Мостовой диодный коммутатор

 

Изобретение относится к импульсной технике и позволяет расширить диапазон коммутируемых сигналов при одновременном улучшении некоторых эксплуатационных характеристик коммутатора. Мостовой диодный коммутатор содержит: два диодных моста 1 и 2, два источника питания 3 и 4, четыре переключателя 7, 10, 12 и 14, четыре резистора 5, 8, 11 и 13, два дросселя, четыре конденсатора 15, 16, 18 и 20, нагрузку 19. 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для временного перекрытия тракта, по которому пропускаются импульсные сигналы обеих полярностей.

Известна диодная вентильная схема, содержащая диодный мост, в одну диагональ которого включены источник сигнала и нагрузка, а в другую (в управляющую) через синхронные переключатели - генераторы тока.

Недостатками такой схемы являются низкий коэффициент коммутации и небольшой диапазон коммутируемых напряжений и токов. Величина пропускаемого напряжения ограничена величинами напряжений, питающих генераторы тока, даже при бесконечном сопротивлении нагрузки, а величина тока, передаваемого схемой, ограничена величиной тока, протекающего через генераторы тока.

Известен также мостовой диодный коммутатор, содержащий продольную ветвь, состоящую из диодного моста, в одну диагональ которого включены источник сигнала и нагрузка, а во вторую - два последовательно соединенных конденсатора, поперечную ветвь, состоящую из управляемого ключа в виде шунтирующего диода, источник управляющего напряжения и резисторы; источник управляющего напряжения подключен через резистор к вершинам второй диагонали диодного моста, первый выход источника управляющего напряжения соединен с первым выводом диода, второй вывод которого соединен с точкой соединения конденсаторов и с первым выводом другого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выходу источника управляющего напряжения.

Однако в данном коммутаторе диапазон коммутируемых сигналов ограничен величиной управляющего напряжения, закрывающего поперечную шунтирующую ветвь в проводящем состоянии коммутатора. Увеличение же управляющего напряжения приведет к недопустимо большому рассеиванию мощности на резисторах, задающих ток управления через открытый диодный мост. При переключениях коммутатора в цепь тракта передачи коммутируемого сигнала могут поступать помехи из-за несимметричного изменения потенциалов вершин поперечной ветви, и, кроме того, в открытом состоянии коммутатора к источнику сигнала подключены все три токозадающих резистора, создающие дополнительную нагрузку на источник сигнала.

Целью изобретения является расширение диапазона коммутируемых сигналов при улучшении эксплуатационных характеристик, заключающемся в устранении указанных выше недостатков.

Цель достигается тем, что в мостовом диодном коммутаторе, содержащем продольную ветвь, состоящую из диодного моста, первая диагональ которого включена между источником сигнала и нагрузкой, а во вторую диагональ включены два последовательно соединенных конденсатора, поперечную ветвь, подключенную первым выводом к точке соединения указанных конденсаторов, источник управляющих напряжений и резисторы, согласно изобретению в него введен дополнительный источник управляющих напряжений и переключатели, при этом поперечная ветвь выполнена в виде второго диодного моста, первая диагональ которого включена между точкой соединения конденсаторов и общей шиной, а вершины вторых диагоналей обоих мостов подключены через резисторы и переключатели к разным источникам управляющих напряжений, причем в первом диодном мосте последовательно с резисторами включены дроссели.

Достижимость положительного эффекта обусловлена следующим.

Различные источники управляющих напряжений позволяют выбрать запирающее напряжение, превышающим амплитуду пропускаемых сигналов, чтобы предотвратить открывание диодов поперечной ветви в открытом состоянии коммутатора и в продольной ветви в закрытом состоянии коммутатора. В то же время величина отпирающего напряжения может быть существенно меньше амплитуды коммутируемых сигналов, поэтому рассеиваемая мощность на токозадающих резисторах невелика. Точка соединения конденсаторов (вершина поперечной ветви), благодаря симметричному исполнению поперечной ветви и возможности использования симметричных управляющих напряжений, постоянно находится под одинаковым (нулевым) потенциалом, независимо от состояния коммутатора. Это обеспечивает одинаковые (симметричные) условия для прохождения сигналов обеих полярностей и минимизацию помех в сигнальном тракте при коммутациях устройства. Введенные дроссели обеспечивают развязку по высокой частоте источника сигнала от первого источника управляющих напряжений.

Использование двух источников напряжений, управляющих состоянием ключей в продольной и поперечной ветвях коммутатора, известно. Однако в известном решении абсолютные величины запирающих и отпирающих напряжений в каждой ветви одинаковы, при этом величина пропускаемого напряжения ограничена величиной управляющего напряжения, а амплитуда пропускаемого тока ограничена величиной тока смещения диода продольной ветви.

Известно также и включение дросселей в цепи управляющих напряжений (там же).

Тем не менее, задача, поставленная перед разработчиком, требует использования всей совокупности признаков, в том числе и известных из других источников информации. В частности, исключение дросселей из схемы вызовет перегрузку источника сигнала и рассогласование тракта, т. е. ухудшит характеристики коммутатора и не позволит применить его по назначению.

Таким образом, при достижении основного положительного эффекта - увеличение диапазона амплитуд передаваемых сигналов, одновременно снижается влияние коммутатора на аппаратуру, подключаемую к этому же тракту.

Мостовой диодный коммутатор содержит первый диодный мост 1 и второй диодный мост 2, первый источник 3 управляющих напряжений и второй источник 4 управляющих напряжений. Вершина I управляющей диагонали первого моста через последовательно соединенные резистор 5 и дроссель 6 соединяется через переключатель 7 с положительным выходом первого источника 3 управляющих напряжений либо с отрицательным выходом второго источника 4 управляющих напряжений. Вершина II через последовательно соединенные резистор 8 и дроссель 9 через второй переключатель 10 соединяется с отрицательным выходом первого источника 3 управляющих напряжений, либо положительным выходом второго источника 4 управляющих напряжений. Вершина I управляющей диагонали второго моста 2 через резистор 11 и переключатель 12 соединяется с отрицательным выходом второго источника 4 управляющих напряжений либо положительным выходом первого источника 3 управляющих напряжений, а вершина II через резистор 13 и переключатель 14 - с положительным выходом второго источника 4 управляющих напряжений либо отрицательным выходом первого источника 3 управляющих напряжений. К управляющей диагонали первого моста 1 подключена цепь из последовательно соединенных конденсаторов 15 и 16, точка соединения которых подключена к входу второго моста 2, выход которого соединен с общей шиной. Вход первого моста соединен с источником сигнала 17 через конденсатор 18, а выход соединен с нагрузкой 19 через конденсатор 20.

Коммутатор работает следующим образом.

В открытом состоянии коммутатора переключатели 7 и 10 находятся в положении, при котором напряжение +U_отп. с положительного выхода первого источника 3 управляющих напряжений подается на вершину I диодного моста 1, а напряжение -U_отп. с отрицательного выхода источника 3 подается на вершину II диодного моста 1. Одновременно напряжение -U_зап. с отрицательного выхода источника 4 управляющих напряжений через переключатель 12 подается на вершину I второго диодного моста 2, а напряжение +U_зап. с положительного выхода источника 4 через переключатель 14 подается на вершину II диодного моста 2. Величины отпирающих напряжений, подаваемых на мост 1, могут быть во много раз меньше амплитуды коммутируемых сигналов, а минимально допустимая величина тока, протекающего через резисторы 5 и 8, равна среднему значению тока нагрузки. В то же время величины положительного и отрицательного запирающих напряжений должны быть больше амплитуд коммутируемых импульсов положительной и отрицательной полярностей соответственно.

Коммутируемые сигналы положительной и отрицательной полярностей проходят по различным цепям, образованными диодами моста 1 в прямом включении и конденсаторами 15 и 16.

Поскольку отпирающие напряжения невелики, мощность, потребляемая от первого источника и рассеиваемая, в основном, на резисторах 5 и 8, невелика, по сравнению с мощностью импульсов, передаваемых в нагрузку. В то же время, запирающие напряжения, превышающие амплитуды передаваемых сигналов, обеспечивают надежное запирание поперечной ветви, при этом мощность от источника 4 управляющих напряжений не потребляется.

Для закрывания коммутатора переключатели 7, 10, 12, 14 переводятся в противоположные состояния.

При этом к вершинам I и II моста 1 прикладываются запирающие напряжения, превышающие амплитуды отрицательных и положительных коммутируемых сигналов.

Одновременно к вершинам I и II диодного моста 2 прикладываются отпирающие напряжения. Величина отпирающего тока может быть очень небольшой, поскольку через диодный мост 2 протекает незначительный ток, определяемый, в основном, емкостью закрытых диодов первого моста и скоростью нарастания коммутируемых сигналов dU/dt, который можно оценить по формуле I = 2 ˙C˙ (dU/dt), где I - ток, протекающий через сигнальный вход шунтирующего ключа; С - емкость закрытого диода.

Малый ток, протекающий через диоды открытого моста, обеспечивает малое энергопотребление от источника 4 и не ограничивает время нахождения коммутатора в закрытом состоянии.

Предложенная схема коммутатора отличается симметричностью построения, что дополнительно обеспечивается равенством сопротивлений резисторов 5 и 8, 11 и 13, индуктивностей дросселей 6 и 9, емкостей конденсаторов 15 и 16, а также условиями: | + U_отп | = | -U_отп | , | + U_зап| = | -U_зап | . Симметричное исполнение схемы сводит к минимуму помехи, создаваемые в сигнальной цепи при переходе коммутатора из открытого состояния в закрытое и наоборот, поскольку потенциал точки А (соединение продольной и поперечной ветви) близок к нулю.

Дроссели 6 и 9 обеспечивают развязку по высокой частоте источника сигнала с первым источником 3 управляющих напряжений. В сочетании же с конденсатором 20 указанные дроссели образуют фильтр высо- ких частот, который может быть согласован с волновым сопротивлением линии, в которой установлен коммутатор, при выполнении соотношений R = 2 ˙ρ, L = R²C, где R - сопротивление резисторов 5 и 8; L - индуктивность дросселей 6 и 9; С - емкость конденсатора 20; ρ - волновое сопротивление линии.

Таким образом, предложенный коммутатор, не внося дополнительных помех в работу тракта, позволяет надежно перекрыть его на время действия соответствующих сигналов управления.

В конкретном варианте исполнения заявляемое устройство обеспечивает коммутацию импульсов с амплитудой U_m = ± 250 В с длительностью τ_и = 0,2 . . . 0,3 мкс при скважности Q = 50 и с длительностью фронтов τ_ф = 10 нс. Сопротивление нагрузки R_н = 50-75 Ом.

Величины отпирающих напряжений (+U_отп.) = (-U_отп.) = 24 В, запирающих (-U_зап.) = = (+U_зап.) = 250 В. Коэффициент ослабления в закрытом состоянии коммутатора К_осл. ≥10⁵. (56) Заявка Великобритании N 2179242, кл. H 03 K 17/74, 1973.

Авторское свидетельство СССР N 400-033, кл. H 03 K 17/74, 1971.

Формула изобретения

МОСТОВОЙ ДИОДНЫЙ КОММУТАТОР, содержащий продольную ветвь, состоящую из диодного моста, первая диагональ которого включена между источником сигнала и нагрузкой, а во вторую диагональ включены два последовательно соединенных конденсатора, поперечную ветвь, подключенную первым выводом к точке соединения указанных конденсаторов, источник управляющих напряжений и резисторы, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона коммутируемых сигналов при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик, в него введен дополнительный источник управляющих напряжений и переключатели, при этом поперечная ветвь выполнена в виде второго диодного моста, первая диагональ которого включена между точкой соединения конденсаторов и общей шиной, а вершины вторых диагоналей обоих мостов подключены соответственно через первые резисторы, дроссели, соответствующие переключатели и через последовательно соединенные вторые резисторы и вторые переключатели к разным источникам управляющих напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1