Обзоры

Электронный переключатель. Переключатель полярности источника питания постоянного тока

Рассказать в:

Схема представляет собой автомат переключения полярности при нажатии на кнопку.

Где это может понадобиться? Да везде. Ну например, в каких-нибудь игрушках. Доехала машинка до стенки, нажалась кнопочка - машинка поехала обратно:) На самом деле, применений - куча. А устройство меж тем - чрезвычайно простое. Состоит всего из двух микросхем и нескольких развесных элементов.

Начнем сначала. То есть - с кнопочки.

Как вам, надеюсь, известно, все выключатели, кнопочки, реле и прочие элементы механической коммутации имеют очень неприятное свойство: "дребезг" контактов. Он выражается в том, что при замыкании пары контактов, ток через них начинает идти спокойно не сразу. Он сначала некоторое время "дребезжит" - совершает затухающие колебания. При размыкании контактов - та же беда.

Зачастую дребезг никто не замечает и не учитывает, поскольку для большинства схем он не представляет серьезных проблем. Но для нашей схемы это - настоящая проблема. Потому что при нажатии кнопки один раз, схема будет "думать", что кнопка была нажата несколько раз, что - ясен день - приведет к глюкам. Значит, надо с ним бороться.

Для борьбы с дребезгом в нашем устройстве предусмотрена хитрая схема на двух инвертерах микросхемы К561ЛН2, конденсаторе и двух резисторах. Не будем вникать в подробности его работы. Скажу только, что эта схема является триггером Шмидта с временной задержкой включения и выключения. Короче говоря, после этой схемы мы получаем красивые прямоугольные импульсы без всякого дребезга.

Эти красивые импульсы поступают на тактовый вход триггера DD2 (561ТМ2). По каждому фронту (перепаду из 0 в 1), триггер захлопывает состояние на входе D. Сигнал на вход D подается с инвертированного выхода этого же триггера.

Дальше все очень хитро. Допустим, что на инверсном выходе - 1. При очередном фронте, она захлапывается в триггер, следовательно - на прямом выходе триггера появляется "1", на инверсном - "0". Значит, при следующем фронте в триггер захлопнется уже ноль! При этом, на прямом выходе появится "0", на инверсном - снова "1" и процесс пойдет заново.

Таким образом, каждый фронт будет изменять состояние триггера на противоположное.

В принципе, мы уже имеем на выходах триггера изменение полярности при каждом нажатии на кнопочку. И если нагрузка маломощная - можно на этом и остановиться и повесить ее прямо на выходы микросхемы. Однако, лучше не перегружать микросхему по току, а поставить на ее выходы самые обычные усилители на транзисторах. Точнее - драйвера.

Драйвер - это буферный усилитель, который усиливает по току цифровой сигнал.

В принципе - этого то нам и нужно. На каждый выход триггера мы поставим по одному драйверу. Каждый драйвер состоит из двух транзисторов разной проводимости. Когда на вход драйвера поступает положительное напряжение - открыт NPN-транзистор, когда отрицательное - PNP. В нашу схему я поставил транзисторы КТ502 и КТ503 (PNP и NPN соответственно). Эти транзисторы запросто выдержат токи до 100 мА. Что? Вам нужно больше? Ну ладно! Можете поставить транзисторы помощнее.

Полезная модель «Переключатель полярности источника питания постоянного тока» относится к области электронной бесконтактной коммутации и может быть использована при производстве гальванических покрытий, в электроприводах постоянного тока, в термоэлектрических устройствах нагрева-охлаждения.

Задача полезной модели - упрощение схемы управления и защиты от сквозных токов силовых ключей с оптической развязкой, объединенных в мостовую схему, состоящую из двух параллельно включенных пар последовательно соединенных полевых транзисторов, а также уменьшение габаритов за счет снижения потерь на тепловыделение.

Для достижения технического результата в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными полевыми транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки транзисторов с однотипными каналами соединены друг с другом и клеммами подключения источника питания, истоки транзисторов с разнотипными каналами соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.

Полезная модель относится к области электронной бесконтактной коммутации и может быть использована, например, в электроприводах постоянного тока, при производстве гальванических покрытий, в термоэлектрических устройствах нагрева-охлаждения, то есть в тех случаях, когда для нормального функционирования электрических устройств или технологических процессов необходимо переключение полярности питающего напряжения.

Известен реверсивный переключатель, содержащий мостовую схему на четырех силовых транзисторах разной проводимости и схему предотвращения сквозных токов, содержащую четыре дополнительных транзистора, два диода, четыре резистора и группу логических элементов «и» (Патент RU 2140128, С1, кл Н03К 017/66, 2001 г.). Однако этот переключатель эффективно работает лишь на индуктивную нагрузку, что не позволяет использовать его, например, в термоэлектрических устройствах.

В качестве прототипа принято твердотельное реле «Модуль силовой полумоста с оптической развязкой 5П64.GD», выпускаемый ЗАО «Протон-Импульс» г.Орел (описание модуля прилагается в разделе «Другие документы»). Данный модуль содержит одну пару из двух соединенных последовательно IGBT транзисторов, затворы которых подключены к схеме управления и защиты, соединенной через оптроны со схемой входной логики, подключаемой к выходным цепям микропроцессора. Для работы в качестве переключателя полярности источника постоянного напряжения необходимо использование двух таких модулей путем параллельного соединения одноименных клемм коммутируемого источника.

Недостатками прототипа являются сложность схем управления силовыми ключами и их защиты от сквозных потоков, а так же большие потери на рассеиваемую тепловую мощность, в результате чего необходимо использование достаточно громоздких теплоотводящих радиаторов.

Задача полезной модели - упрощение схемы управления и защиты силовых транзисторов от сквозных токов и уменьшение габаритов за счет снижения тепловой мощности, отводимой от транзисторов.

Технический результат достигается тем, что объединенные в мостовую схему две параллельно включенные пары из двух используемых в качестве силовых ключей последовательно соединенных полевых транзисторов, затворы которых через оптроны соединены с цепями управления, подключаемыми к выходным цепям управляющего микропроцессора, согласно полезной модели, отличаются тем, что в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки полевых транзисторов с однотипными каналами соединены в каждой паре друг с другом и с клеммами подключения источника питания, истоки полевых транзисторов с разнотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема переключателя, а на фиг.2 - фотография опытного образца полезной модели.

Переключатель содержит подключенные к клеммам 1 источника питания две параллельно включенные пары, каждая из которых состоит из двух встречно-последовательно соединенных МДП транзисторов с индуцированными каналами n-типа и p-типа.

Одна пара образована транзистором 2 с каналом n-типа и транзистором 3 с каналом p-типа, другая пара - транзистором 4 с каналом n-типа и транзистором 5 с каналом p-типа. Стоки полевых транзисторов 2 и 4 с однотипными каналами, соединены друг с другом и подключены к минусовой клемме источника питания, соответственно стоки транзисторов 3 и 5 соединены друг с другом и подключены к плюсовой клемме источника питания. Истоки полевых транзисторов 2, 3 и соответственно, транзисторов 4, 5 соединены друг с другом и клеммами 6 подключения нагрузки, а затворы этих транзисторов соединены с выходными цепями оптронов 7, 8, 9, 10, входные цепи которых через ограничительные резисторы 11 и диоды 12 соединены встречно-параллельно друг с другом и клеммами 13 управления переключателем.

Полезная модель работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда на шины управления с клемм 13 от управляющего микропроцессора не подано напряжение включения светодиодов оптронов 7, 8, 9, 10, силовые транзисторы 2, 3, 4, 5 закрыты и следовательно, нагрузка, подключенная к клеммам 6, отключена от источника питания, соединенного с клеммами 1.

При подаче положительного управляющего напряжения на одну из шин клемм 13, например, на верхнюю по фиг.1 шину, срабатывают оптроны 7 и 10 и открываются транзисторы 2 и 5, осуществляя тем самым подключение нагрузки к источнику; при этом плюсовая клемма 1 источника питания оказывается подключенной к правой (по фиг.1) клемме 6 нагрузки, и соответственно, минусовая клемма 1 источника питания будет подключена к левой по схеме клемме 6 нагрузки. При подаче управляющего напряжения на нижнюю шину клемм 13 аналогичным образом сработают оптроны 8 и 9, откроются транзисторы 3 и 4, в результате чего полярность источника питания к клеммах 6 нагрузки реверсируется.

Благодаря встречно-параллельному соединению входных цепей оптронов 7, 8, 9, 10 через диоды 12 и резисторы 11 с шинами управления при сбое управляющего микропроцессора, когда на обоих шинах управления могут появиться положительные сигналы, входные токи всех оптронов становятся равными нулю, что приводит к отключению нагрузки от источника питания. Появление на «нулевой» шине управления импульсной помехи положительной полярности с амплитудой, равной или превышающей амплитуду сигналов управления, либо появление на работающей шине управления импульсной помехи отрицательной полярности с соответствующей амплитудой, также приводят к кратковременному (на время длительности импульса помехи) отключению нагрузки от источника питания. При этом резисторы 11 ограничивают входной ток светодиодов оптронов 7, 8, 9, 10 от положительных импульсов помех с амплитудой, превышающей напряжение управления, а диоды 12 обеспечивают защиту указанных светодиодов при наличии импульсных помех отрицательной полярности с амплитудой, превышающей допустимые значения обратных напряжений этих светодиодов. Аналогичным образом примененная в полезной модели мостовая схема из последовательно соединенных транзисторов 2, 3 и 4, 5 с разнотипными каналами обеспечивает эффективную защиту от сквозных токов при воздействии на затворы этих транзисторов импульсных помех, наводимых на цепи источника питания. Если все транзисторы 2, 3, 4, 5 закрыты (нагрузка отключена от источника питания), импульсные помехи положительной полярности могут вызывать одновременное открывание транзисторов 2 и 4 и при этом одновременное приращение напряжения закрывания закрытых транзисторов 3 и 5, при этом нагрузка остается отключенной от источника питания. Аналогично при воздействии импульсных помех отрицательной полярности открываются транзисторы 3 и 5 и остаются закрытыми транзисторы 2 и 4. Если же нагрузка подключена к источнику питания, т.е. открыты транзисторы 3 и 4, либо 2 и 5, то импульсная помеха любой полярности может вызывать только закрытие соответствующего открытого транзистора, что приведет к кратковременному на время длительности импульса помехи отключению нагрузки, не приводящему к ухудшению функционирования инерционных процессов или устройств, упомянутых в области использования данной полезной модели.

Применение в качестве силовых ключей полевых транзисторов со сверхнизким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, выполненных с HEXFET структурой кристалла и получивших название MOSFET-транзисторов, позволяет уменьшить энергетические потери и исключить использование в полезной модели громоздких теплоотводящих радиаторов (описание «Новые MOSFET транзисторы семейства IRFP4» прилагается в разделе «Другие документы»). Например, при использовании транзисторов NP100 (транзисторы 3, 5) и транзисторов IRF1404 (транзисторы 2, 4), имеющих сопротивление в открытом состоянии 0,004 Ом при токе нагрузки 20 А, падение напряжения на одном транзисторе составит 0,004×20=0,08 В, а мощность тепловыделения не превысит 0,08В×20А=1,6 Вт, в то время как допустимая тепловая мощность при работе этих транзисторов без радиаторов составляет 2 Вт. Для сравнения отметим, что тепловая мощность, выделяемого прототипом при коммутации постоянного тока 20 А составит (см. прилагаемую техническую характеристику) 3,2В×20А=64 Вт. При этом габариты двух объединенных в мостовую схему полумостов прототипа составят, мм 150×93×42, в то время, как габариты опытного образца полезной модели, представленного на фиг.2, имеют размеры 90×60×18 (мм).

Как видно из фиг.2, высота полезной модели определяется высотой клеммников 1 и 6. Силовые транзисторы полезной модели смонтированы на теплоотводящих участках печатной платы, что позволяет переключать токи до 40 А с допустимой рабочей температурой транзисторов. При установке на этих участках радиаторов, не увеличивающих высоту полезной модели, последняя обеспечивает коммутацию токов до 100 А.

Таким образом, преимуществами заявляемой по сравнению с прототипом полезной модели являются более простая и следовательно, более надежная схема управления и защиты силовых транзисторов от сквозных токов, меньшие потери на тепловыделение, и как следствие этого, более компактная конструкция.

Переключатель полярности источника питания постоянного тока, содержащий объединенные в мостовую схему две параллельно включенные пары из двух используемых в качестве силовых ключей последовательно соединенных транзисторов, затворы которых через оптроны соединены с цепями управления, подключаемыми к выходным цепям управляющего микропроцессора, отличающийся тем, что в качестве силовых ключей применены полевые транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии, причем каждая из параллельно включенных пар образована двумя встречно-последовательно соединенными транзисторами с каналами n-типа и p-типа, стоки полевых транзисторов с однотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения источника питания, истоки полевых транзисторов с разнотипными каналами в каждой паре соединены друг с другом и с клеммами подключения нагрузки, а входные цепи развязывающих оптронов через диоды и ограничительные резисторы соединены встречно-параллельно друг с другом и с клеммами управления переключателем.

Схема представляет собой автомат переключения полярности при нажатии на кнопку.

Начнем сначала. То есть - с кнопочки.

Таким образом, каждый фронт будет изменять состояние триггера на противоположное.

Драйвер - это буферный усилитель, который усиливает по току цифровой сигнал.

Мощные электронные MOSFET переключатели являются одним из основных узлов в бытовой и специальной электронике и могут быть полезны для осуществление контроля больших нагрузок постоянного тока, без использования сильноточных выключателей, у которых со временем подгорают и изнашиваются контакты. Как известно, полевые MOSFET транзисторы способны работать с очень большими напряжениями и токами. Что сильно востребованно для соединения нагрузок в различной силовой цепи.

Схема электронного переключателя

Эта схема позволяет легко переключать низкими импульсами напряжения (5 В) для управления большой нагрузкой постоянного тока. Мощность указанного по схеме MOSFET транзистора подходит для того, чтоб выдерживать напряжения и токи до 100 В, 75 А (для NTP6411). Этот электронный переключатель может использоваться вместо реле в модулях вашего автомобиля.

Обычный выключатель или импульсный вход может быть использован для активации транзистора. Выбрать метод ввода можно установив перемычку на соответствующей стороне. Импульсный вход, вероятно, будет наиболее полезен. Схема была спроектирована для использования с 24 В, но она может быть адаптирована для работы с другими напряжениями (испытания прошли нормально и при 12V). Переключатель должен также работать с другими N-канальными МОП-транзисторами. Защитный диод D1 включен для предотвращения скачков напряжения от индуктивных нагрузок. Светодиоды обеспечивают визуальную индикацию состояния транзистора. Винтовые клеммы позволяют подключать устройство в разные модули.

Выключатель после сборки был протестирован в течении суток совместно с электромагнитным клапаном (24 В / 0,5 А) и транзистор был прохладным на ощупь даже без радиатора. В общем эту схему можно рекомендовать для самых широких областей применения - как светодиодным освещением, так и в автоэлектронике, на замену обычным электромагнитным реле.