КЛЮЧ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ALTERNATING CURRENT SWITCH

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам автоматики и может быть использовано для коммутации нагрузок по принципу «включено-выключено».
Известен ключ для коммутации входных цепей контакторов и магнитных пускателей, содержащий симистор, включенный в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой, и генератор импульсов, поступающих на управляющий электрод симистора [1].
Недостатком этого ключа является то, что импульсы тока, подаваемые на управляющий электрод симистора должны приводить к его открытию в самом начале каждого их полупериодов сетевого напряжения. Все остальные следующие друг за другом в течение полупериода импульсы после открытия ключа приводят лишь к излишней загрузке источника питания. При использовании простого по устройству и малогабаритного бестрансформаторного источника питания на делителях напряжения это приводит к снижению напряжения на выходе источника и возможному сбою других питаемых от этого источника узлов схемы.
Недостатком управления ключом серией импульсов является также то, что за короткое время импульса при индуктивной нагрузке ключа, каковой является, например, катушка магнитного пускателя или контактора, ток не успевает возрасти до тока удержания симистора, и он снова закрывается, как только импульс исчезает. Для устранения этого явления катушка магнитного пускателя шунтируется конденсатором, включенным последовательно с резистором, ограничивающим броски тока при подаче напряжения на конденсатор. По сравнению с другими элементами устройства управления и конденсатор, и резистор относительно громоздки. Это создает проблемы при их размещении в блоке устройства управления.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.
Технический результат достигается за счет того, что в ключе переменного тока, содержащем симистор, замыкающий на нулевую шину цепью анод-катод один из выводов нагрузки, являющегося выходом ключа, другой вывод которой присоединен к фазе сети переменного тока, при этом управляющий электрод симистора через первый резистор и коллектор-эмиттер первого транзистора n-p-n типа соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока, соединенного положительным выводом с нулевой шиной, а база первого транзистора замкнута на нулевую шину через второй резистор и цепь коллектор-эмиттер второго транзистора p-n-р типа, база которого соединена с коллектором первого транзистора и первым выводом конденсатора, присоединенного вторым выводом к нулевой шине и зашунтированного в направлении от второго вывода к первому выводу первой парой соединенных последовательно диодов, точка соединения которых соединена через третий резистор с выходом ключа, причем первый вывод конденсатора является входом сигнала управления ключом и соединен через четвертый резистор с отрицательным выводом источника постоянного тока, отличающийся тем, что цепь база-эмиттер первого транзистора зашунтирована цепью коллектор-эмиттер третьего транзистора n-p-n типа, база которого через пятый резистор и цепь коллектор-эмиттер четвертого транзистора р-n-р типа соединена с нулевой шиной, база которого соединена с коллектором пятого транзистора p-n-р типа и эмиттером шестого транзистора n-p-n типа и через шестой резистор соединена с отрицательным выводом источника постоянного тока, эмиттер пятого и коллектор шестого транзисторов соединены с нулевой шиной, а их базы через седьмой резистор с выходом ключа, конденсатор в направлении от первого вывода ко второму зашунтирован второй парой последовательно соединенных диодов, а база второго транзистора соединена с первым выводом конденсатора и с коллектором первого транзистора соответственно через восьмой и девятый резисторы.
Принципиальная схема ключа изображена на чертеже (фиг. 1).
Он содержит симистор 1, замыкающий на нулевую шину цепью анод-катод один из выводов нагрузки 2, например, катушки магнитного пускателя или контактора. Вывод нагрузки является выходом ключа, другой вывод нагрузки присоединен к фазе сети переменного тока. Управляющий электрод симистора 1 через резистор 3 и коллектор-эмиттер транзистора 4 n-p-n типа соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока 5, соединенного положительным выводом с нулевой шиной. База первого транзистора 4 замкнута на нулевую шину через резистор 6 и цепь коллектор-эмиттер второго транзистора 7 p-n-р типа. База транзистора 7 соединена с коллектором транзистора 4 и первым выводом конденсатора 8, присоединенного вторым выводом к нулевой шине. Конденсатор 8 зашунтирован в направлении от второго вывода к первому выводу парой соединенных последовательно диодов 9 и 10. Точка соединения диодов 9 и 10 соединена через резистор 11 с выходом ключа. Первый вывод конденсатора 8 является входом сигнала управления ключом и соединен через резистор 12 с отрицательным выводом источника постоянного тока 5.
Цепь база-эмиттер первого транзистора 4 зашунтирована цепью коллектор-эмиттер третьего транзистора 13 n-p-n типа, база которого через пятый резистор 14 и цепь коллектор-эмиттер четвертого транзистора р-n-р типа соединена с нулевой шиной. База транзистора 15 соединена с коллектором транзистора 16 p-n-р типа и эмиттером транзистора 17 n-p-n типа и через резистор 18 соединена с отрицательным выводом источника постоянного тока 5. Эмиттер транзистора 17 и коллектор транзистора 16 присоединены к нулевой шине, а их базы через резистор 19 к выходу ключа. Конденсатор в направлении от первого вывода ко второму зашунтирован второй парой последовательно соединенных диодов 20 и 21, а база транзистора 7 соединена с первым выводом конденсатора 8 и с коллектором транзистора 4 соответственно через восьмой и девятый резисторы 22 и 23.
В данном конкретном исполнении ключа в качестве источника постоянного тока применен простейший малогабаритный источник тока на делителе напряжения. Он включает соединенные последовательно резистор 24 и стабилитрон 25. Катод стабилитрона 25 подсоединен к нулевой шине, а вывод резистора 24 - к фазе сети переменного тока. Стабилитрон зашунтирован последовательно соединенными диодом 26 и конденсатором 27 так, что катод диода присоединен к аноду стабилитрона, а точка соединения диода 26 и конденсатора 27 является отрицательным выводом источника тока.
Работает ключ следующим образом.
y
Если на вход ключа поступает сигнал отключения в виде тока положительной полярности i, конденсатор 8 заряжен положительно, транзистор 4, а следовательно, и транзистор 7 закрыт.Закрыт и симистор 1, катушка 2 магнитного пускателя обесточена, нагрузка отключена. При этом напряжение на аноде симистора 1 близко к фазному напряжению сети, под действием которого через резистор 11 и диод 10 на обкладку конденсатора 8 в положительный полупериод сетевого напряжения поступает положительный ток обратной связи, усиливающий действие входного сигнала. Отрицательная полуволна тока обратной связи будет сбрасываться через диод 9 на нулевую шину.
Под действием напряжения с выхода ключа через резистор 19 и базы транзисторов 16 и 17 на нулевую шину будет протекать ток (в положительный полупериод через базу транзистора 17, а в отрицательный - через базу транзистора 16). Оба транзистора будут открыты, шунтируя переход эмиттер-база транзистора 15. Вследствие этого транзистор 15, а вместе с ним и транзистор 13 будут закрыты.
При «разрешающем» включение нагрузки сигнале на вход ключа поступление тока положительной полярности от логического блока устройства управления (на чертеже не показано) прекратится, и конденсатор 8 отрицательным током через резистор 12 зарядится отрицательно. Это приведет к возникновению тока по цепи: «нулевая шина - эмиттер-база транзистора 7 - резистор 22 - обкладка конденсатора 8». Транзистор 7 откроется. По цепи «нулевая шина - эмиттер-коллектор транзистора 7 - резистор 6 - и (при закрытом транзисторе 13) база-эмиттер транзистора 4 - шина - 15 В источника постоянного тока». Это повлечет за собой открытие транзистора 4. На коллекторе транзистора 4 установится напряжение, близкое к -15В, под действием которого через управляющий переход симистора 1 потечет ток по цепи: «нулевая шина - катод-управляющий электрод симистора - резистор 3 -коллектор-эмиттер транзистора 4 - шина -15В источника постоянного тока».
Симистор в результате этого откроется, что приведет в конечном итоге к подаче напряжения ~220В на нагрузку 2 (в рассматриваемом случае катушку магнитного пускателя). А так как напряжение на аноде симистора упадет до нуля, закроются транзисторы 16 и 17, откроются транзисторы 15 и 13. Последний зашунтирует переход эмиттер-база транзистора 4, что приведет к его закрытию и прекращению протекания импульса тока через управляющий переход симистора. Следовательно, ток через управляющий переход симистора будет протекать ровно столько, сколько нужно для открытия симистора.
В начале следующего полупериода сетевого напряжения пока симистор еще не открыт появившееся на его аноде напряжение снова откроет транзисторы 16 и 17. Закроются транзисторы 15 и 13, расшунтируется переход эмиттер база транзистора 4 и при открытом транзисторе 7 транзистор 4 также откроется, подав ток управления на симистор ровно на столько, как было показано выше, насколько необходимо для открытия симистора.
Таким образом, предложенный ключ загружает источник питания станции ничтожно малым током, не приводящим к понижению напряжения на выходе источника. В данном случае он выполнен по простой бестрансформаторной схеме, включающей резистор 24, стабилитрон 25, диод 26 и конденсатор 27.
Не требуется также и установка громоздких конденсатора и резистора, шунтирующих обмотку магнитного пускателя. Достоинством ключа является также и то, что за счет наличия внутренней (через резистор 23) и внешней (через резистор 11) положительных обратных связей характеристика вход-выход ключа имеет гистерезисный характер. Это исключает вибрацию магнитной системы и дребезг контактов магнитного пускателя при переключении.
Все это в итоге и решает поставленную задачу изобретения.
Источники информации:
1. Петько В.Г., Рахимжанова И.А., Старожуков A.M. Ключ для коммутации входных цепей контакторов и магнитных пускателей // Известия ОГАУ. 2016. №2(58). С. 68.