БИСТАБИЛЬНАЯ СХЕМА

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортного средства, в частности к устройствам управления лампами накаливания противотуманных фонарей.
Известна бистабильная схема (см. книгу Я.Будинского: Транзисторные переключающие схемы, изд. «Связь», М., 1965 г., стр.352, рис.261а), содержащая ключевой элемент (транзистор Т1), выходная цепь которого (участок эмиттер-коллектор Т1) подключена между первой шиной питания и выходом схемы (общая точка соединения коллектора Т1 и Rн), основной транзистор (Т2), коллектор которого соединен через управляющую цепь ключевого элемента (Rб, переход эмиттер-база Т1) с первой шиной питания, база соединена через резистор обратной связи с выходом схемы, эмиттер соединен со второй шиной питания и четыре конденсатора. В одном стабильном состоянии ключевой элемент и основной транзистор включены, а в другом - выключены. Такие схемы используются в переключающих схемах, в которых в исходном (выключенном) состоянии ключевых элементов обеспечивается минимальное потребление тока.
Недостатком известной схемы является низкая помехозащищенность по цепям питания. Так, при включенных ключевых элементах коллекторно-базовые конденсаторы связи (запоминающие конденсаторы), заряжены практически до напряжения питания и скачкообразное уменьшение напряжения питания даже на доли вольта приводит к закрытию ключевых элементов, т.к. напряжение на базах транзисторов зафиксировано напряжением на конденсаторах практически на уровне напряжения питания, а напряжение на эмиттерах транзисторов скачкообразно уменьшается и переходы база-эмиттер транзисторов смещаются в обратном направлении.
Это приводит к их закрытию и схема переходит в другое устойчивое состояние. Дополнительным недостатком известной схемы является сложность использования ее в качестве счетчика, т.к. она предъявляет различные требования к запускающему и сбрасывающему импульсам.
Кроме того известная схема содержит 4 конденсатора, что так же является недостатком.
Наиболее близкой по своей сущности является известная бистабильная схема (см. книгу Я.Будинского: «Транзисторные переключающие схемы» изд. «Связь» М., 1965 г., стр.352, рис.261б), содержащая ключевой элемент (Т1), выходная цепь которого (участок эмиттер-коллектор Т1) подключена между первой шиной питания и выходом схемы (коллектор Т1), основной транзистор (Т2), коллектор которого соединен через управляющую цепь (резистор Rб, переход эмиттер-база Т1) ключевого элемента с первой шиной питания, база соединена через резистор обратной связи с выходом схемы, первый и второй диоды, соединенные первыми выводами с входной шиной, четыре конденсатора, вторую шину питания, первый и второй резисторы, соединенные с катодами диодов. Надежное выключение транзистора Т2 обеспечивается применением источника отрицательного напряжения -2 В, к которому подключается коллектор транзистора Т1, а выключение транзистора Т1 обеспечивается применением большого положительного напряжения +12 В, к которому подключается коллектор транзистора Т2. Схема переходит из одного устойчивого состояния в другое только в момент замыкания входа 8 с шиной питания и может быть использована в качестве счетчика. При подключении напряжения питания и при отсутствии входного сигнала схема устанавливается в исходное состояние с минимальным потреблением тока, при котором оба транзистора выключены (предустановка). Однако, исходное состояние не обеспечивается при подключении питания и замкнутом входе на минус источника питания. Зарядным током запускающего конденсатора открывается транзистор Т1, и схема переходит в состояние, при котором оба транзистора открыты, а значит
отсутствует предустановка, что является недостатком. Недостатком известной бистабильной схемы является так же низкая помехозащищенность по цепям питания по причинам, указанным выше в схеме на рис.261а. Схема содержит 4 конденсатора, что так же является недостатком.
Данное техническое решение принято за ближайший аналог (прототип).
Технической задачей предлагаемой бистабильной схемы является повышение надежности путем снижения чувствительности к помехам по цепям питания и обеспечение предустановки с использованием одного конденсатора.
Поставленная техническая задача достигается тем, что бистабильная схема, содержащая ключевой элемент, выходная цепь которого подключена между первой шиной питания и выходом схемы, основной транзистор, коллектор которого соединен через управляющую цепь ключевого элемента с первой шиной питания, база соединена через резистор обратной связи с выходом схемы, первый и второй диоды, соединенные первыми выводами с входной шиной, конденсатор, вторую шину питания, первый и второй резисторы.
Отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что бистабильная схема снабжена дополнительным транзистором, третьим, четвертым резистором и дополнительным диодом.
Второй вывод первого диода подключен к первой обкладке конденсатора, соединенной через первый резистор с выходом, а через дополнительный диод - со второй шиной питания, второй вывод второго диода подключен к эмиттеру основного транзистора, вторая обкладка конденсатора соединена через второй и третий резисторы соответственно с эмиттером и базой основного транзистора, участок эмиттер-коллектор основного транзистора зашунтирован четвертым резистором, а эмиттер основного транзистора подключен ко второй шине питания через участок
эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, база которого соединена с выходом.
Анализ совокупности существенных признаков заявляемого решения, обеспечивающих его отличие от известного решения, указывает на соответствие этого решения критерию "новизна".
Возможность осуществления заявляемой полезной модели и ее применение в устройстве управления лампами накаливания противотуманных фонарей транспортных средств указывает на соответствие ее критерию "промышленная полезность".
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена бистабильная схема с ключевым элементом, выполненном на реле, а на фиг.2 - бистабильная схема с ключевым элементом, выполненном на транзисторе.
Бистабильная схема, изображенная на фиг.1 содержит ключевой элемент 1, выполненный, на реле, выходная цепь которого (контакты реле) подключена между первой шиной питания 2 и выходом 3 схемы. Основной транзистор 4, коллектор которого соединен через управляющую цепь ключевого элемента с первой шиной питания 2, база соединена через резистор обратной связи 5 с выходом 3 схемы, первый диод 6 и второй диод 7, соединенные первыми выводами с входной шиной 8, конденсатор 9, вторую шину питания 10, первый резистор 11 и второй резистор 12. Бистабильная схема снабжена дополнительным транзистором 13, третьим резистором 14, четвертым резистором 15 и дополнительным диодом 16.
Второй вывод первого диода 7 подключен к первой обкладке конденсатора 9, соединенной через первый резистор 11 с выходом 3 схемы, а через дополнительный диод 16 - со второй шиной питания 10. Второй вывод второго диода 7 подключен к эмиттеру основного транзистора 4, вторая обкладка конденсатора 9 соединена через второй резистор 12 и третий резистор 14 соответственно с эмиттером и базой основного транзистора 4. Участок эмиттер-коллектор основного транзистора 4 зашунтирован
четвертым резистором 15, а эмиттер основного транзистора 4 подключен ко второй шине питания 10 через участок эмиттер-коллектор дополнительного транзистора 13, база которого соединена с выходом 3 схемы.
На фиг.2 представлена бистабильная схема с ключевым элементом 1, выполненном на транзисторе.
Бистабильная схема, изображенная на фиг.1, работает следующим образом.
При подключении к шинам питания 2, 10 источника питания с подключенной нагрузкой к выходу 3 (например, лампы накаливания), ключевой элемент 1 и транзисторы 4, 13 закрыты. Начинает заряжаться конденсатор 9 по цепи: шина питания 2, входная цепь ключевого элемента 1, резисторы 15, 12, 11, выход 3 и шина питания 10 через подключенную нагрузку на выходе схемы. На первой обкладке конденсатора появляется отрицательный потенциал, а на второй - положительный потенциал. Величина зарядного тока конденсатора 9, определяемая соответствующими величинами сопротивлений 15, 12, 11, не позволяет обеспечить открытого состояния ключевого элемента 1, выполненного в данном случае на реле, а значит и транзисторов 4, 13. В связи с этим бистабильная схема будет находиться в устойчивом состоянии, при котором ключевой элемент 1 и транзисторы 4, 13 закрыты.
При замыкании входной шины 8 с шиной питания 10 заряженный до требуемой величины напряжения конденсатор 9 разряжается по цепи: вторая обкладка конденсатора с положительным потенциалом, резистор 14, переход база-эмиттер транзистора 4, диод 7, входная шина 8, шина питания 10, диод 16 и первая обкладка конденсатора 9 с отрицательным потенциалом. Разрядным током конденсатора 9 переход база-эмиттер транзистора 4 смещается в прямом направлении и транзистор 4 открывается, обеспечивая открытие ключевого элемента 1 током, протекающим от источника питания по цепи: шина питания 2 входная цепь ключевого элемента 1, участок эмиттер-коллектор открытого транзистора 4, диод 7 и шина 10. Открытый
ключевой элемент 1 в свою очередь обеспечивает открытое состояние транзисторов 4, 12 и на выходе 3 схемы появляется напряжение, обеспечивающее протекание тока через нагрузку. Бистабильная схема переходит в другое, устойчивое состояние, при котором ключевой элемент 1 и транзисторы 4, 12 находятся во включенном состоянии. Замкнутое состояние входной шины 8 с шиной питания 10 обеспечивает практически полный разряд конденсатора 9.
После размыкания входной шины 8 с шиной питания 10 начинается процесс перезаряда конденсатора 9 по цепи: шина питания 2, выходная цепь открытого ключевого элемента 1 резисторы 11, 12, участок коллектор-эмиттер открытого транзистора 13 и шина питания 10. Частично ток перезаряда протекает и через резистор 14, подключенный параллельно резистору 12 через переход база-эмиттер транзистора 4, не оказывая при этом никакого влияния на состояние схемы. На первой обкладке конденсатора 9 появляется положительный потенциал, а на второй обкладке - отрицательный потенциал.
После перезаряда конденсатора до требуемой величины и при последующем замыкании входной шины 8 с шиной питания 10 первая обкладка конденсатора 9, заряженная положительным потенциалом, оказывается подключенной к шине питания 10 через диод 6, в результате чего отрицательный потенциал второй обкладки конденсатора 9, смещает переход база-эмиттер транзистора 4 в обратном направлении через резистор 14. Транзистор 4 закрывается, обеспечивая закрытие ключевого элемента 1, а значит и транзистора 13. Бистабильная схема переходит в первоначальное устойчивое состояние, при котором транзисторы 4, 13 и ключевой элемент 1 закрыты. Начинается разряд конденсатора по цепи: шина питания 2, входная цепь ключевого элемента.1, резисторы 15, 12, 11, выход 3 и шина питания 10 через подключенную нагрузку на выходе 3 схемы. Величина разрядного тока конденсатора 9, определяемая соответствующими величинами сопротивлений 15, 12, 11, не позволяет обеспечить открытого состояния
ключевого элемента 1 и транзисторов 4, 13. Разряд конденсатора 9 продолжается до величины напряжения, определяемой остаточным напряжением на диоде 7 (0,7 В).
При последующем размыкании входной шины 8 с шиной питания 10 начинается процесс заряда конденсатора, аналогичный описанному выше (при подключении к шинам питания 2, 10 источника питания с подключенной нагрузкой на выходе 3). В дальнейшем работа бистабильной схемы повторяется. Один цикл замыкания и размыкания входной шины 8 с шиной питания 10 приводит к смене устойчивого состояния бистабильной схемы.
Транзистор 4, ключевой элемент 1 транзистор 13 могут быть открыты благодаря протеканию разрядного тока предварительно заряженного до определенной величины напряжения конденсатора 9 через переход база-эмиттер транзистора 4. К моменту подключения источника питания при замкнутой входной шине 8 с шиной питания 10 будучи разряженный конденсатор не может обеспечить протекание тока через переход база-эмиттер транзистора 4 и бистабильная схема будет находиться в исходном, устойчивом состоянии (предустановка), (заряд конденсатора 9 через резистор 15 исключен диодом 7). Это устраняет первый недостаток прототипа
Транзистор 4, ключевой элемент 1 транзистор 13 могут быть закрыты в момент замыкания входной шины 8 с шиной питания 2 благодаря протеканию разрядного тока предварительно перезаряженного до определенной величины напряжения конденсатора 9 по цепи: шина питания 2, выходная цепь ключевого элемента 1, резистор обратной связи 5, резистор 14 диод 6. В этом случае напряжение на выходе делителя напряжения на резисторах 5, 14 смещает переход эмиттер база транзистора в обратном направлении под воздействием разрядного тока конденсатора. Транзистор 4 закрывается, закрываются ключевой элемент 1 и транзистор 13.
Из сказанного следует, что только энергия заряженного (перезаряженного) конденсатора 9 в момент замыкания входной шины 8 с
шиной питания 10 обеспечивает переход схемы из одного устойчивого состояния - в другое устойчивое состояние. Величина сопротивления резистора 11 на порядок больше величин сопротивлений резисторов 15, 14, 12 и не может оказать существенное влияние на качество помехозащищенности по цепям питания. «Дребезг» контактов, возникающий при замыкании и даже при размыкании входной шины 8 с шиной питания 10 с частотой, например, (10...100) Гц. и скважностью Q=2 при выбранной для примера постоянной времени RC-цепи (конденсатор 9, резисторы 11, 12), равной 0,3 с, не нарушает работу бистабильной схемы в режиме счетчика, поскольку постоянно чередующиеся заряды и разряды конденсатора во время дребезга не позволяют достичь необходимой для включения (выключения) схемы величины напряжения на нем. При подаче на входную шину 8 однополярных импульсов с частотой, равной некоторой величине f, на выходе 3 схемы появляются импульсы с частотой, равной f/2. Таким образом бистабильная схема преобразует одну частоту однополярных импульсов, поступающих на входную шину, на другую частоту однополярных импульсов на выходе схемы с коэффициентом преобразования, равным 2, не нарушая счетного режима при дребезге контактов на входной шине в момент замыкания и размыкания ее с шиной питания 10.
Для уменьшения величины емкости конденсатора 9 в качестве транзистора 4 может быть использованы полевой или составной транзисторы с большим коэффициентом усиления по току.
Работа бистабильной схемы, изображенной на фиг.2, аналогична вышеописанной. Выполнение ключевого элемента 1 на транзисторе позволяет обеспечить защиту от перегрузки выходной цепи бистабильной схемы.