Реверсивный переключатель индуктивной нагрузки

 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к электронной коммутации индуктивной нагрузки. Устройство содержит одну мостовую схему на силовых транзисторах (1, 2, 3, 4) разной проводимости, шесть диодов (7, 8, 12, 13, 25, 26), два резистора (5, 6) для коммутации силовых транзисторов и обеспечения разряда одной индуктивной нагрузки (9), а также два дополнительных транзистора (10, 11), два ключевых элемента (18, 19), два компаратора (23, 24) и три элемента И (20, 21, 22). 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области устройств для электронной коммутации индуктивной нагрузки и может быть использовано в устройствах питания обмоток электромагнитных аппаратов и электрических машин.

Преимущественно предлагаемое изобретение предназначено для управления питанием обмоток электромагнитов магнитных систем управления космическими аппаратами.

Известен реверсивный коммутатор индуктивной нагрузки а.с. 188823, содержащий мост из транзисторов разного типа проводимости, устройства управления транзисторами моста и устройства, обеспечивающие рассеивание электромагнитной энергии обмоток электромагнитом при выключении транзисторов моста.

Недостатком данного устройства является то, что для избежания короткого замыкания от сквозных токов при переключениях коммутатору необходимо выдерживать строгую последовательность снятия управляющих сигналов с одной пары транзисторов и подачу управляющих сигналов на другую пару, что существенно снижает быстродействие данного коммутатора.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят реверсивный переключатель с электродинамическим торможением по а.с. N 764133, СССР кл. H 03 K 17/66. Это устройство наиболее близко к предлагаемому по совокупности существенных признаков.

Устройство содержит мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через резисторы соединены их эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, два транзистора, коллекторы которых подключены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов.

Устройство содержит также два управляющих транзистора, коллекторы которых соединены с базами транзисторов, а базы через резисторы соединены с выводами для подключения сигналов управления.

Известное устройство работает следующим образом. При появлении на одном из входов управляющего сигнала открывается один из силовых транзисторов второй пары и накрест расположенный силовой транзистор первой пары. Через открытые силовые транзисторы и индуктивную нагрузку протекает ток. Этот же управляющий сигнал открывает вспомогательный транзистор, который запрещает поступление другого управляющего сигнала. При снятии сигнала управления закрывается силовой транзистор второй пары, а через силовой транзистор первой пары и диод, подключенный катодом к противоположному от транзистора выводу для подключения нагрузки, происходит рассеивание накопленной энергии. Поддержание силового транзистора в открытом состоянии обеспечивается транзистором, коллектор которого подключен к базе данного силового транзистора, его открытое состояние обеспечивается за счет энергии, накопленной в индуктивной нагрузке по цепи база-эмиттер данного транзистора в диод.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает защиту от короткого замыкания при сквозном включении транзисторов. Такое включение возможно в следующем случае. Когда на входе снимается управляющий сигнал и закрывается силовой транзистор второй пары, начинается разряд индуктивной нагрузки по цепи диод-силовой транзистор первой пары.

Одновременно с этим закрывается транзистор, который запрещал прохождение противоположного управляющего сигнала.

Если, пока осуществляется разряд индуктивной нагрузки, на противоположном управляющем входе появится сигнал, он откроет силовой транзистор нижней пары и вызовет сквозной ток короткого замыкания через силовой транзистор первой пары, открытый разрядным током индуктивной нагрузки, и силовой транзистор второй пары, открытый поступившим сигналом.

Указанный недостаток прототипа можно устранить следующим путем: ввести временное устройство, которое задерживало бы поступление управляющего сигнала на противоположном входе на время, достаточное для разряда индуктивной нагрузки. Однако, это стандартное решение имеет следующий недостаток. В космических аппаратах, в которых предъявляются высокие требования к точности ориентации, приходится использовать реверсивные коммутаторы не только с релейным режимом работы, но и с линейным регулированием тока в индуктивной нагрузке, для чего одна пара силовых транзисторов одного типа проводимости, например первая пара, переводится в активный режим работы с управлением по базовым цепям через цифро-аналоговые преобразователи от бортовой вычислительной машины. Такие коммутаторы должны работать с любым заданным током от нуля до максимального. Следовательно, при разрядах индуктивной нагрузки с током, меньше максимального, предложенное временное устройство, рассчитанное на разряд максимального тока, будет задерживать поступление управляющего сигнала на противоположном входе после того, как завершится разряд индуктивной нагрузки, что существенно снижает быстродействие коммутатора и не позволяет оптимально использовать его конструктивные возможности.

Целью предполагаемого изобретения является защита коммутатора от сквозного тока без ухудшения его быстродействия.

Эту задачу предлагается решить путем определения реального временного интервала, в течение которого происходит разряд индуктивной нагрузки, и задержки поступления управляющих сигналов строго на время разряда.

Поставленная цель достигается введением новых узлов в известный реверсивный коммутатор индуктивной нагрузки, содержащий мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через резисторы соединены с их эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, два транзистора, коллекторы которых присоединены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам для подключения индуктивной нагрузки.

Устройство содержит также два управляющих транзистора, коллекторы которых соединены с базами транзисторов.

Согласно предполагаемому изобретению в этом устройстве дополнительно введены два транзистора, два ключевых элемента на транзисторах, три схемы И и два компаратора, первые входы которых соединены с катодами диодов и через резисторы с выводами для подключения индуктивной нагрузки, вторые входы соединены с выходами делителей напряжения дополнительного источника питания и через резисторы со своими выходами, которые соединены с базами ключевых элементов, объединенные эмиттеры ключевых элементов, соединены с объединенными эмиттерами транзисторов, с анодами диодов и с первым выводом для подключения источника питания, коллекторы ключевых элементов соединены с базами транзисторов и через резисторы с выходами первой и второй схемы И, а также через резисторы с первым выводом для подключения источника питания, коллекторы транзисторов через резисторы соединены с базами второй пары силовых транзисторов и через резисторы с базами управляющих транзисторов, объединенные эмиттеры которых соединены со вторым выводом для подключения источника питания, коллекторы управляющих транзисторов через резисторы соединены накрест с выводами для подключения индуктивной нагрузки, базы первой пары силовых транзисторов соединены с выводами для подключения сигналов линейного управления, первые входы первой и второй схемы И соединены с выводами для подключения сигналов релейного управления и со входами третей схемы И, выход которой соединен с объединенными вторыми входами первой и второй схемы И.

Введение новых узлов: двух транзисторов, двух ключевых элементов на транзисторах, двух компараторов, трех схем И позволяет подавать сигнал релейного управления в любое время независимо от того, присутствует сигнал противоположного направления или нет, и действие вновь поданного сигнала начнется сразу после того, как будет снят сигнал предыдущего направления и завершен разряд индуктивной нагрузки, тем самым обеспечивается максимальное быстродействие коммутатора и предотвращается появление сквозных токов.

Введение трех схем И и двух транзисторов позволяет устанавливать перекрестные запреты на прохождение сигналов релейного управления. Очередной сигнал может переключить компаратор только после того, как будет снят предыдущий сигнал релейного управления. Одновременное присутствие сигналов запрещает работу мостовой схемы.

Введение двух компараторов и двух ключевых элементов позволяет сформировать запрещающий сигнал на время разряда индуктивной нагрузки. Этот сигнал запрещает прохождение очередного сигнала релейного управления до полного разряда индуктивной нагрузки от действия предыдущего сигнала управления. Это позволяет во всех режимах предотвращать сквозные токи и обеспечивать максимальное быстродействие.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Авторами разработан конкретный пример исполнения (макетный образец) реверсивного коммутатора индуктивной нагрузки с защитой от сквозных токов.

Этот макетный образец (фиг. 1) содержит мостовую схему на силовых транзисторах 1, 2, 3, 4 разной проводимости, два резистора 5, 6 два диода 7, 8, индуктивную нагрузку 9, два транзистора 10, 11, два диода 12, 13, два управляющих транзистора 14, 15, два транзистора 16, 17, два ключевых элемента на транзисторах 18, 19, три схемы И 20, 21, 22, два компаратора 23, 4, два диода 25, 26, два резистора 27, 28, два делителя напряжений на резисторах 29, 30, 31, 32, вывод для подключения дополнительного источника 33, резисторы 34, 35, резисторы 36, 37, резисторы 38, 39, резисторы 40, 41, резисторы 42, 43, резисторы 44, 45, выводы для подключения сигналов линейного управления 46, 47, выводы для подключения сигналов релейного управления 48, 49.

Силовые транзисторы 1, 2, 3, 4 образуют мостовую схему, базы первой пары силовых транзисторов 1, 2 через резисторы 5, 6 соединены с их эмиттерами, катоды диодов 7, 8 присоединены к первому выводу для подсоединения источника питания, а аноды к выводам для подключения индуктивной нагрузки 9, включенной в диагональ мостовой схемы.

Коллекторы транзисторов 10, 11 присоединены к базам первой пары силовых транзисторов 1, 2, а эмиттеры через диоды 12, 13 подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам для подключения индуктивной нагрузки.

Коллекторы управляющих транзисторов 14, 15 соединены с базами транзисторов 10, 11.

Первые входы компараторов 23, 24 соединены с катодами диодов 25, 26 и через резисторы 27, 28 с выводами для подключения индуктивной нагрузки. Вторые входы компараторов соединены с выходами делителей напряжений на резисторах 29, 30 и 31, 32 дополнительного источника питания и через резисторы 34, 35 со своими выходами, которые соединены также с базами ключевых элементов на транзисторах 18, 19. Объединенные эмиттеры ключевых элементов соединены с объединенными эмиттерами транзисторов 16, 17, с анодами диодов 25, 26 и с первым выводом для подключения источника питания. Коллекторы ключевых элементов 18, 19 соединены с базами транзисторов 16, 17 и через резисторы 36, 37 с выходами первой и второй схемы И 20, 21, а также через резисторы 38, 39 с первым выводом для подключения источника питания.

Коллекторы транзисторов 16, 17 через резисторы 40, 41 соединены с базами второй пары силовых транзисторов и через резисторы 42, 43 с базами управляющих транзисторов, объединенные эмиттеры которых соединены со вторым выводом для подключения источника питания. Коллекторы управляющих транзисторов через резисторы 44, 45 соединены накрест с выводами для подключения индуктивной нагрузки.

Базы первой пары силовых транзисторов соединены с выводами для подключения сигналов линейного управления 46, 47.

Первые входы первой и второй схем И соединены с выводами для подключения сигналов релейного управления 48, 49 и со входами третей схемы И, выход которой соединен с объединенными вторыми входами первой и второй схемы И.

Устройство работает следующим образом. Предположим, что на выводе 46 присутствует сигнал линейного управления, а на выводе 48 сигнал релейного управления. Открыты силовые транзисторы 1 и 4 и через индуктивную нагрузку 9 протекает ток. На анодах диодов 7 и 8 отрицательные потенциалы, через резисторы 27 и 28 они поступают на первые входы компараторов 23 и 24. Делители напряжений на резисторах 29, 30 и 31, 32 выбраны так, что на вторые входы компараторов поступает небольшой положительный потенциал. Поэтому напряжение на выходах компараторов положительное, оно закрывает транзисторы 18 и 19.

Допустим теперь, что с вывода 48 снимается сигнал релейного управления, а с вывода 46 сигнал линейного управления. Силовой транзистор 4 закрывается. Начинается разряд индуктивной нагрузки через диод 8 и силовой транзистор 1. Открытое состояние транзистора 1 поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивной нагрузке 9, по цепи: резистор 44, переход база-эмиттер транзистора 10 и диод 12. За счет тока разряда индуктивной нагрузки через диод 8 на его аноде появляется положительный потенциал, этот потенциал вызывает опрокидывание компаратора 24, на его выходе появляется отрицательное напряжение, которое открывает транзистор 19. Если теперь, до окончания разряда индуктивной нагрузки, на выводе 49 появится сигнал релейного управления, из-за открытого транзистора 19 силовой транзистор 3 не откроется. И только когда прекратится разряд индуктивной нагрузки, закроется силовой транзистор 1, потенциал на аноде 8 станет нулевым, компаратор 24 возвратится в исходное состояние и закроет транзистор 19, откроется силовой транзистор 3.

Если на выводах 48 и 49 сигналы появляются одновременно, схема И 22 запрещает прохождение этих сигналов, и коммутатор остается в отключенном состоянии.

Таким образом, при любых режимах работы не происходит одновременное включение силовых транзисторов 1 и 3 или 2 и 4, чем полностью исключается короткое замыкание от сквозных токов.

Сигнал релейного управления на любом выводе может подаваться сразу после снятия сигнала предыдущего направления. Его воздействие начнется после окончания разряда индуктивной нагрузки от протекания тока предыдущего направления, этим обеспечивается максимально возможное быстродействие коммутатора.

Формула изобретения

Реверсивный переключатель индуктивной нагрузки, содержащий мостовую схему на силовых транзисторах разной проводимости, базы первой пары которых через соответствующие резисторы соединены с эмиттерами, два диода, катоды которых присоединены к первому выводу источника питания, а аноды к выводам индуктивной нагрузки, включенной в диагональ мостовой схемы, первый и второй транзисторы, коллекторы которых присоединены к базам первой пары силовых транзисторов, а эмиттеры через диоды подключены к коллекторам силовых транзисторов и к выводам индуктивной нагрузки, первый и второй управляющие транзисторы, отличающийся тем, что коллекторы управляющих транзисторов соединены соответственно с базами первого и второго транзисторов, а также введены два дополнительных транзистора, два ключевых элемента на транзисторе, три элемента И и два компаратора, первые входы которых соединены с катодами диодов и через первый и второй резисторы с выводами индуктивной нагрузки, вторые входы соединены со средней точкой первого и второго делителей напряжений, которые подключены между выводом дополнительного источника питания и первым выводом источника питания и через третий и четвертый резисторы со своими выходами, которые соединены с базами транзисторов ключевых элементов, объединенные эмиттеры транзисторов ключевых элементов соединены с объединенными эмиттерами дополнительных транзисторов, с анодами диодов и первым выводом источника питания, коллекторы транзисторов ключевых элементов соединены с базами дополнительных транзисторов и через пятый и шестой резисторы с выходами первого и второго элемента И, а также через седьмой и восьмой резисторы с первым выводом источника питания, коллекторы дополнительных транзисторов через девятый и десятый резисторы соединены с базами второй пары силовых транзисторов и через одиннадцатый и двенадцатый резисторы с базами управляющих транзисторов, объединенные эмиттеры которых соединены с вторым выводом источника питания, коллекторы управляющих транзисторов через тринадцатый и четырнадцатый резисторы соединены накрест с выводами индуктивной нагрузки, базы первой пары силовых транзисторов соединены с выводами для подключения сигналов линейного управления, первые входы первого и второго элемента И соединены с выводами для подключения сигналов релейного управления и с входами третьего элемента И, выход которого соединен с объединенными вторыми входами первого и второго элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1