SU1760629A1

SU1760629A1 - Транзисторный ключ

Info

Publication number: SU1760629A1
Application number: SU904861931A
Authority: SU
Inventors: Борис Сергеевич Сергеев
Original assignee: Уральское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1992-09-07

Abstract

Изобретение относитс к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразовател х энергии посто нного напр жени . Сущность изобретени - устройство содержит бипол рные транзисторы 1, 7, полевой транзистор 3, диод 5, резисторы 4, 6, 9, 10, конденсатор 8, нагрузку 2. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относитс к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразовател х энергии посто нного напр жени .

Известны транзисторные ключи с применением полевого демпфирующего транзистора , включенного параллельно силовому бипол рному, где управление бипол рным транзистором осуществл етс через последовательно включенные в его базовую цепь стабилитрон и диоды 1. Задержка выключени полевого транзистора относительно силового обеспечиваетс тем, что базовый ток бипол рного транзистора прекращаетс раньше, чем напр жение на входе полевого транзистора достигнет порогового уровн , когда он начнет запиратьс . Дл реализации этого свойства схемы требуетс иметь определенную длительность спада напр жени импульсов управлени при выключении транзисторного

ключа, котора , в конечном итоге, и определ ет задержку на выключение полевого транзистора. Это вл етс недостатком транзисторного ключа, так как приводит к нестабильной работе в услови х воздействи эксплуатационных факторов - изменени температуры окружающей среды, напр жени питани схемы управлени , а также при разбросе параметров элементов схемы. Кроме того, быстродействие ключа невысоко, так как прин тие мер по форсированному рассасыванию зар да из полупроводниковой структуры насыщенного бипол рного транзистора затруднительно из-за вли ни на врем задержки выключени полевого транзистора параметров импульсов управлени .

Лучшими характеристиками обладает транзисторный ключ, в котором врем задержки выключени полевого транзистора в значительно меньшей степени зависит от параметров сигналов управлени и от характеристик элементов 2. Это устройство

О

о о

hC

ю

вл етс наиболее близким по технической сущности и схемной реализации к предлагаемому ключу. Задержка управл ющего сигнала на выключение полевого транзистора здесь выполн етс цепью, состо щей из индуктивности и конденсатора. Недостатком этого транзисторного ключа вл етс то, что при изменении характеристик силового бипол рного транзистора, в частности времени рассасывани зар дов из его полупроводниковой структуры в насыщенном состо нии, задержка на выключение полевого транзистора не измен етс . Это приводит к ненадежной работе силового бипол рного транзистора и к ограничению на быстродействие транзисторного ключа, так как в этих услови х приходитс реализовывать задержку с достаточно большим запасом по времени. Кроме того, использование индуктивного элемента преп тствует микроминиатюризации транзисторного ключа и исполнению его в виде монолитной или гибридной ИС.

Целью изобретени вл етс повышение быстродействи транзисторного ключа и надежности работы,

На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы транзисторного ключа, соответствующие пунктам 1, 2 и 3 формулы изобретени .

Транзисторный ключ по схеме фиг. 1 содержит силовой бипол рный транзистор 1, коллектор которого через нагрузку 2 подключен к положительной шине источчич.э питани Еп, з эмиттер - к его отрицательной шине (общему полюсу). Параллельно коллектору и эмиттеру транзистора 1 включены сток и исток демпфирующего полевого транзистора 3 соответственно. Источник импульсов управлени Uy соединен через первый резистор 4 с базой транзистора 1, а через диод 5 и второй резистор 6 с затвором полевого транзистора 3 и с коллектором шунтирующего бипол рного транзистора 7, эмиттер которого подключен к источнику транзистора 3. Замедл ющий конденсатор 8, подключенный параллельно затвору и истоку транзистора 3, в общем случае может отсутствовать, его функцию может выполн ть входна емкость полевого транзистора 3. База транзистора 7 через ограничивающий резистор 9 соединена с коллектором силового транзистора 1 и через базовый резистор 10 - с его эмиттером.

Схема транзисторного ключа по фиг. 2 содержит следующие элементы (кроме описанных ). Между коллектором силового транзистора 1 и ограничивающим резистором 9 включен третий резистор 11, а к точке соединени этих резисторов подключен катод

стабилитрона 12, анод которого соединен с эмиттером транзистора 7.

Схема транзисторного ключа по фиг. 3 кроме описанных содержит следующие элементы . База и эмиттер шунтирующего транзистора 7 подключены соответственно к коллектору и эмиттеру управл ющего бипол рного транзистора 13, база которого соединена со средней точкой делител

0 напр жени , состо щего из последовательно соединенных п того и шестого резисторов 14 и 15, а крайние выводы делител подключены к катсцу диода 5 и к истоку полевого транзистора 3.

5 Транзисторный ключ по схеме фиг. 1 работает следующим образом.

На вход схемы подаютс разнопол р- ные импульсы управлени Uy. Положительный имгульс соответствует открытому

0 состо нию ключа, а отрицательный - закрытому .

При подаче положительного импульса Uy по вл етс открывающий базовый ток силового транзистора 1, ограничиваемый

5 резисторов 4 Одновременно с этим через диод 5 и зе истор 6 на затвор полезсго транзистора 3 поступает положительное на- . Оба транзистора - и 3 открываютс и в нафузкг 2 начинает поступать ток.

0Ранее, когда транзистор 1 иь.л запет,

„уь иоуь . Трс:г1зисгор а 1л открыт базо- 3JM током протекающим через рэзистср 9. Когда транзистор 1 откоы атс , то транзи- стоо 7 запираетс , так как падение нагфлже5 ни на силовых бипол рных транзисторах в открытом состо нии (на переходе коллектор-эмиттер ) обычно мало и недостаточно дл поддержани транзистора 7 в открытом состо нии. Таким образом, когда транзисто0 ры 1 и 3 открыты,транзистор 7 заперт.

По окончании действи положительного импульса Uv при поступлении отрицательного импульса напр жени начинаетс этап рассасывани зар дов из полупроводнико5 вой структуры насыщенного силового бипол рного транзистора 1. Рассасывающий ток его базы определ етс резистором 4. Демпфирующий транзистор 3 в это врем все еще открыт, так как, несмотр на отсутствие

0 положительного напр жени на аноде диода 5, напр жение на затворе транзистора 3 остаетс примерно на том же уровне за счет зар да, накопленного на конденсаторе 8. В общем случае функции этого конденсатора

5 может выполн ть входна емкость затвор- исток полевого транзистора 3. По окончании процессов рассасывани насыщенного транзистора 1 начинаетс процесс его запирани . Напр жение на его коллекторе увеличиваетс . Верхний предел увеличени

напр жени ограничиваетс падением напр жени на открытом транзисторе 3 (напр жение сток-исток). Современные силовые высоковольтные полевые транзисторы обладают существенным падением напр жени в открытом состо нии. Обычно это напр жение лежит в пределах 3-5 В или превышаетэтизначени . Когда напр жение на коллекторе транзистора 1 достигнет этой величины, включаетс транзистор 7, чем шунтируетс вход транзистора 3 и форсированно разр жаетс конденсатор 8. После снижени напр жени на этом конденсаторе до значени порогового напр жени вы- ключени транзистора 3 последний выключаетс . Дл надежного согласовани уровн напр жени на закрытом транзисторе 1 и открытом транзисторе 3 требуетс соответствующий выбор величин резисторов 9 и 10. После запирани транзистора 3 схема приходит в исходное состо ние. Далее процессы повтор ютс аналогично.

Таким образом, в рассматриваемом транзисторном ключе формирование процесса запирани демпфирующего полевого транзистора 3 происходит только по окончании процессов рассасывани зар дов из полупроводниковой структуры насыщенного бипол рного силового транзистора 1. т.е. после начала его фактического запирани .

Транзисторный ключ по схеме фиг. 2 отличаетс тем, что в базовую цепь шунтирующего транзистора 7 введен нелинейный ограничивающий элемент-стабилитрон 12, который преп тствует чрезмерному увеличению тока базы шунтирующего транзистора 7 после запирани полевого транзистора 3, когда напр жение на нем и на коллекторе транзистора 1 увеличиваетс до нескольких сотен вольт. При этом ограничение тока через стабилитрон 12 выполн етс резистором 11. Когда напр жение на коллекторе транзистора 1 мало и не превышает напр жени включени стабилитрона 12, то эта цепь не вли ет на работу транзистора 7. Таким образом, уменьшаетс диапазон изменени базового тока транзистора 7, чем повышаетс надежность его работы.

Транзисторный ключ по схеме фиг. 3 отличаетс тем, что к моменту включени полевого транзистора 3 положительным импульсом сигнала управлени Uy шунтирующий транзистор 7 запираетс . В это врем включаетс управл ющий транзистор 13, преп тствующий по влению базового тока транзистора 7. Этим как уменьшаетс мощность , потребл ема на открывание полевого транзистора 3, так и повышаетс надежность работы транзистора 7, так как с

приходом положительного импульса Uy транзистор 7 оказываетс запертым.

Следовательно, как показывает рассмотрение работы приведенных схем, введение шунтирующего транзистора 7, управл емого от напр жени на коллектор- но-эмиттерном переходе транзистора 1, дает возможность реализовать задержку выключени полевого транзистора 3, кото0 ра реально отслеживает состо ние силового транзистора 1 и измен етс при изменении времени рассасывани последнего . Этим как повышаетс надежность работы ключа, так и увеличиваетс его

5 быстродействие. Введение стабилитрона 12 позвол ет снизить диапазон изменени базового тока транзистора 7, чем повышаетс надежность его работы. Введение управл ющего транзистора 13 дает возможность ос0 лабить шунтирующее действие транзистора 7 во врем этапа открывани полевого транзистор ра 3, чем повышаетс эффективность работы транзисторного ключа.

Claims

Формула изобретени

51. Транзисторный ключ, содержащий

силовой бипол рный транзистор,коллектор которого подключен к первому выводу нагрузки и к стоку полевого демпфирующего транзистора, исток которого соединен с

0 эмиттером силового транзистора и с отрицательной шиной источника питани , положительна шина которого подключена к второму выводу нагрузки, а база силового транзистора через первый резистор соеди5 нена с источником импульсов управлени , причем параллельно затвору и истоку демпфирующего транзистора подключен замедл ющий конденсатор, отличающий- с тем, что, с целью повышени быстродей0 стви , введены шунтирующий бипол рный транзистор, три резистора и диод, коллектор и эмиттер шунтирующего транзистора подключены к затвору и истоку демпфирующего транзистора соответственно, затвор

5 последнего через второй резистор соединен с катодом диода, анод которого подключен к источнику импульсов управлени , а база шунтирующего транзистора-через ограничивающий резистор соединена с кол0 лектором силового транзистора и через базовый резистор - с эмиттером шунтирующего транзистора.

2. Ключ по п. 1,отличающийс тем, что, с целью повышени надежности в рабо5 те, введены стабилитрон и четвертый резистор , анод которого подключен к эмиттеру шунтирующего транзистора, а катод - к точке соединени ограничивающего резистора и четвертого резистора, другие выводы которых подключены к базе шунтирующего и
коллектору силового транзисторов соответственно .

3. Ключ поп. 1, отличаю щи йс тем, что, с целью повышени надежности в работе , введены усилитель напр жени и управл ющий бипол рный транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены с базой и
эмиттером шунтирующего транзистора соответственно , а база - со средней точкой делител напр жени , состо щего из последовательно соединенных п того и шестого резисторов, крайние выводы которого подключены к катоду диода и истоку демпфирующего транзистора соответственно.

2У

/ 2S# k

//

о

п

1J

Кн

8

Фиг. Z

ГЈ/7

IIS

D

1Q

В

Фиг.З