Патент на изобретение №2255390

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕЗДУГОВОЙ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к коммутационной технике и предназначено для бездугового переключения двух нагрузок. Технический результат заключается в упрощении, повышении экономичности, быстродействия, надежности и расширении функциональных возможностей. Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей содержит вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа, – с подвижным контактом переключающей контактной группы, второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутации электрических цепей, и предназначено для бездугового переключения двух нагрузок.

Известно устройство для бездуговой коммутации двух нагрузок [1], содержащее выводы для подключения источника питания, выводы для подключения нагрузок, переключающую контактную группу, два транзистора, подключенные коллектор-эмиттерными переходами параллельно замыкающему и размыкающему контактам переключающей группы, и две схемы управления транзисторами, каждая из которых выполнена на диоде, резисторе и размыкающем или замыкающем контактах. Недостатки устройства – сложность, обусловленная использованием двух силовых транзисторов и наличием обоих выводов для подключения источника питания, невысокая экономичность из-за постоянного потребления мощности схемами управления транзисторами, низкие быстродействие и надежность, вызванные медленным процессом отключения цепей нагрузок, заканчивающимся только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и пассивным запиранием транзисторов, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью использования в цепях, не допускающих одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническим средствам и достигаемому результату является устройство для бездуговой коммутации электрических цепей [2], содержащее выводы для подключения источника питания, управляемый полупроводниковый ключ, например транзистор, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок, а подвижный контакт – с положительным выводом источника питания и эмиттером транзистора, база которого через резистор соединена с минусовым выводом источника питания, и четыре диода, включенные по схеме выпрямительного моста, входы которого подсоединены к выводам для подключения нагрузок, а выходы – к коллекторному переходу транзистора. Недостатки устройства – сложность, обусловленная наличием обоих выводов для подключения источника питания и необходимостью использования в коллекторной цепи транзистора силовых диодов, невысокая экономичность из-за постоянного потребления мощности цепью управления транзистором, низкие быстродействие и надежность, вызванные медленным процессом отключения цепей нагрузок, заканчивающимся только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и пассивным запиранием транзистора, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью использования в цепях, не допускающих одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения.

Технический результат предлагаемого изобретения – упрощение, повышение экономичности, быстродействия, надежности и расширение функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для бездуговой коммутации электрических цепей, содержащем вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа, – с подвижным контактом переключающей контактной группы, второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания, а ключи выполнены нормально открытыми с противоположным типом проводимости.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря соединению второго силового вывода первого ключа с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго нормально открытого ключа, имеющего тип проводимости, противоположный первому ключу, при подключении его первого силового вывода к подвижному контакту, а второго – к выводу для подключения источника питания, в устройстве достигается надежная быстродействующая бездуговая коммутация двух нагрузок одним вторым нормально открытым полупроводниковым ключом, включенным последовательно с контактами и управляемым непосредственно ими через маломощные выпрямительный диодный мост и первый ключ.

Достигнутое выполнение предлагаемого устройства на основе не требующего схемы отпирания нормально открытого второго полупроводникового ключа [3], соединенного последовательно с обоими – замыкающим и размыкающим – контактами переключающей контактной группы, и наличия электрической связи его управляющего электрода через первый ключ и диодный мост с неподвижными контактами позволяет:

– обеспечить надежное и эффективное, с расширенной областью безопасной работы (ОБР), запирание ключа типа “размыканием эмиттера” [4-7];

– исключить схему отпирания ключа и соответственно исключить потребление мощности управления, а также исключить второй вывод для подключения источника питания, через который осуществляется отпирание транзистора и, таким образом, упростить и повысить эффективность устройства;

– обеспечить быстрое отключение цепей нагрузок сразу же после размыкания контактов за счет приложения через маломощные диодный мост и первый ключ возникающего при размыкании контактов запирающего напряжения к управляющему входу ключа в отличие от медленного отключения цепей нагрузок у прототипа, осуществляемого только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и соответственно повысить быстродействие предлагаемого устройства и исключить недопустимое в ряде случаев одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения и, таким образом, расширить функциональные возможности.

Известно выполнение бездуговых устройств с использованием в качестве управляемого полупроводникового ключа нормально открытого ключа, соединенного последовательно с контактами [8, 9]. Однако известные устройства предназначены для бездуговой коммутации только одной нагрузки и, естественно, они решают задачу защиты от дуги одной контактной группы. Поэтому в случае введения в известные устройства второй контактной группы для обеспечения бездугового переключения двух нагрузок потребуется и введение второго силового полупроводникового ключа, в то время как в заявляемом устройстве используется всего один силовой полупроводниковый ключ.

На фиг.1 и 2 представлены варианты предложенного устройства для бездуговой коммутации цепей при использовании в качестве второго управляемого полупроводникового ключа соответственно нормально открытого n-канального тиристора со статической индукцией SITh [10-12] и нормально открытого n-канального транзистора со статической индукцией SIT-транзистора [13], а в качестве первого управляемого ключа соответственно нормально открытого р-канального полевого JFET-транзистора и р-n-р биполярного BJT-транзистора с подключенным к коллекторному переходу для обеспечения нормально открытого состояния ключа резистором, где приняты следующие обозначения:

1 – вывод для подключения источника питания;

2 – выпрямительный диодный мост;

3 – переключающая контактная группа;

4, 5 – вывода для подключения нагрузок;

6 – первый управляемый полупроводниковый ключ;

7 – второй управляемый полупроводниковый ключ;

8 – пороговый элемент;

9, 10 – резисторы;

11, 12 – нагрузки.

Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей содержит вывод для подключения источника питания 1, выпрямительный диодный мост 2, переключающую контактную группу 3, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами 4, 5 для подключения нагрузок и входами диодного моста, первый нормально открытый ключ 6, сток (коллектор) и затвор (база) которого соединены с выходами диодного моста, второй нормально открытый ключ 7 и пороговый элемент 8, в качестве которого используется стабилитрон. Пороговый элемент обеспечивает надежное запирание ключа 6 в статических положениях переключающей контактной группы в случае значительного разброса параметров элементов устройства. Для выполнения первого ключа 6 нормально открытым при реализации его на основе нормально закрытого BJT-транзистора параллельно коллекторному переходу включен высокоомный резистор 9. Резистор 10, включенный параллельно управляющему входу SIT-транзистора 7, обеспечивает, необходимую стабильность и устойчивость устройства. К устройству подключаются последовательно соединенные источник питания и нагрузки 11, 12.

Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей работает следующим образом.

В исходном состоянии к источнику питания подключена нагрузка 12, соединенная с выводом 5. Подключение нагрузки 12 к источнику питания осуществляется через последовательно соединенные нормально замкнутый контакт переключающей контактной группы 3 и нормально открытый n-канальный второй ключ 7. Ключ 7 открыт ввиду отсутствия на его управляющем электроде запирающего напряжения, подача которого предотвращается закрытым состоянием первого ключа 6, обеспечиваемым шунтированием последовательно соединенных управляющих входов обоих ключей 6, 7 и порогового элемента 8 нормально замкнутым контактом переключающей контактной группы 3 через входной диод моста 2. При этом нагрузка 11, соединенная с выводом 4, отключена от источника питания нормально открытым контактом переключающей контактной группы 3. В результате управляющего воздействия на подвижный контакт переключающей контактной группы 3 нормально замкнутые контакты начинают размыкаться и происходит расшунтирование последовательно соединенных управляющих входов ключей 6, 7 и порогового элемента 8, при этом первый ключ 6 открывается и подводит запирающее минусовое напряжение с выхода диодного моста 2 к управляющему электроду второго ключа 7, приводящее к его выключению. Тем самым, запирание второго ключа 7, происходящее сразу же после размыкания последовательно соединенных с ним нормально замкнутых контактов переключающей контактной группы 3, обеспечивает быстрое отключение от источника питания нагрузки 12 и защиту размыкаемых контактов от возникновения на них дуги отключения. При этом процесс выключения второго ключа 7 происходит аналогично процессу “размыканием эмиттера”, обеспечивающего расширенную ОБР ключа. Поскольку процесс выключения второго ключа 7 происходит быстро (обычно в течение не более микросекунды), то элементы в цепи его управления – диодный мост 2 и первый ключ 6, нагружаются только в импульсе на указанный незначительный промежуток времени, что позволяет выполнять их маломощными. После окончания перелета подвижного контакта переключающей контактной группы 3 и замыкания нормально разомкнутых контактов происходит новое шунтирование последовательно соединенных управляющих входов ключей 6, 7 и порогового элемента 8, приводящее к выключению первого ключа 6, включению второго ключа 7 и соответственно подключению к источнику питания нагрузки 11, соединенной с выводом 4.

Обратное переключение нагрузок происходит аналогично прямому переключению.

Предложенное техническое решение предполагается использовать в комбинированных реле напряжения, которые будут выпускаться ОАО “ВНИИР”.

Указанные преимущества предлагаемого устройства для бездуговой коммутации электрических цепей позволят применять его в системах автоматики низковольтных энергосистем, устанавливаемых как на стационарных, так и на подвижных установках и летательных аппаратах.

Источники информации

1. А.с. СССР № 1667169, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 06.07.87, опубл. 30.07.91.

2. А.с. СССР № 1667168, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 06.07.87, опубл. 30.07.91.

4. А.с. СССР № 1637019, кл. Н 03 К 17/60. Силовой транзисторный ключ с размыканием эмиттера, заявл. 02.03.89, опубл. 23.03.91.

5. А.с. СССР № 1624683, кл. Н 03 К 17/60, заявл. 11.11.88, опубл. 30.01.91.

8. Патент РФ № 1721653, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 22.06.89. опубл. 23.03.92.

9. Патент РФ № 2192682, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 05.07.2000, опубл. 10.11.2002.

13. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К.Розанова. – М.: Энергоатомиздат, 1998, С.392, 393.

Формула изобретения

1. Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей, содержащее вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа – с подвижным контактом переключающей контактной группы, отличающееся тем, что второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания, а ключи выполнены нормально открытыми с противоположным типом проводимости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй силовой вывод первого ключа соединен с управляющим входом второго ключа через пороговый элемент, например, стабилитрон.

РИСУНКИ