Патент на изобретение №2156997

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЖИМА НАСЫЩЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано для контроля насыщения силовых транзисторных ключей (СТК) на биполярных транзисторах. Способ основан на подаче и регулировании тока от источников питания силовой цепи и цепи управления транзисторного ключа. Одновременно с подачей в цепь управления ТК постоянного тока производят регулируемую подачу в цепь управления переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока с минимально возможной амплитудой, обеспечивающей надежное выделение этой составляющей на фоне шумов. Измеряются суммарные переменные составляющие тока в цепи управления и силовой цепи ТК, и производится сравнение отношения последних с опорной величиной, равной отношению напряжений источников питания в силовой цепи и цепи управления, и по полученному результату судят об обеспечении режима насыщения. Технический результат: способ позволяет оперативно контролировать смещение рабочего режима транзисторного ключа в сторону ключевого или активного от точки, принятой за границу между ключевым и активным режимами, выявлять даже кратковременный выход СТК, в процессе работы последнего, из режима насыщения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля обеспечения режима насыщения транзисторного ключа – основного элемента при разработке высокоэффективной силовой бесконтактной защитно-коммутационной аппаратуры. Предложенное решение возможно использовать также при изучении и учете воздействия различных влияющих факторов, например, излучения космического пространства, на аппаратуру, содержащую транзисторы, работающие в ключевом режиме.

Известны способы контроля режима насыщения транзисторного ключа, заключающиеся в подаче от соответствующих источников питания токов в силовую цепь и цепь управления транзистора ключа, изменении тока в силовой цепи таким образом, чтобы транзистор находился в ключевом режиме и переходил в активный режим, и по резкому увеличению падения напряжения на ключе судят о границе между ключевым режимом и активным режимом. Этот способ широко описан в литературе, в соответствующих учебниках и учебных пособиях, например: О.А. Коссов “Усилители мощности на транзисторах в режиме переключения” Энергия, М., 1971 на стр. 31- 32.

Недостатком такого способа является использование косвенного параметра (величина падения напряжения на транзисторном ключе) для контроля режима насыщения транзисторного ключа. Использование косвенного параметра не позволяет обеспечить высокую точность контроля. Необходимо отметить, что ключевой режим работы транзисторов является основным режимом работы транзисторов в защитно-коммутационной аппаратуре. Информация об обеспечении режима насыщения транзисторного ключа, а также подтверждение выполнения этого режима в широком диапазоне температур, напряжений питания, воздействия проникающей радиации и т.д. крайне необходимы для разработчиков аппаратуры и контроля качества выпускаемой продукции.

Сведения такого характера часто необходимо получать экспериментальным путем, особенно при подтверждении запасов по работоспособности электронной аппаратуры в экстремальных условиях при проведении различных испытаний.

Способ контроля режима насыщения транзисторного ключа, основанный на подаче и регулировании токов от источников питания силовой цепи и цепи управления транзисторного ключа, измерении токов в силовой цепи и цепи управления, измерении напряжений в силовой цепи и цепи управления, определении соотношения токов и сравнении полученного результата с опорной величиной позволяет избежать указанного недостатка. Опорной величиной каждый раз является результат предыдущего измерения. В результате, методом последовательных приближений способ позволяет определить точку управления, когда сумма мощностей, рассеиваемых в силовой цепи и цепи управления транзисторного ключа, достигает минимума. Этот способ, принятый авторами за прототип, позволяет контролировать коэффициент усиления транзистора в ключевом режиме, соотношение тока управления и тока нагрузки и, соответственно, контролировать режим насыщения транзисторного ключа. Описание способа приведено и подробно изложено в сборнике “Электронная техника в автоматике” 15 под ред. Ю.И. Конева, М. , Энергия, 1984 в статье Г.М. Веденеева и др. “Коэффициент передачи тока транзистора в режиме насыщения”. Способ позволяет определить соотношение тока управления и тока нагрузки транзисторного ключа, при котором обеспечивается режим насыщения транзисторного ключа. Ввиду того, что контроль проводится с учетом ряда параметров, позволяющих непосредственно судить о режиме насыщения транзисторного ключа, предложенный в статье способ отличается существенно более высокой точностью, поскольку не подвержен влиянию таких факторов, как изменение характеристик силовых транзисторов, температура окружающей среды и т.д.

Недостатком такого способа контроля являются его низкая оперативность, поскольку требуется измерить токи и напряжения в силовой цепи и в цепи управления транзистора, определить мощности, рассеиваемые в этих цепях, суммарную мощность, рассеиваемую на ключе. Сравнение полученной величины с опорной, которой является результат предыдущего измерения, что требует также выполнения операции запоминания, и регулирование тока во входной цепи транзистора до уровня, когда рассеиваемая на транзисторе мощность имеет минимальную величину, производится многократно, что и обуславливает низкую оперативность способа. Необходимо также отметить, что при проведении контроля режима насыщения транзисторного ключа в составе автоматических систем, где ток управления формируется автоматически, по внутреннему алгоритму, использование данного способа становится затруднительно или вообще невозможно. Способ удобен для проведения лабораторных исследований и экспериментов, но при проведении контроля режима насыщения транзисторного ключа в заводских условиях, где требуется высокая производительность, способ неприменим.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение оперативности процесса контроля.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля режима насыщения транзисторного ключа, основанном на подаче и регулировании токов от источников питания силовой цепи и цепи управления транзисторного ключа, определении соотношения токов и сравнении полученного результата с опорной величиной, в отличие от известного, в цепь управления, наряду с подачей постоянного тока, производят регулируемую подачу переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока, производят измерение отношения переменных составляющих токов в цепи управления и силовой цепи в контролируемом диапазоне токов силовой цепи транзисторного ключа, сравнивают с опорной величиной, равной отношению напряжений источников питания в силовой цепи и цепи управления, и по полученному результату судят об обеспечении режима насыщения.

На чертеже приведена электрическая схема установки, реализующая предложенный способ. Для сравнения с прототипом приведена схема установки, также предназначенной для проведения измерений вручную.

На чертеже обозначены:
1 – источник питания цепи управления,
2 – диод,
3 – регулятор (резистор), обеспечивающий регулирование тока в цепи управления транзисторным ключом,
4 – транзистор,
5 – датчик суммы токов силовой цепи и цепи управления,
6 – электрическая нагрузка транзисторного ключа,
7 – амперметр для измерения тока, потребляемого от источника 7 в цепи нагрузки,
8 – источник питания силовой цепи,
9 – конденсатор,
10 – резистор,
11 – переменный резистор,
12 – источник переменного напряжения с высоким выходным сопротивлением,
13 – датчик переменного тока в цепи управления,
14 – конденсатор,
15 – конденсатор,
16 – операционный усилитель (компаратор),
17 – вольтметр.

Транзисторный ключ состоит из последовательно соединенных по контуру управления следующих элементов: источника питания цепи управления 1, диода 2, регулятора 3 (переменного резистора), обеспечивающего регулирование тока в цепи управления транзисторным ключом, силового транзистора 4 и датчика тока в силовой цепи 5. На чертеже указанные элементы обведены пунктирной линией.

Силовая цепь транзисторного ключа (транзистор 4 и датчик тока 5) включена в контур тока нагрузки, где последовательно включены: нагрузка транзисторного ключа 6, амперметр 7, источник питания силовой цепи 8.

Цепь формирования переменного напряжения собрана на последовательно соединенных: датчике тока 13, генераторе переменного напряжения 12, параллельно соединенных резисторах 10 и 11, конденсаторе 9. Выход датчика переменного тока цепи управления 13 через конденсатор 15 соединен с одним входом операционного усилителя, а выход датчика суммы токов силовой цепи и цепи управления соединен с другим входом операционного усилителя 16. Выход операционного усилителя 16 через вольтметр 17 соединен с выходом генератора 12.

Схема, приведенная на чертеже, в целях ее упрощения не содержит ряд второстепенных элементов, которые не имеют отношения к объяснению принципов работы способа, например, источники питания операционного усилителя, различные элементы, корректирующие работу операционного усилителя, различные фильтры в цепях источников питания. Элементы, необходимые для обеспечения устойчивой работы компаратора на операционном усилителе, и схемы их подключения приведены в соответствующей справочной литературе по применяемым типам микросхем.

Контроль режима насыщения транзисторного ключа производится следующим образом. От источника напряжения 1 с величиной напряжения E1, через диод 2 и регулятор (переменный резистор 3) подается ток в цепь управления транзистора 4. Величина тока регулируется резистором 3. (Величина тока управления определяется внутренней схемой транзисторного ключа и регулируется по внутренним алгоритмам управления транзисторного ключа. На чертеже регулятор тока управления показан схематично в виде регулируемого сопротивления 3. Оператор, который производит контроль, не вмешивается в процесс формирования тока управления. Ток, потребляемый от источника питания силовой цепи 8 с величиной напряжения E2, при протекании которого и производится контроль режима насыщения транзисторного ключа, задается выбором номинала резистора 6 и контролируется амперметром 7. Резистор 5 является датчиком тока в силовой цепи транзисторного ключа.

Источник переменного напряжения 12 обеспечивает подачу в цепь управления транзисторного ключа переменного тока в 100 и более раз меньше величины тока, потребляемого от источника 1. Необходимо отметить, что, например, увеличение размаха колебаний переменного тока более амплитуды подаваемого в цепь управления постоянного тока от источника 1 может вызывать запирание транзисторного ключа в некоторые моменты времени, что приводит не только к невозможности осуществления контроля, но и нарушению нормальной работы транзисторного ключа. Кроме того, увеличение амплитуды тока, потребляемого от источника переменного напряжения 12, приводит к соответствующему увеличению электропотребления от этого источника, возникновению высокого уровня помех в цепи нагрузки транзисторного ключа. Нижний предел амплитуды подаваемого переменного тока определяется уровнем шумов транзистора, на фоне которых еще возможно осуществить надежное выделение переменной составляющей.

Грубое регулирование величины переменного тока, подаваемого в цепь управления транзисторного ключа, осуществляется параллельно соединенными резисторами 10 и 11. Дальнейшее регулирование переменной составляющей тока управления в процессе проведения контроля осуществляется регулятором 3. Закон управления, который выполняется регулятором 3, в данном случае, не имеет существенного значения, поскольку он будет оказывать влияние как на переменную, так и на постоянную составляющую тока управления.

В самом общем случае роль регулятора тока управления 3 в транзисторном ключе могут выполнять регуляторы тока различных типов, выполняющие функцию регулирования тока управления по току нагрузки в силовой цепи транзисторного ключа, например, по падению напряжения на силовых электродах транзисторного ключа или основанные на ином принципе. Контроль обеспечения режима насыщения транзисторного ключа сводится к подтверждению того, что во всем требуемом диапазоне токов нагрузки транзисторного ключа обеспечивается необходимое насыщение последнего.

Таким образом, в цепь управления, наряду с подачей постоянного тока производят регулируемую подачу переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока.

Операционный усилитель 16 сравнивает переменные составляющие напряжений, наводимые токами в цепи управления и силовой цепи на резисторах 13 и 5. Конденсаторы 14 и 15 служат в качестве фильтра для переменных составляющих напряжений.

Резистором 6 обеспечивают установку требуемого тока нагрузки, при котором необходимо контролировать режим насыщения транзисторного ключа. В общем случае, в качестве резистора 6 может быть использован нагрузочный реостат, позволяющий изменять ток нагрузки в заданных пределах, что обеспечивает проведение контроля не только при фиксированной нагрузке транзисторного ключа, как в случае использования постоянного проволочного резистора, но и во всем диапазоне допустимых токовых нагрузок транзисторного ключа.

Контроль режима насыщения транзисторного ключа производится следующим образом. Силовую цепь транзисторного ключа через нагрузку 6, амперметр 7 подсоединяют с источником напряжения 8 в соответствии с чертежом. B цепь управления транзисторного ключа производят подачу переменного тока с амплитудой меньше амплитуды постоянного тока. Первоначальная регулировка амплитуды переменного тока производится потенциометром 11 и постоянным резистором 10. При этом происходит смешивание токов от двух источников: источника напряжения 1 и источника переменного напряжения 12. Дальнейшее регулирование тока в цепи управления осуществляется внутренним регулятором тока транзисторного ключа. Увеличение или уменьшение постоянной составляющей тока приводит, соответственно, к синхронному регулированию и переменной составляющей тока.

Переменные составляющие токов в цепи управления и силовой цепи транзисторного ключа вызывают соответствующие падения напряжения на датчиках тока 5 и 13. Конденсаторы 14 и 15 обеспечивают фильтрацию переменных составляющих напряжений, которые поступают на входы операционного усилителя 16 отдатчиков тока.

Момент перехода через точку оптимального насыщения контролируется вольтметром 17, что происходит, когда отношение переменных составляющих токов в силовой цепи и цепи управления равно отношению напряжений источников питания. В этом случае, если величина переменного напряжения, падающего на датчике тока в силовой цепи 5 больше величины переменного напряжения, падающего на датчике тока в цепи управления 13, то выходное напряжение операционного усилителя 16 будет иметь ту же фазу, что и напряжение генератора 12. Следовательно, напряжение, показываемое вольтметром 17, будет иметь минимальную величину, близкую к нулю. Если величина переменного напряжения, падающего на датчике тока в силовой цепи 5, меньше величины переменного напряжения, падающего на датчике тока в цепи управления 13, то выходное напряжение операционного усилителя 16 будет иметь фазу, противоположную фазе напряжения генератора 12. Следовательно, напряжение, показываемое вольтметром 17, будет иметь максимальную величину. При амплитуде напряжении генератора в диапазоне 0 – 10 В и выходном напряжении операционного усилителя 10 В, показания вольтметра будут составлять 0 и 20 В, соответственно, что достаточно для уверенного считывания показаний.

Изменяя резистором 6 ток в цепи нагрузки и контролируя показания вольтметра 17, можно контролировать режим насыщения транзисторного ключа во всем допустимом диапазоне нагрузки.

Использование предлагаемого способа предполагает, что граница режима оптимального насыщения транзисторного ключа проходит через точку, где коэффициент усиления по мощности для транзисторного ключа становится равным единице. Если обозначить через J_у~ приращение тока управления, а через J_н~ соответствующее приращение тока нагрузки, вызываемое J_у~, то точка границы режима насыщения транзисторного ключа будет определяться соотношением E1 J_у~ = E2 J_н~, что соответствует режиму, где изменение величины мощности потребляемой по цепи управления приводит к равному приращению мощности в цепи нагрузки. Смещение рабочей точки транзисторного ключа путем увеличения тока управления приводит к переходу транзистора в ключевой режим, где увеличение тока управления не вызывает заметного увеличения тока в цепи нагрузки. Соответственно, смещение рабочей точки транзисторного ключа путем уменьшения тока управления вызывает переход транзистора в активный режим, где небольшое изменение тока управления приводит к значительным изменениям тока в цепи нагрузки.

Компаратор, выполненный на операционном усилителе 16, позволяет определить область, в которой работает транзисторный ключ (относительно границы режима оптимального насыщения транзисторного ключа). Настройка компаратора (путем подбора соотношения величин сопротивлений датчиков тока 5 и 13) производится исходя из того, чтобы срабатывание компаратора происходило при соотношении величин токов:
J_у~/J_н~=E2/E1, (1)
Обозначим E2/E1=k, тогда J_у~/J_н~=k.

Поскольку в данной схеме датчик тока 5 установлен в цепи эмиттера транзистора, на котором выполнен ключ, то переменное напряжение на этом датчике тока представляет собой сумму падений напряжений от токов нагрузки и тока управления.

Обозначим J_у~ + J_н~ = J_5~, где J_5~ – переменная составляющая тока, протекающего через датчик тока 5. В этом случае уравнение (1) преобразуется в J_у~/ (J_5~ – J_у~) = k, откуда J_у~/J_5~ = k/(k+1), т. e. при данном варианте схемы контроля выполнение условия (1) достигается путем настройки компаратора, сравнивающего переменные составляющие токов, протекающих через датчики тока 13 и 5 в соотношении k/(k+1), где k – отношение напряжений источников питания силовой цепи и цепи управления. Данная настройка уровня срабатывания компаратора может быть обеспечена путем выбора соответствующего соотношения величин сопротивлений датчиков тока 13 и 5.

Результат контроля может быть определен исходя из показаний вольтметра 17. Если во всем диапазоне токов нагрузки транзисторного ключа, который устанавливается регулированием величины сопротивления нагрузки, выходное напряжение вольтметра имеет низкую выходную величину, то степень насыщения транзисторного ключа достаточна, поскольку J_у~/J_н~ > E2/E1. Процесс контроля может быть легко автоматизирован, поскольку для выявления факта недостаточности насыщения транзисторного ключа достаточно выявить лишь наличие высокого уровня напряжения на выходе компаратора во всем диапазоне токов нагрузки транзисторного ключа или каком-либо участке этого диапазона.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает более высокую оперативность процесса контроля по сравнению с прототипом, поскольку вместо большого количества операций (измерение тока и напряжения цепи управления транзистора, определение мощности, рассеиваемой во входной цепи транзистора, измерение тока и напряжения в силовой цепи транзистора, определение мощности, рассеиваемой в силовой цепи транзистора, сложение величин этих мощностей и регулирование тока, подаваемого в цепь управления, до величины, когда указанная сумма мощностей будет иметь минимальное значение, что требует многократного проведения измерения и запоминания результатов) используется меньшее количество более простых операций (подача и регулировка переменного тока в цепи управления и сравнение соотношения переменных составляющих тока в цепи управления и цепи нагрузки с опорной величиной, заранее заданной). Эта особенность позволяет обеспечить контроль силовых транзисторных ключей в процессе их производства в реальном масштабе времени, в отличие от имеющегося способа. Простота реализации операций способа и их последовательности позволяет автоматизировать процесс контроля, обеспечивая контроль транзисторных ключей в процессе их производства.

Кроме того, упрощение аппаратурной реализации способа позволяет снизить затраты на аппаратуру измерения, сократить затраты на наладку и обслуживание аппаратуры, требует менее квалифицированного персонала.

Формула изобретения

Способ контроля режима насыщения транзисторного ключа, основанный на подаче и регулировании токов от источников питания силовой цепи и цепи управления транзисторного ключа, определения соотношения токов, и сравнения полученного результата с опорной величиной, отличающийся тем, что в цепь управления, наряду с подачей постоянного тока, производят регулируемую подачу переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока, производят измерение отношения переменных составляющих токов в цепи управления и силовой цепи в контролируемом диапазоне токов силовой цепи транзисторного ключа, сравнивают с опорной величиной, равной отношению напряжений источников питания в силовой цепи и цепи управления, и по полученному результату судят об обеспечении режима насыщения.

РИСУНКИ

QA4A Сведения о заявлении обладателя патента Российской Федерации на изобретение о предоставлении любому лицу права на использование изобретения (открытая лицензия)

(54) Способ контроля режима насыщения транзисторного ключа

Номер и год публикации бюллетеня: 1-2004

Номер и год публикации бюллетеня: 27-2000

(73) Патентообладатель:

ОАО “Ракетно-космическая корпорация “Энергия” им. С.П. Королева”

Адрес для переписки:

141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина, 4-а

Извещение опубликовано: 10.01.2004