Управляемый одноразовый коммутатор
Управляемый одноразовый коммутатор содержит короткозамыкатель в виде полупроводниковой трансформируемой структуры. Первым выводом он подключен к первой шине источника питания, а вторым выводом через нагрузку - к второй шине источника питания. Также содержит блок управления, выполненный в виде генератора переменного напряжения, первый выходной вывод которого соединен через ключ с первым выводом короткозамыкателя. Короткозамыкатель выполнен в виде диодной трансформируемой структуры и последовательно соединенных индуктивного элемента и конденсатора, параллельно которому подключена диодная трансформируемая структура, точка соединения первого вывода которой с первым выводом конденсатора подключена к первому выводу короткозамыкателя, второй вывод которого соединен с вторым выводом индуктивного элемента. Второй выходной вывод генератора переменного напряжения соединен с второй шиной источника питания. Технический результат - упрощение устройства и обеспечение управлять короткозамыкателем с помощью относительно малого сигнала, подаваемого в силовую цепь. 1 ил. 
Объект изобретения - устройство.
Изобретение относится к электротехнике, точнее к подклассу H01H, рассматривающему переключатели, например защитные, замыкающие электрическую цепь при отклонении каких-либо внешних электрических параметров от номинального значения, Н01Н 79/00 и H01H 83/00.
В научно-технической и патентной литературе описаны многочисленные варианты сильноточных короткозамыкателей, предназначенных, в частности, для защиты аппаратуры и оборудования от экстремальных токовых перегрузок, возникающих, например, при ударе молнии либо при авариях в высоковольтных линиях электропередачи. Реже сильноточные короткозамыкатели используются в качестве дистанционных переключателей или коммутационных элементов, формирующих одиночные импульсы.
Недостатком перечисленных короткозамыкателей - аналогов заявляемого изобретения - является то, что они являются неуправляемыми двухполюсниками в том смысле, что их переход в замкнутее состояние не может быть инициирован подачей малого сигнала на управляющий электрод (которого у них часто вообще не бывает), что как раз необходимо для выполнения короткозамыкателем функции дистанционного переключателя. Если бы даже короткозамыкатель имел управляющий электрод, то для управления им потребовалась бы специальная линия, изолированная от силовой цепи.
Несколько более близким аналогом заявляемого изобретения является авт.св-во №1667604 (СССР) от 23.02.1965 г., выданное на "Способ подключения резервирующих цепей", автор Камышный А.Н. Особенностью используемого в этом способе короткозамыкателя является то, что в нем в качестве собственно замыкающего элемента необратимого одноразового действия использован полупроводниковый диод с трансформируемой структурой, то есть полупроводниковый диод, конструкция которого предусматривает возможность его использования в режиме необратимого термоэлектрического пробоя, завершающегося образованием токопроводящей перемычки из электродного сплава, замыкающей электроды прибора. Приборы подобного рода именуются полупроводниковыми трансформантами. Как и в ранее рассмотренных случаях недостатком такого короткозамыкателя-двухполюсника является невозможность управлять моментом его срабатывания с помощью малого сигнала, что необходимо для его использования в качестве дистанционного переключателя.
Прототипом заявляемого изобретения заявитель и автор считают авт.св-во №1667603 (СССР) от 23.02.1965 г., зависимое от упомянутого авт.св-ва 1667604, выданное на "Способ подключения резервирующих цепей" на имя Камышного А.Н. и Четверткова И.И., в котором в качестве короткозамыкателя использован транзистор с трансформируемой структурой, управляемый по базе традиционным способом. Общим у прототипа и заявляемого изобретения является то, что в обоих случаях в качестве собственно замыкающего элемента короткозамыкателя используется полупроводниковый прибор с трансформируемой структурой (полупроводниковый трансформант).
Недостатком короткозамыкателя-прототипа является то, что управление им по базе требует использования специальной линии, изолированной от силовой цепи.
Целью изобретения является преодоление указанного недостатка короткозамыкателя-прототипа, то есть, с одной стороны, упрощение самого короткозамыкателя за счет исключения из него управляющего электрода и сопряженных с ним структур, и, с другой стороны, обеспечение возможности управлять этим короткозамыкателем с помощью относительно малого сигнала, подаваемого в силовую цепь.
Сущность заявляемого изобретения, отличающая его от прототипа и аналога по авт.св-ву №1667604, состоит в подключении параллельно полупроводниковому трансформанту конденсатора последовательного колебательного контура, настроенного на частоту управляющего сигнала.
Использование последовательного колебательного контура в заявляемом короткозамыкателе позволяет обеспечить резонансное увеличение напряжения на диодном полупроводниковом трансформанте и накопление энергии, необходимые для инициирования необратимого пробоя или для его полного осуществления. Тем самым исключается необходимость в специальном управляющем электроде и дополнительной цепи управления, необходимых при использовании короткозамыкателя в качестве дистанционного переключателя замыкающего типа.
Один из многочисленных вариантов возможного использования предлагаемого короткозамыкателя представлен на чертеже. Условные обозначения на чертеже означают следующее:
1 и 2 - зажимы, к которым подключен источник постоянного тока или тока промышленной частоты (50; 400 Гц);
3 - генератор высокочастотного переменного напряжения, являющегося управляющим сигналом для короткозамыкателя;
4 - ключ подачи управляющего сигнала генератора 3 в силовую цепь;
5, 6 и 7 - элементы, совокупность которых совместно со связующими их проводами образуют заявляемый короткозамыкатель (на чертеже он обведен пунктирной линией);
5 - диодный полупроводниковый трансформант, то есть диод, конструкция которого предусматривает возможность его использования в режиме необратимого термоэлектрического пробоя, завершающегося проплавлением тела кристалла электродным сплавом. Диодный полупроводниковый трансформант графически отличается от обычного полупроводникового диода тем, что в контуре, окружающем этот прибор, проставлен символ короткозамкнутого соединения.
6 - емкость колебательного контура;
7 - индуктивность колебательного контура;
8 - нагрузка силовой цепи.
Механизм работы заявляемого короткозамыкателя в схеме чертежа выглядит следующим образом:
в исходном (статическом) состоянии диодный полупроводниковой трансформант 5 отсоединяет нагрузку 8 от источника постоянного тока, подключенного к зажимам 1 и 2, поскольку его обратное пробивное напряжение больше напряжения этого источника.
При необходимости подключить нагрузку 8 к зажимам 1 и 2 оператор замыкает ключ 4, в результате чего высокочастотный сигнал подается в силовую цепь и достигает колебательного контура, образованного элементами 6 и 7. Сопротивление запертого полупроводникового трансформанта 5 очень велико, в связи с чем добротность колебательного контура, образованного элементами 6 и 7, оказывается достаточно большой (даже при условии шунтирующего влияния трансформанта на один полупериод колебаний), чтобы при совпадении частоты генератора 3 с резонансной частотой контура обеспечить многократное возрастание напряжения на зажимах конденсатора 6 и соответствующее возрастание накопленной в нем энергии.
Напряжение пробоя диодного трансформанта 5 выбрано меньшим этого многократно возросшего напряжения. Следствием является пробой диодного трансформанта 5, завершающийся образованием между его электродами короткозамыкащей перемычки.
При этом возможны два варианта реализации такого пробоя:
- только за счет энергии, накопленной в колебательном контуре. Этот вариант возможен, если энергия трансформации диода 5 мала;
- за счет совместного действия энергии, накопленной в контуре (инициирование пробоя) и энергии источника, подключенного к зажимам 1 и 2, за счет которой осуществляется формирование короткозамыкащей перемычки.
Заявляемое техническое решение может также трактоваться как "способ". Соответственно такой трактовке формула изобретения могла бы иметь вид: "Способ превращения или инициирования превращения полупроводникового трансформанта в короткозамкнутое соединение, реализуемый путем подачи на трансформант управляющего сигнала, отличающийся тем, что, в целях обеспечения селективности управления и исключения вспомогательной управляющей цепи, в качестве управляющего сигнала используют переменный ток, который подают на последовательный резонансный контур, образованный емкостью р-n перехода полупроводникового трансформанта и емкостью подключенных параллельно этому переходу внешних элементов, а индуктивность - индуктивностью соединенных последовательно с ним элементов, причем частоту управляющего сигнала выбирают равной резонансной частоте этого контура".
Однако в связи с тем, что заявляемое устройство фактически защищает отмеченные операции "способа" особой необходимости в комплексной защите "способа и устройства для его реализации", по-видимому, нет.
Перечислим некоторые из возможных вариантов реализации заявляемого устройства. В их числе вариант, когда в целях улучшения резонансных свойств колебательного контура последовательно с его конденсатором встречно полярности диодного полупроводникового трансформанта подключен нетрансформируемый полупроводниковый диод, напряжение пробоя которого заведомо превышает напряжение, возникающее на конденсаторе при резонансе.
Полезно также заметить, что для коммутации переменного тока возможно встречное включение двух короткозамыкателей, обведенных пунктиром на чертеже.
В тех случаях, когда прокладка одной управляющей цепи на группу короткозамыкателей представляется допустимой, индуктивность колебательного контура может быть вынесена из силовой цепи и вторым концом подсоединена к общей шине, на которую подается управляющий сигнал.
Возможны другие варианты включения заявляемого короткозамыкателя или группы таких короткозамыкателей. Например, возможно подключение к зажимам 1 и 2 нескольких идентичных или наоборот разных нагрузок, последовательно с каждой из которой включен свой короткозамыкатель, отличающийся от других иной резонансной частотой. Тогда, варьируя частоту генератора 3, можно выборочно включать любую из нагрузок либо любое сочетание нагрузок.
Возможен и такой случай управления короткозамыкателем, когда необходимый для инициирования его срабатывания высокочастотный сигнал поступает не по проводам, а извлекается им из окружающего пространства с помощью антенного устройства или индуктивных связей. Конструктивно такой вариант отличается от основного тем, что последовательному колебательному контуру, состоящему из элементов 6 и 7 и его соединительным проводам, придается конфигурация катушки связи или антенного устройства, настроенного на частоту управляющего сигнала.
Очевидно, что в этом случае генератор 3 должен быть снабжен передающим антенным устройством или линией, содержащей катушки связи с индуктивностями колебательных контуров короткозамыкателей.
Работоспособность и эффективность заявленного решения проверялись на схеме, идентичной изображенной на чертеже. В качестве трансформанта 5 был выбран диод 2Д922А. Сопротивление нагрузки 50 Ом. Генератором высокочастотного управляющего сигнала служил генератор Г4-154, работавший на частоте 50-500 кГц, амплитуда сигнала 12 В.
При настройке генератора на резонансную частоту колебательного контура, составлявшую 190 кГц, наблюдалось резонансное возрастание напряжения до 250 В. При этом имел место необратимый пробой диода. Остаточное сопротивление диодов для партии в 20 шт. приборов лежало в пределах от 10 до 30 мОм.
Технико-экономическая эффективность заявляемого изобретения определяется возможностью исключить линии связи между пунктом управления и одноразовыми короткозамыкателями, выполняющими функции дистанционного переключателя. Последнее крайне важно в бортовых системах авиационной, космической и ракетной техники, где соединительные провода составляют значительную долю электротехнического и электронного оборудования по весу, объему и стоимости. Дать экономическую оценку эффективности предложения в денежном выражении не представляется возможным.
Формула изобретения
Управляемый одноразовый коммутатор, содержащий короткозамыкатель в виде полупроводниковой трансформируемой структуры, подключенный первым выводом к первой шине источника питания, а вторым выводом через нагрузку - к второй шине источника питания, блок управления, выполненный в виде генератора переменного напряжения, первый выходной вывод которого соединен через ключ с первым выводом короткозамыкателя, отличающийся тем, что, с целью снижения массогабаритных показателей, короткозамыкатель выполнен в виде диодной трансформируемой структуры и последовательно соединенных индуктивного элемента и конденсатора, параллельно которому подключена диодная трансформируемая структура, точка соединения первого вывода которой с первым выводом конденсатора подключена к первому выводу короткозамыкателя, второй вывод которого соединен с вторым выводом индуктивного элемента, при этом второй выходной вывод генератора переменного напряжения соединен с второй шиной источника питания.
РИСУНКИ
