ЭЛЕКТРОННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ РЕЛЕ

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в коммутационных устройствах с гальванической развязкой.
Известны оптоэлектронные реле с переключающими контактами типа КР293КП9, КР293КП10 производства ОАО «Протон», где в качестве замыкающего «контакта» используются DMОП транзисторы, а в качестве размыкающего «контакта» используются DMОП транзисторы со встроенным каналом. Недостатками известных устройств, где в качестве гальванической развязки применяются оптопары, являются низкая радиационная стойкость и низкая стойкость к космическому излучению.
Известно электронное реле с трансформаторной развязкой, осуществляющее функцию замыкающего контакта, и содержащее электронный ключ на DMOП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выпрямительный диод, токоограничительный и токозадающий резисторы, стабилитрон, входные и выходные выводы [патент US №4438356].
Технический результат заявленной полезной модели выражается в расширении области применения электронного реле за счет дополнения его функцией размыкающего «контакта».
Поставленная цель достигается тем, что в электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой, содержащее первый электронный ключ на DMОП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, имеющий первичную и первую вторичную обмотки, первый выпрямительный диод, первый токоограничительный резистор, токозадающий резистор, стабилитрон, первый и второй входы управления, первый и второй выходы реле, причем первый вход управления через токозадающий резистор соединен с катодом стабилитрона и первым входом генератора импульсов, второй вход которого соединен с анодом стабилитрона и со вторым входом управления, к выходу генератора импульсов подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, начало первой вторичной обмотки которого соединено с анодом первого выпрямительного диода, катод которого соединен с первым токоограничительным резистором, дополнительно введены вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора, второй выпрямительный диод, второй токоограничительный резистор, первый и второй нагрузочные резисторы, первый и второй прямосмещенные диоды, биполярные p-n-р и n-p-n транзисторы, второй электронный ключ на ДМОП транзисторе со встроенным каналом, третий и четвертый выходы реле, при этом, катод первого выпрямительного диода через первый токоограничительный резистор соединен с первым выводом первого нагрузочного резистора, анодом первого прямосмещенного диода и базой р-n-р транзистора, коллектор которого соединен с концом первой вторичной обмотки импульсного трансформатора, со вторым выводом первого нагрузочного резистора, с истоком ДМОП транзистора первого электронного ключа и вторым выходом реле, а эмиттер p-n-р транзистора соединен с катодом первого прямосмещенного диода и с затвором ДМОП транзистора первого электронного ключа, сток которого соединен с первым выходом реле, а начало второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединено с катодом второго выпрямительного диода, анод которого через второй токоограничительный резистор соединен с первым выводом второго нагрузочного резистора, катодом второго прямосмещенного диода и базой n-p-n транзистора, коллектор которого соединен с концом второй вторичной обмотки импульсного трансформатора, вторым выводом второго нагрузочного резистора, истоком ДМОП транзистора второго электронного ключа и третьим выходом реле, а эмиттер n-p-n транзистора соединен с анодом второго прямосмещенного диода и затвором ДМОП транзистора второго электронного ключа, сток которого соединен с четвертым выходом реле.
На чертеже приведена схема электрическая принципиальная электронного переключающего реле с трансформаторной развязкой, при этом на чертеже и далее в тексте обозначены:
1 - первый электронный ключ;
2 - генератор импульсов;
3 - импульсный трансформатор;
4 - первичная обмотка импульсного трансформатора;
5 - первая вторичная обмотка импульсного трансформатора;
6 - первый выпрямительный диод;
7 - первый токоограничительный резистор;
8 - токозадающий резистор;
9 - стабилитрон;
10 - первый вход управления;
11 - второй вход управления;
12 - первый выход реле;
13 - второй выход реле;
14 - третий выход реле;
15 - вторая вторичная обмотка импульсного трансформатора;
16 - второй выпрямительный диод;
17 - второй токоограничительный резистор;
18, 19 - соответственно первый и второй нагрузочные резисторы;
20 - второй электронный ключ;
21 - первый прямосмещенный диод;
22 - второй прямосмещенный диод;
23 - p-n-р транзистор;
24 - n-p-n транзистор;
25 - четвертый выход реле.
упр
U - управляющее напряжение;
н1
2
R, Rн - нагрузки первого и второго ключа соответственно;
комп1
ком2
±U, ±U - положительные и отрицательные выходы источника коммутируемые напряжения;
З-и
U - напряжение затвор-исток DMOП транзисторов.
Электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой выполнено следующим образом.
Первый вход управления 10 через токозадающий резистор 8 соединен с катодом стабилитрона 9 и первым входом генератора импульсов 2, второй вход которого соединен с анодом стабилитрона 9 и вторым входом управления 11. К выходу генератора импульсов 2 подключена первичная обмотка 4 импульсного трансформатора 3. Импульсный трансформатор 3 имеет первичную 4 и две вторичные обмотки: первую вторичную обмотку 5 и вторую вторичную обмотку 15. Начало первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3 соединено с анодом первого выпрямительного диода 6, а катод его через первый токоограничительный резистор 7 соединен с первым выводом первого нагрузочного резистора 18, анодом первого прямосмещенного диода 21 и базой p-n-р транзистора 23. Коллектор p-n-р транзистора 23 соединен с концом первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3, вторым выводом первого нагрузочного резистора 18, истоком ДМОП транзистора первого электронного ключа 1 и вторым выходом реле 13. Эмиттер p-n-р транзистора 23 соединен с катодом первого прямосмещенного диода 21 и затвором ДМОП транзистора первого электронного ключа 1, сток которого соединен с первым выходом реле 12.
Начало второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3 соединено с катодом второго выпрямительного диода 16, анод которого через второй токоограничительный резистор 17 соединен с первым выводом второго нагрузочного резистора 19, катодом второго прямосмещенного диода 22 и базой n-p-n транзистора 24, коллектор которого соединен с концом второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3, вторым выводом второго нагрузочного резистора 19, истоком ДМОП транзистора второго электронного ключа 20 и третьим выходом реле 14.
Эмиттер n-p-n транзистора 24 соединен с анодом второго прямосмещенного диода 22 и затвором ДМОП транзистора второго электронного ключа 20, сток которого соединен с четвертым выходом 25 реле.
На чертеже приведено простейшее исполнение элементов электрической принципиальной схемы. Вместе с тем, элементы предложения могут иметь непринципиальные отличия. Так, генератор импульсов 2 может быть выполнен на микросхемах типа 1526ЛН2 по схеме, приведенной в прототипе, или по другой схеме на КМОП-микросхемах. В качестве стабилитрона 9 может быть использован стабилитрон 2С164М-1 или микросхема 142ЕР2Н4ИМ. Импульсный трансформатор 3 может быть типа ТИИ4. В качестве первого электронного ключа 1 могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные DMOП транзисторы типа 2П7149А, 2П7169Б, 2П7161Б и другие. Второй электронный ключ 20 может быть выполнен на отечественных DМОП транзисторах со встроенным каналом (нормально открытые) типа КП110, выпускаемые ОАО «Протон», или на зарубежных DMOП транзисторах со встроенным каналом (Depletion Mode) IXTH20N50D.
Электронное переключающее реле с трансформаторной развязкой работает следующим образом.
упр
В исходном состоянии, когда на входы управления 10, 11 не подано управляющее напряжение U, DМОП транзистор первого электронного ключа 1 закрыт, a DMOП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 открыт, так как DMOП транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах:
З-И
- в режиме обеднения с состоянием «включен» при напряжении затвор-исток U=0 В (нормально открыт);
З-И
З-И
2
ком2
ком2
- в режиме обогащения с состоянием «отключен» при напряжении затвор-исток U=-10 В. В исходном состоянии, когда напряжение U второго электронного ключа равно 0 В, DМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 открыт, и через нагрузку Rн, подключенную к четвертому выходу реле 25, течет ток от положительного выхода источника напряжения + U через открытый DМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 и третий выход реле 14, к которому к которому подключен отрицательный выход источника напряжения - U.
упр
упр
вх2
н2
ком2
После подачи на первый 10 и второй 11 входы управления управляющего напряжения U токозадающий резистор 8 задает ток через стабилитрон 9 и генератор импульсов 2. Напряжение управления U может изменяться в широком диапазоне от 6 до 34 В. Стабилизированное стабилитроном 9 напряжение поступает на входы генератора импульсов 2. Генератор 2 формирует прямоугольные импульсы, которые с его выхода поступают на первичную обмотку 4 импульсного трансформатора 3. На первой 5 и второй 15 вторичных обмотках импульсного трансформатора 3 также формируются прямоугольные импульсы, которые выпрямляются первым выпрямительным диодом 6 с первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3, и вторым выпрямительным диодом 16 со второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3. Отрицательное напряжение с начала второй вторичной обмотки 15 импульсного трансформатора 3 через второй выпрямительный диод 16, второй токоограничительный резистор 17 и второй прямосмещенный диод 22 подается на затвор DMOП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20, где входная емкость С транзистора 24 фильтрует переменное напряжение и на затворе ДМОП транзистора второго электронного ключа 20, формируется отрицательное напряжение 10 В, которое закрывает его, отключая нагрузку R от источника коммутируемого напряжения ±U.
вх.1
н1
комl
ком1
Одновременно с этим положительное напряжение с начала первой вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора 3 через первый выпрямительный диод 6, первый токоограничительный резистор 7 и первый прямосмещенный диод 21 поступает на затвор DMOП транзистора первого электронного ключа 1, где входная емкость С транзистора 23 фильтрует переменное напряжение и на затворе ДМОП транзистора первого электронного ключа 1 формируется положительное напряжение 10 В, которое открывает его. Через нагрузку R, подключенную к первому выходу реле 12, течет ток от положительного выхода источника напряжения +U через открытый DMOП транзистор первого электронного ключа 1 и второй выход реле 13, к которому подключен отрицательный выход источника напряжения -U.
упр
После подачи управляющего напряжения U на первый 10 и второй 11 входы управления, когда ДМОП транзистор первого электронного ключа 1 открыт, а ДМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 закрыт, на первом 21 и втором 22 прямосмещенном диоде нет падения напряжения, так как переходы затвор-исток ДМОП транзисторов первого 1 и второго 20 электронных ключей не потребляют тока, вследствие большого сопротивления (более 200 МОм) перехода затвор-исток.
Так как на первом 21 и втором 22 прямосмещенных диодах нет падения напряжения, следовательно, он удерживает соответственно р-n-р 23 и n-p-n 24 транзисторы в закрытом состоянии.
упр
вх1
вх1
З-И
вх2
После снятия управляющего напряжения U с входов управления 10 и 11 реле генератор импульсов 2 включается. Напряжение на первом нагрузочном резисторе 18 уменьшается, в то время как напряжение на затворе ДМОП транзистора первого электронного ключа 1 не изменяется, так как нет цепей разряда входной емкости С. Как только напряжение на первом нагрузочном резисторе 18 уменьшается на 0,6 В, на первом прямосмещенном диоде 21 формируется также отрицательное напряжение 0,6 В, достаточное для открывания p-n-р транзистора 23. Транзистор р-n-р 23 открывается и быстро разряжает входную емкость С ДМОП транзистора первого электронного ключа 1. ДМОП транзистор первого электронного ключа 1 закрывается и входит в состояние «включен» при напряжении U=0 В (нормально закрыт). Одновременно с этим напряжение на втором нагрузочном резисторе 19 уменьшается, в то время как на затворе ДМОП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20 напряжение на затворе не изменяется, так как нет цепей разряда входной емкости С.
вх2
З-И
вх1
вх2
Как только напряжение на втором нагрузочном резисторе 19 уменьшается на 0,6 В, на втором прямосмещенном диоде 22 сформируется также напряжение 0,6 В, достаточное для открывания n-p-n транзистора 24. Транзистор n-p-n 24 открывается и быстро разряжает входную емкость С ДМОП транзистора со встроенным каналом второго электронного ключа 20. ДМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 открывается и входит в состояние «включен» при напряжении затвор-исток U=0 В (нормально открыт). Таким образом осуществляется переключение DМОП транзисторов первого 1 и второго 20 электронных ключей. Первый 7 и второй 17 ограничительные резисторы ограничивают ток заряда С и С и отделяют время включения ДМОП транзисторов первого 1 и второго электронных ключей.
По аналогии с оптоэлектронными реле КР293КП9, КР293КП10 заявленное устройство имеет функцию переключающего «контакта», когда в выключенном состоянии реле включен (открыт) DМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20, и выключен (закрыт) DMOП транзистор первого электронного ключа 1, а во включенном состоянии реле DMOП транзистор первого электронного ключа 1 включен (открыт), а DМОП транзистор со встроенным каналом второго электронного ключа 20 выключен (закрыт).
Кроме того, импульсный трансформатор 3 типа ТИИ4 имеет высокую радиационную стойкость и стойкость к космическому излучению. По сравнению с известным реле с трансформаторной развязкой, имеющим только функцию на включение, предложенное техническое решение расширяет функциональные возможности электронного переключающего реле за счет введения в прототип функции размыкающего «контакта».