Полевой транзисторный ключ

 

Использование: изобретение относится к импульсной технике и предназначено для коммутации различного вида нагрузок, включая электромагнитные, при постоянном питающем напряжении. Сущность изобретения: устройство содержит два транзистора 1, 4, три резистора 7, 8, 9, стабилитрон (5), нагрузку 2, шину питания 3, две управляющих шины 6, 10. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. Недостатком этого схемного решения является отсутствие электрической изоляции управляющей цепи от силовой, кроме того, энергетическая эффективность его недостаточна . Повышение быстродействия полевого ключа приводит к еще большему усложнению схемы, так как для этого необходимо формирование процесса шунтирования входной цепи полевого транзистора при его запирании. Одновременно с этим, длительность импульса, требующаяся для управления силовым полевым транзистором велика, что приводит к неудовлетворительным массогабаритным характеристикам управляющего разделительного трансформатора, выполняющего функции электрической изоляции управляющей цепи от входной. Более эффективным является управление силовым полевым транзистором при помощи коротких импульсов, длительность которых существенно меньше длительности w Ј N со ;ГО о СЛ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 К 17/687

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ) (лЭ, М1 ,О (л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4822750/21 (22) 14.05.90 (46) 15,05,92, Бюл, N 18 (71) Уральское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (72) Б.С.Сергеев и В.И.Головин (53) 621,382(088.8) (56) Окснер Е,С. Мощные полевые транзисторы и их применение; Пер. с англ, — М,:

Радио и связь, 1985, с. 103, рис.

Там же, с. 116, рис, 5.2.

Авторское свидетельство СССР

¹ 11663333448866, кл. Н 03 К 17/04, Криштафович И.А. Мощные полевые транзисторы в устройствах вторичного электропитания. — Киев: Изд. общ, "Знание" УССР, 1987, с. 16, рис, 9.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для коммутации. различного вида нагрузок, включая электромагнитные при постоянном питающим напряжении, и может быть использовано в устройствах электропривода, импульсных транзисторных и реобразователях и т.и.

Известны полевыетранзисторные ключи, содержащие мощный полевой транзистор, в стоко-истоковую цепь которого включена нагрузка и источник питания. B таких ключах управление полевым транзистором осуществляется от маломощной КПОМ, логической

ИС. Большим достоинством ключа является простота.

Однако для мощных полевых транзисторов, у которых емкость затвор-исток велика и значительно пороговое напряжение включения, такой ключ применяться не может.

Полевой ключ, допускающий работу с более мощными полевыми транзисторами, требует усложнения управляющей схемы.. Жц» 1734205 A l (54) ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ (57) Использование; изобретение относится к импульсной технике и предназначено для коммутации различного вида нагрузок, включая электромагнитные, при постоянном питающем напряжении, Сущность изобретения: устройство содержит два транзистора 1, 4, три резистора 7, 8. 9, стабилитрон (5), нагрузку 2, шину питания 3, две управляющих шины 6, 10. 1 з,п, ф-лы, 3 ил.

Недостатком этого схемного решения является отсутствие электрической изоляции управляющей цепи от силовой, кроме того, энергетическая эффективность его недостаточна.

Повышение быстродействия полевого ключа приводит к еще большему усложнению схемы, так как для этого необходимо формирование процесса шунтирования входной цепи полевого транзистора при его запирании, Одновременно с этим, длительность импульса, требующаяся для управления силовым полевым транзистором велика, что приводит к неудовлетворительным массогабаритным характеристикам управляюшего разделительного трансформатора, выполняющего функции электрической изоляции управляющей цепи от входной.

Более эффективным является управление силовым полевым транзистором при помощи коротких импульсов, длительность которых существенно меньше длительности

1734205 открытого или закрытого состояния силового транзистора. Подобное устройство дает возможность значительно улучшить массогабаритные характеристики управляющего разделительного трансформатора за счет уменьшения длительности передаваемых импульсов. Это техническое решение является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности, Недостатком этого устройства является ограниченная область применения, что обусловлено наличием в цепи заряда емкости затвор-исток дополнительных элементов, отсутствием достаточно эффективного шунтирования емкости затвор-исток на этапе ее разряда. Кроме того, существенное влияние оказывает эффект Миллера при включении полевого транзистора. Эти факторы обусловливают невысокую скорость перезаряда входной емкости полевого транзистора и, как вследствие, вызывают невысокое быстродействие ключа, Стремление получить большее быстродействие приводит к увеличению мощности, рассеиваемой схемой управления, Следовательно, применение известного технического решения возможно или при невысоком быстродействии ключа, или при увеличенной мощности рассеиваемой схемой управления, Таким образом, область его применения ограничена этими факторами и он не может использоваться в современных высокоэффективных системах электроники, автоматики и преобразовательной техники.

Цель изобретения — устранение этого недостатка, а именно расширение области применения полевого транзисторного ключа за счет повышения быстродействия и уменьшения мощности, рассеиваемой схемой управления, Укаэанная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве при использовании известного принципа управления с помощью коротких импульсов затвор полевого транзистора шунтируется биполярным шунтирующим транзистором и является входом управления для отпирающего сигнала, а база шунтирующего транзистора является входом управления для запирающего сигнала и через один иэ резисторов соединена с коллектором полевого транзистора, а затвор полевого транзистора, кроме того, через другой резистор подключен к потенциальному полюсу источника питания. Для последующего повышения быстродействия транзисторного полевого ключа в него введен дополнительный биполярный транзистор, коллекторно-эмиттерным переходом подключенный параллельно базо-эмиттерному переходу шунтирующего транзистора

55 и включаемый от отпирающего сигнала управления.

На чертеже фиг. 1 и 2 приведены схемы полевого транзисторного ключа по и. 1 и 2 формулы изобретения, а на фиг. 3 показаны временные диаграммы работы схемы.

Полевой транзисторный ключ по чертежу фиг. 1 содержит полевой транзистор 1, в стоковую цепь которого включена нагрузка

2 и положительная шина 3 источника питания, Параллельно затвору и истоку полевого транзистора 1 подключены коллектор и эмиттер соответственно шунтирующего биполярного транзистора 4, а также защитный стабилитрон 5, Затвор полевого транзистора 1 подключен к шине отпирающего сигнала 6 и через первый резистор 7 — к положительной шине 3 источника питания.

База биполярного транзистора 4 через второй резистор 8 соединена со стоком полевого транзистора 1, а через третий резистор 9 — с шиной запирающего сигнала 10.

Полевой транзисторный ключ по чертежу фиг. 2 содержит, кроме названных элементов, дополнительный биполярный транзистор 11, коллектор и эмиттер которого подключены к базе и эмиттеру соответственно шунтирующего транзистора 4, а база транзистора 11 через четвертый резистор

12 соединена с затвором полевого транзистора 1, Временные диаграммы по чертежу фиг, 3 соответствуют: эпюра 13 — отпирающему сигналу на входе 6 схем ключей; эпюра 14— запирающему сигналу на входе 10 схемы ключей; эпюра 15 — напряжению на затворе полевого транзистора 1; эпюра 16 — току стока полевого транзистора 1; эпюра 17— напряжение сток-исток полевого транзистора 1, Полевой транзисторный ключ по фиг. 1 работает следующим образом. Предположим, что в начальный рассматриваемый момент времени полевой транзистор 1 заперт.

Запертое состояние транзистора 1 характеризуется высоким уровнем напряжения на его стоке. Вследствие этого ток, протекающий через резистор 8 идет в базу шунтирующего транзистора 4 и открь вает его, обеспечивая нулевое напряжение на входе полевого транзистора 1 и подтверждая его запертое состояние.

В момент времени to (см. эп юру 13 фиг, 3) поступает импульс отпирания. Он заряжает входную емкость полевого транзистора 1 и напряжение на затворе начинает увеличиваться в соответствии с эпюрой 15 диаграммы фиг. 3, Когда это напряжение достигнет напряжения Unop (время t1), появляется ток стока (эпюра 16) транзистора 1. Одновре1734205

55 менно с этим уменьшается напряжение сток-исток этого же транзистора и в момент времени tz он полностью открывается (эпюра 17). При этом, так как напряжение стокисток транзистора 1 достаточно мало, то шунтирующий транзистор 4 запирается изза прекращение ранее существовавшего его базового тока. Так как транзистор 4 заперт, то открытое состояние полевого транзистора 1 поддерживается за счет протекания тока через резистор 7 и стабилитрон 5, при этом импульс отпирающего сигнала на входе 6 может быть снят, а на затворе транзистора 1 напряжение будет равно напряжению стабилизации стабилитрона 5 (Uc> на эпюре 15 фиг. 3), Таким образом, для открывания полевого транзисторного ключа необходим короткий импульс отпирания, далее он находится в открытом состоянии за счет внутренней обратной связи схемы управления.

С поступлением запирающего импульса на вход 10 (эпюра 14 фиг. 3) во время тз открывается шунтирующий транзистор 4.

Заряд входной емкости полевого транзистора 1 форсированно уменьшается. Напряжение на затворе транзистора 1 снижается и в момент времени t4 достигает значения

Unpp (эп юра 15 фиг. 3). Начинает спадать ток стока транзистора 1, который заканчивается в момент времени т (эпюра 16). Начинается увеличение напряжения сток-исток транзистора 1 (эпюра 17). Транзистор 1 полностью запирается. Это приводит к появлению базового тока шунтирующего транзистора 4 через резистор 8, который далее постоянно находится в открытом состоянии, Таким образом, для запирания ключа необходим также короткий импульс.

Далее процессы повторяются и схема работает аналогичным образом.

Схема ключа по чертежу фиг. 2 содержит дополнительный транзистор 11, который открывается с приходом отпирающего импульса по входу 6, Этим исключается протекание тока сигнала отпирания через открытый коллекторно-эмиттерн ый переход шунтирующего транзистора 4, чем повышается быстродействие ключа на включение за счет уменьшения времени заряда входной

50 емкости полевого транзистора 1 при равных затратах мощности от схемы управления.

Таким образом, независимо от наличия или отсутствия управляющих импульсов после окончания коммутационных процессов переключения полевого транзистор 1 находится в одном из двух состояний — "Включено" или "Выключено". Этим упрощается схема управления, снижается ее энергопотребление и может быть уменьшена масса и габариты управляющего разделительного трансформатора, если это требуется для электрической изоляции управляющей цепи от силовой. Шунтирование входа полевого транзистора обеспечивает увеличение быстродействие ключа, а также исключает отрицательное влияние эффекта Миллера силового полевого транзистора. Такими положительными качествами расширяются области применения полевого ключа в современных системах автоматики и преобразовательной техники.

Формула изобретения

1. Полевой транзисторный ключ, содержащий ключевой МДП-транзистор, включенный между силовым и общим выводами ключа, шунтирующий биполярный транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с затвором и истоком

МДП-транзистора, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, введен стабилитрон, при этом затвор

МДП-транзистора соединен с шиной отпирающего сигнала и через первый резистор подключен к точке соединения нагрузки и силового вывода ключа, база биполярного транзистора через второй резистор соединена со стоком МДП-транзистора и через третий транзистор — с шиной запирающего сигнала, стабилитрон включен между затвором и истоком МДП-транзистора, 2. Транзисторный ключ по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введен дополнительный биполярный транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к базе и змиттеру шунтирующего биполярного транзистора, а база через четвертый резистор — к шине отпирающего сигнала.

1734205

1734205

45

Составитель Б.Сергеев

Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор М,Товтин

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1676 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5