CS218783B1 - Zapojení pro ochranu výkonového spínacího tranzistoru - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení pro ochranu výkonového spínacího tranzistoru řízeného do báze z budiče napájeného ze zdroje stejnosměrného napětí.

Ochrany výkonových tranzistorů jsou řešeny na principu snímání kolektorového napětí U_CE hlídaného výkonového spínacího tranzistoru v době jeho sepnutí a toto napětí je porovnáváno s referenčním napětím. V případě, že kolektorové napětí U_CE je větší než referenční napětí, dojde k uzavření výkonového spínacího tranzistoru bez ohledu na stav řídicího signálu.

Napěťový komparátor, porovnávající velikost snímaného kolektorového napětí U_CE s referenčním napětím, je obvykle realizován jedním tranzistorem, který má bázi připojenou na zdroj referenčního napětí a na emitor je přiváděno kolektorové napětí U_CE. Zdroj stabilizovaného referenčního napětí bývá s ohledem na jednoduchost zapojení řešen stabilizací kladného napájecího napětí, z něhož je potřebné referenční napětí získáváno z odporového děliče, připojeného •na toto stabilizované napětí.

Stabilizace napájecího napětí je však při velkých proudech nevýhodná jak z energetického hlediska, tak j z ekonomického hlediska, neboť v daném zařízení bývá často několik budičů vzájemně galvanicky oddělených, takže každý musí mít samostatný stabilizátor. Principiálně lze k získání referenčního napětí použít klasického stabilizátoru se Zenerovou diodou. Vzhledem k silnému kolísání napájecího napětí budiče, například v rozsahu 10 až 3 V, v závislosti na odebíraném proudu, je nutné použít Zenerovu diodu o napětím menším než 3 V. Takové diody však mají značně vysoký dynamický odpor a tedy špatný činitel stabilizace a tudíž se pro daný účel nehodí.

V zapojeních s integrovanými obvody bývá komparátor řešen operačním zesilovačem. Zesilovače pracující spolehlivě i při malém napájecím napětí + 3 V však nevyhovují svou malou rychlostí, která je dána vnitřní strukturou zesilovačů. Při použití integrovaných obvodů je třeba řešit problém rušivých signálů. Operační zesilovače mají velké zesílení a tedy i značnou citlivost na nežádoucí rušení. Totéž platí i pro číslicové integrované obvody, zvláště pracují-li s nízkým napájecím napětím.

Dosud známé ochrany pak pracují buď v režimu regenerativním, nebo jednorázovém a není možno, bez zásadní změny celého zapojení tento režim měnit.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny ochranou výkonového spínacího tranzistoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na bázi výkonového spínacího tranzistoru je připojen výstup koncového stupně budiče, tvořený impulsním zesilovačem proudu, jehož první napájecí vstup a druhý na-i pájecí vstup jsou připojeny na napájecí zdroj stejnosměrného napětí a jehož řídicí vstup je připojen na kolektor prvního tranzistoru, jehož báze je přes první odpor, tvořící spolu s druhým odporem dělič napětí, připojena na kolektor druhého tranzistoru, jehož báze je řídicím vstupem budiče, druhý odpor a emitor prvního tranzistoru jsou připojeny na kladnou svorku napájecího zdroje, přičemž na kolektor druhého tranzistoru je svou bází připojen třetí tranzistor, jehož emitor je přes čtvrtý odpor připojen na bází čtvrtého tranzistoru, kolektor třetího tranzistoru je spolu s emitorem pátého tranzistoru, připojen na kladnou svorku napájecího zdroje, na níž je přes pátý odpor připojena i báze pátého tranzistoru, jehož kolektor je připojen na bázi prvního tranzistoru, báze pátého tranzistoru je dále přes vazební obvod připojena na výstupní svorku řídicího obvodu, jehož napájecí svorka je připojena na emitor čtvrtého tranzistoru a na emitor výkonového spínacího tranzistoru, řídicí vstup řídicího obvodu je připojen na jezdce stavitelného šestého odporu, jehož jedna svorka je připojena na napájecí svorku řídicího obvodu a druhá svorka je přes první diodu a přes druhou diodu připojena na kolektor výkonového spínacího tranzistoru, společný uzel první diody a druhé diody je přes sedmý odpor připojen na kladnou svorku napájecího zdroje a přes první kondenzátor na napájecí svorku řídicího obvodu.

U tohoto zapojení je komparátor a zdroj referenčního napětí realizován jediným řídicím obvodem, tvořeným jediným tranzistorem, označeným jeko šestý tranzistor, v zapojení se společným emitorem. Prahové napětí U_BE tohoto šestého tranzistoru slouží jako referenční napětí. Při překročení prahového napětí U_BE se šestý tranzistor otevírá, čímž vybavuje signál pro vypnutí výkonového tranzistoru. Mírný záporný teplotní koeficient prahového napětí U_BE působí v uvedeném zapojení i jako tepelná ochrana při yrůstu teploty okolí.

Ochrana pracuje ve velmi širokém rozsahu napájecího napětí (3 až 12 V). Referenční napětí je naprosto nezávislé na napájecím napětí. Ochrana je velmi rychlá. Jednoduchou změnou, pouhou výměnou řídicího obvodu lze pracovat buď v režimu regenerativním, kdy výkonový tranzistor je zapínán vždy následujícím řídicím impulsem a ochranou vypínán ještě před ukončením řídicího impulsu, nebo v režimu jednorázovém, kdy je výkonový tranzistor ochranou vypnut trvale. Vysoká odolnost proti rušivým signálům je dána použitím malého počtu aktivních prvků, což zajišťuje, že napěťové zesílení komparátoru není extrémně vysoké.

Příklad provedení ochrany výkonového spínacího tranzistoru podle vynálezu je uveden na výkresech, na nichž obr. 1 představuje celkové schéma zapojení, na obr. 2 je znázorněna modifikace zapojení pro vysokonapěťový výkonový spínací tranzistor se zdrojem napájecího napětí dvojí polarity, na obr. 3 je zobrazen řídicí obvod pro regenerativní režim, obr. 4 představuje tento obvod pro jednorázový režim, obr. 5 ukazuje jednoduché provedení vazebního obvodu, na obr. 6 je znázorněn vazební obvod, opatřený optoelektrickým prvkem pro přenos informace o činnosti ochrany do řídicích logických obvodů, a na obr. 7 ukazuje zapojení koncového stupně budiče.

Výkonový spínací tranzistor 33 je kolektorem 34 a emitorem 35 zapojen do výkonového obvodu. Na bázi výkonového spínacího tranzistoru 33 je připojen výstup 32 impulsního zesilovače 28 proudu, jehož první napájecí vstup 30 a druhý napájecí vstup 31 jsou připojeny na kladnou a zápornou svorku 2, 3 napájecího zdroje 1 stejnosměrného napětí. Řídicí vstup 29 impusního zesilovače 28 proudu je připojen na kolektor prvníhotranzistoru 26, jehož báze je přes první odpor 7, tvořící spolu s druhým odporem 6 dělič napětí, připojena na kolektor druhého tranzistoru 8, jehož báze je řídicím vstupem 4 budiče.

Druhý odpor 6 a emitor prvního tranzistoru 26 jsou připojeny na kladnou svorku 2 napájecího zdroje 1 a kolektor prvního tranzistoru 26 je přes zatěžovací třetí odpor 27 připojen na zápornou svorku 3 napájecího zdroje 1.

Paralelně k přechodu báze — emitor druhého tranzistoru 8 je připojen třináctý odpor 5. Na kolektor druhého tranzistoru 8 je svou bází připojen třetí tranzistor 9, je-; hož emitor je přes čtvrtý odpor 10 připojen na bázi čtvrtého tranzistoru 25. Kolektor třetího tranzistoru 9 je spolu s emitorem pátého tranzistoru 11 připojen na kladnou svorku 2 napájecího zdroje 1, na níž je přes pátý odpor 12 připojena i báze pátého tranzistoru 11. Kolektor pátého tranzistoru 11 je připojen na bázi prvního tranzistoru 26. Báze pátého tranzistoru 11 je dále přes vazební obvod 13 připojena na výstupní svorku 17 řídicího obvodu 16.

Napájecí svorka 18 řídicího obvodu 16 je připojena jednak na emitor čtvrtého tranzistoru 25, jednak na emitor 35 výkonového spínacího tranzistoru 33. Řídicí vstup 19 řídicího obvodu 16 je připojen na jezdce stavitelného šestého odporu 20, jehož jedna -svorka je připojena na napájecí svorku 18 řídicího obvodu 16 a druhá svorka je přes první diodu 21 a přes druhou diodu 24, zapojenou vůči první diodě 21 s opačnou polaritou, připojena na kolektor 34 výkonového spínacího tranzistoru 33.

Společný uzel obou těchto diod 21, 24 je přes sedmý odpor 22 připojen na kladnou svorku 2 napájecího zdroje 1 a přes první kondenzátor 23 na napájecí svorku 18 řídicího obvodu 16. Napájecí svorka 18 řídicího obvodu 16 je spolu s emitorem druhého tranzistoru 8 připojena na zápornou svorku 3 napájecího zdroje 1. V případě, že výkonový spínací tranzistor 33 je vysokonapěťový, je výhodné při uzavírání tohoto výkonového spínacího tranzistoru 33 polarizovat jeho přechod báze — emitor napětím v závěrném směru.

V takovém případě se použije napájecí zdroj 1 se svorkou 36 nulového potenciálu napájecího zdroje 1 a na ni se připojí napájecí svorka 18 řídicího obvodu 16 spolu s emitorem druhého tranzistoru 8. Bude-li ochrana pracovat v režimu regenerativním, bude řídicí obvod 16 tvořen šestým tranzistorem 37, viz obr. 3, jehož báze pak představuje řídicí vstup 19, emitor napájecí vstup 18 a kolektor šestého tranzistoru 37 výstup 17 tohoto řídicího’ obvodu 16. Pro jednorázový režim je pak kolektor šestého tranzistoru 37 připojen na výstup 17 přes přechod báze emitor sedmého tranzistoru 38, viz obr. 4, jehož kolektor je připojen na bázi šestého tranzistoru 37.

Paralelně k přechodu báze — emitor sedmého tranzistoru 38 je pak připojena paralelní kombinace osmého odporu 39 a druhého kondenzátoru 40. Vazební obvod 13 je v základním provedení představován pouze devátým odporem 41, viz obr. 5. V případě, že je potřeba do řídicích logických obvodů přenést informaci o činnosti ochrany, je v sérii s devátým odporem 41 zapojen optoelektrický vazební člen 42, jehož výstupní svorky 43, galvanicky oddělené od celého budiče, jsou připojeny na logické řídicí obvody.

Na řídicí vstup 4 budiče přivádíme řídicí impuls kladné polarity, čímž se otevře tranzistor 8. Přes odporový dělič, tvořený prvním odporem 7 a druhým odporem 6, se otevře první tranzistor 26, na jehož kolektoru vznikne impuls kladné polarity. Tímto impulsem je řízen výkonový stupeň budiče, v daném případě impulsní zesilovač 28 proudu, který dodá řídicí proud potřebné velikosti do báze výkonového spínacího tranzistoru 33. Jedinou podmínkou je, aby kladnému signálu na řídicím vstupu 29 impulsního. zesilovače 28 proudu odpovídal kladný výstupní signál na výstupu 32 tohoto impulsního zesilovače 28 proudu a tedy došlo k otevření výkonového spínacího tranzistoru 33.

Kladnému signálu na řídicím vstupu 4 budiče a tedy otevřenému druhému tranzistoru 8 odpovídá pak sepnutí výkonového spínacího tranzistoru 33, Tím poklesne napětí na kolektoru druhého tranzistoru 8, uzavře se třetí tranzistor 9 a přes čtvrtý odpor 10 se uzavře i čtvrtý tranzistor 25 a ochrana je připravena k činnosti. Na kolektoru čtvrtého tranzistoru 25 se objeví kolektorové napětí U_CE výkonového spínacího tranzistoru 33. Toto napětí je snímáno obvodem složeným ze šestého odporu 22 a druhé diody 24 a je vedeno přes první diodu 21 na stavitelný odpor 20. Napětí z jezdce je vedeno na řídicí svorku 19 řídicího obvodu 16, čili na bázi šestého tranzistoru 37.

Pracuje-li zapojení v režimu jednorázovém, přesáhne při přetížení výkonového spínacího tranzistoru 33 napětí na řídicí svorce 19 řídicího obvodu 16 velikost prahového napětí U_BE šestého tranzistoru 37, tento sepne a tedy sepne i sedmý tranzistor 38. Šestý tranzistor 37 a sedmý tranzistor 38 tvoří bistabilní klopný obvod a zůstanou sepnuty až do zásahu obsluhy. Překlopit tento bistabilní klopný obvod do původního stavu lze pouze vypnutím napájecího zdroje 1. Sepnutím šestého a sedmého tranzistoru 37, 38 je přez vazební obvod 13 sepnut pátý tranzistor 11. Tím je zkratován přechod báze — emitor prvního tranzistoru 26, tento rozepne a na jeho kolektoru se objeví nízká úroveň napětí a tentýž stav je na řídicím vstupu 29 impulsního zesilovače 28 proudu a stejně tak na jeho výstupu 32, čímž se výkonový spínací tranzistor 33 uzavře.

Časová konstanta daná hodnotami šestého odporu 22 a prvního kondenzátoru 23 určuje zpoždění reakce ochrany, které musí být delší než je spínací doba výkonového· spínacího tranzistoru 33, ale jinak co nejkratší, aby ochrana byla dostatečně rychlá. První dioda 21 zamezuje případnému překlopení bistabilního klopného obvodu v okamžiku, kdy skončí řídicí impuls na řídicím vstupu 4 budiče a otevírá se čtvrtý tranzistor í25. První dioda 21 rovněž kompenzuje teplotní součinitel napětí v propustném směru druhé diody 24. Stavitelný odpor 20 slouží k nastavení pracovní úrovně ochrany. Osmý odpor 39 napomáhá rychlému a spolehlivému uzavření sedmého tranzistoru 38. Druhý kondenzátor 40 zvyšuje odolnost bistabilního klopného obvodu proti rušivým impulsům. Třináctý odpor 5 napomáhá rychlému uzavírání druhého tranzistoru 8. Obdobný význam má pátý odpor 12 pro pátý tranzistor 11. Sedmý odpor 27 tvoří zatěžovací odpor prvního tranzistoru 26. Při regenerativním režimu ochrany zůstává šestý tranzistor 37 sepnut pouze do okamžiku ukončení řídicího impulsu na řídicím vstupu 4 budiče. V tomto okamžiku totiž sepne čtvrtý tranzistor 25, který přes první diodu 21 a stavitelný odpor 20 šestý tranzistor 37 rozepne. Tím je ochrana připravena k příchodu nového kladného řídicího impulsu na řídicí vstup 4 budiče.

Impulsní zesilovač 28 proudu, vhodný zejména pro zapojení podle obr. 2, sestává z osmého tranzistoru 47 a devátého tranzistoru 48 se vzájemně propojenými emitory a paralelně propojenými bázemi, tvořícími řídicí vstup 29 impulsního zesilovače 28 proudu. Kolektor osmého tranzistoru 47, který tvoří první napájecí vstup 30 impulsního zesilovače 28 proudu, je připojen na kolektor desátého tranzistoru 59, jehož báze je přes sériovou kombinaci čtrnáctého odporu 57 a třetí diody 54 a s nimi v sérii zapojený desátý odpor 49 připojena na emitory osmého tranzistoru 47 a devátého tranzistoru 48,

Uzel třetí diody 54 a desátého odporu 49 je jednak přes sériovou kombinaci čtvrté diody 53 a jedenáctého odporu 56 připojen na kolektor 34 výkonového spínacího tranzistoru 33, jednak přes dvanáctý odpor 51 a pátou diodou 52 na kolektor devátého tranzistoru 48, který tvoří druhý napájecí vstup 31 impulsního zesilovače 28 proudu. Uzel dvanáctého odporu 51 a pate diody 52 je přes třetí kondenzátor 50 připojen na emitory osmého a devátého tranzistoru 47, 48, na něž je přes sériovou kombinaci cívky 55 a šesté diody 58 připojen emitor desátého tranzistoru 59, který tvoří výstup 32 impulsního zesilovače 28 proudu.

Kladným vstupním napětím na řídicím vstupu 29 je otevřen osmý tranzistor 47. Signál jdoucí z jeho emitoru přes emitorový sledovač, tvořený desátým tranzistorem 59, otevírá výkonový spínací tranzistor 33.

V tomto stavu je v činnosti nelineární zpětná vazba, tvořená jedenáctým odporem j>6 a antisaturační čtvrtou diodou 53, která¹ je připojena anodou na anodu třetí diody 54. Desátý odpor 49 představuje zdroj proudu pro správnou činnost čtvrté diody 53. Třetí kondenzátor 50 s dvanáctým odporem 51 tvarují nástupní hranu řídicího proudu jdoucího do báze výkonového spínacího tranzistoru 33. Třetí dioda 54 upravuje stejnosměrné poměry ve smyčce nelineární zpětné vazby tak, aby antisaturační čtvrtá dioda 53 určovala výkonový spínací tranzistor 33 v aktivní oblasti jeho výstupních charakteristik, to jest, aby nebyl přesycován nadměrným budicím proudem do báze.

Jedenáctý a čtrnáctý odpor 56, 57 zajišťují stabilitu ve smyčce zpětné vazby. Záporným vtsupním napětím na řídicím vstupu 29 impulsního zesilovače 28 proudu se uzavře osmý tranzistor 47 a současně se otevře devátý tranzistor 48, čímž je přechod báze — emitor výkonového spínacího tranzistoru 33 polarizován napětím v závěrném směru a tranzistor 33 rozepne. Šestá dioda 58 zamezuje průtok proudu z emitoru osmého tranzistoru 47 do báze výkonového spínacího tranzistoru 33 v době otevření osmého tranzistoru 47.

Cívka 55 svou indukčnosti definuje strmost sestupné hrany budicího· proudu jdoucího do báze výkonového spínacího tranzistoru 33. Pátá dioda 52 zajišťuje rychlé vybití třetího kondenzátoru 50 přes devátý tranzistor 48 v době otevření tohoto tranzistoru 48. Oddělením cesty budicího proudu při zapínání a vypínání výkonvého spínacího tranzistoru 33 pomocí šesté diody 58 Je možné nezávisle na sobě tvarovat nástupní a sestupnou hranu budicího proudu tak, aby přepínání výkonového spínacího tranzistoru 33 probíhalo co nejrychleji. Antisaturační čtvrtá dioda 53 zajišťuje optimální velikost budicího proudu, takže výkonový spínací tranzistor 33 není přesycován nad218783 vazba spolu s antisaturační diodou 53 zajišťuje stabilitu velikosti výstupního proudu budiče i při velkých změnách napájecího napětí, což přispívá k tomu, že napájecí zdroj 1 nemusí být stabilizován.

měrným proudem do báze, čímž se jehto vypínací doba výrazně zkrátí.

Sníží se tak rovněž příkon budiče a v návaznosti na to jsou kladeny menší požadavky na napájecí zdroj 1. Nelineární zpětná

Claims (8)

1. Zapojení pro ochranu výkonového^ spínacího tranzistoru řízeného do báze z budiče napájeného ze zdroje stejnosměrného napětí, vyznačující se tím, že na bázi výkonového spínacího tranzistoru (33) je připojen výstup koncového stupně budiče, tvořený impulsním zesilovačem (28) proudu, jehož první napájecí vstup (30) a druhý napájecí vstup (31) jsou připojeny na napájecí zdroj (lj stejnosměrného napětí a jehož řídící vstup (29) je připojen na kolektor prvního tranzistoru (26), jehož báze je přes první odpor (7), tvořící spolu s druhým odporem (6) dělič napětí, připojena na kolektor druhého- tranzistoru (8), jehož báze je řídicím vstupem (4) budiče, druhý odpor (6) a emitor prvního tranzistoru (26) jsou připojeny na kladnou svorku (2) napájecího zdroje (1), přičemž na kolektor druhého tranzistoru (8) je svou bází připojen třetí tranzistor (9), jehož emitor je přes čtvrtý odpor (10) připojen na bázi čtvrtého tranzistoru (25), kolektor třetího tranzistoru (9) je spolu s emitorem pátého tranzistoru (11) připojen na kladnou svorku (2) napájecího zdroje (1), na níž je přes pátý odpor (12) připojena i báze pátého tranzistoru (11), jehož kolektor je připojen na bázi prvního tranzistoru (26), báze pátého tranzistoru (11) je dále přes vazební obvod (13) připojena na výstupní svorku (17) řídicího obvodu (16), jehož napájecí svorka (18) je připojena na emitor čtvrtého tranzistoru (2)5) a na emitor (35) výkonového spínacího tranzistoru (33), řídicí vstup (19) řídicího obvodu (16) je připojen na jezdce stavitelného šestého jodporu (20), jehož jedna svorka je připojena na napájecí svorku (18) řídicího obvodu (16). a druhá svorka je přes první diodu (21) a přes druhou diodu (24) připojena na kolektor (34) výkonového spínacího tranzistoru (33), společný uzel první diody (21) a druhé diody (24) je přes sedmý odpor (22) připojen na kladnou svorku (2) napájecího zdroje (1) a přes první kondenzátor (23) na napájecí svorku (18): řídicího obvodu (16).

2. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že napájecí svorka (18) řídicího obvodu (16) je spolu s emitorem druhého tranzistoru (8) připojena na zápornou svorku (3) napájecího zdroje (1).

3. Zapojení podle bodu 2, vyznačující se tím, že napájecí svorka (18) řídicího obvodu (16) je spolu s emitorem druhého tranzistoru (8) připojena na svorku (38)’ nulového potenciálu napájecího zdroje (1).

YNÁLEZU

4. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že řídicí obvod (16) je opatřen šestým tranzistorem (37), jehož báze tvoří řídicí vstup (19) řídicího obvodu (16), emitor napájecí svorku (18) řídicího- obvodu (16) a kolektor je připojen na výstup (17) řídicího obvodu (16).

5. Zapojení podle bodu 4, vyznačující se tím, že kolektor šestého tranzistoru (37) je na výstup (17) řídicího obvodu (16) připojen přes přechod báze — emitor sedmého tranzistoru (38) s paralelně připojenou kombinací osmého odporu (39) a druhého kondenzátoru (40), přičemž kolektor sedmého tranzistoru (38) je připojen na bázi šestého tranzistoru (37).

6. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že vazební obvod (13) je tvořen devátým odporem (41).

7. Zapojení podle bodu 6, vyznačující se tím, že v sérii s devátým odporem (41) je zapojen optoelektrický vazební člen (42); jehož výstupní svorky (43) jsou připojeny na řídicí logické obvody.

8. Zapojení podle bodu 1, vyznačující se tím, že impulsní zesilovač (28) proudu sestává z osmého tranzistoru (47) a devátého tranzistoru (48) se vzájemně propojenými emitory s paralelně spojenými bázemi, tvořícími řídicí vstup (29) impulsního zesilovače (28) proudu, kolektor osmého tranzistoru (47), tvořící první napájecí vstup (30) impulsního zesilovače (28) proudu, je připojen na kolektor desátého tranzistoru (59), jehož báze je přes sériovou kombinaci čtrnáctého odporu (57): a třetí diody (54) a s nimi v sérii zapojený desátý odpor (49) připojena na emitory osmého tranzistoru (47) a devátého tranzistoru (48), uzel třetí diody (54) a desátého odporu (49) je jednak přes sériovou kombinaci čtvrté diody (53) a jedenáctého odporu (56) připojen na kolektor (34), výkonového spínacího tranzistoru (33), jednak přes dvanáctý odpor (51) a pátou diodu (52) na kolektor devátého tranzistoru (48), tvořící druhý napájecí vstup (31) impulsního zesilovače (28) proudu, uzel dvanáctého odporu (51) a páté diody (52) je přes třetí kondenzátor (50) připojen na emitory osmého tranzistoru (47) a devátého tranzistoru (48), na něž je přes sériovou kombinaci cívky (55) a šesté diody (58) připojen emitor desátého tranzistoru (59) , tvořící výstup impulsního zesilovače (28 )' proudu.