена с коллектором второго р-n-р-транзистора 3, при этом второй вывод нагрузки 10 подключен к общей шине.
Нагрузка 10 выполнена в виде обмотки электромагнитного реле 12, зашунтированной диодом 13 (фиг. 2), или первичной обмотки трансформатора 14, зашунтированной диодом 15 (фиг. 3), или в виде резистора 16 (фиг. 4), или в виде емкости 17 (фиг. 5).
Устройство для управления индуктивной нагрузкой (фиг. 2) работает следующим образом.
9
9
В исходном статическом состоянии при отсутствии управляющих импульсов на входе 11 устройства (на базе n-p-n-транзистора 1 нулевое напряжение) и при наличии напряжения на шине 9 питания n-p-n-транзистор 1 заперт, а значит, заперты p-n-р-транзисторы 2, 3, так как токи в резисторах 4, 5, 6, 7, 8 и в нагрузке 10 любого типа (фиг. 2-5) равны нулю. При подаче управляющего напряжения (или импульсов произвольной длительности) на вход 11 устройства через резистор 4 и эмиттерный переход n-p-n-транзистора 1 протекает ток, транзистор 1 открывается до насыщения. Через резисторы 5, 6, 7, 8 и эмиттерный переход p-n-р-транзистора 2 протекает ток, транзистор 2 открывается. Для случая индуктивной нагрузки (фиг. 2, 3) коллекторный ток транзистора 2 протекает через обмотку 12 электромагнитного реле или первичную обмотку 14 трансформатора. Вследствие того, что полное сопротивление обмотки 12 или 14 имеет индуктивную составляющую, указанный ток изменяется во времени, нарастая от нулевого значения и стремясь к величине U/R, где U - напряжение, приложенное к обмотке 12, R - сопротивление обмотки, U=U-0,8 В, где U - напряжение на шине 9 питания, 0,8 В - падение напряжения на резисторе 7 и насыщенном транзисторе 2. При достижении тока в обмотке 12 (на нагрузке 10) величины тока срабатывания реле замыкаются контакты контактной группы электромагнитного реле 12. При этом суммарный ток через резистор 7 равен сумме инерционного тока обмотки, протекающего через транзистор 2, и без инерционного тока, протекающего через резистор 8 и открытый n-p-n-транзистор 1. Возникающее при заданном токе срабатывания суммарное падение напряжения на резисторе 7 вызывает отпирание транзистора 3 и запирание транзистора 2, наступает режим ограничение-стабилизация тока. Тем самым, не только в индуктивной, но и в нагрузке любого вида из представленных на фиг. 2-5 и даже короткозамкнутой нагрузке 10 (какой, в частности, является незаряженный конденсатор 17 в пусковом режиме фиг. 5), величина заданного тока в нагрузке 10 и p-n-р-транзисторе 2 ограничена допустимой величиной, что предотвращает их разрушение и повреждение даже при коротком замыкании нагрузки.
При резком повышении напряжения на силовой шине 9 питания возникает безинерционный скачок тока через резисторы 7, 8 и открытый транзистор 1. Вследствие чего происходит более быстрое и глубокое отпирание транзистора 3 дополнительным напряжением на резисторе 7 и более полное запирание транзистора 2 даже при инерционной нагрузке 10. Это ограничивает допустимый ток в нагрузке и самом транзисторе 2, предотвращая их от повреждения, что позволяет расширить вдвое диапазон допустимого напряжения на шине 9 питания.
При резистивной нагрузке (фиг. 4) устройство может быть усилителем-формирователем мощных импульсов в нагрузке 10 из маломощных импульсов логического уровня на входе 11.
При емкостной нагрузке (фиг. 5) устройство может быть усилителем-формирователем пилообразных импульсов в нагрузке 10 из маломощных импульсов логического уровня на входе 11.
Испытания макета устройства для управления нагрузкой 10, выполненного на транзисторной матрице 1НТ251, транзисторах 2Т860, резисторах Р1-12 и моделирование устройства в САПР Micro-Cap 7.1.0, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества. В диапазоне рабочих напряжений на шине 9 питания от 27 до 54 В. При стандартных нагрузках и коротком замыкании нагрузок, ток в нагрузке 10 и в силовом транзисторе 2 стабилизированы с погрешностью в 5%, обеспеченной подбором сопротивления резистора 8 при недопустимом 100% разбросе токов в прототипе.