В статье описывается силовой электронный ключ на мощных полевых транзисторах, предназначенный для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. Коммутируемый ток и напряжение определяются типом примененного полевого транзистора и могут изменятся от 1 до 1000 А, и от 10 до 500 В.
Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может составлять единицы киловольт. Данный ключ является аналогом электромагнитного реле с контактами на замыкание, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами.
Работа устройства
На микросхеме DA1 выполнен автогенератор (это драйвер полумоста для управления мощными полевыми транзисторами). В данном случае этот драйвер включен в качестве мостового инвертора. Напряжение питания этой микросхемы 10-15 В, поскольку в ней между выв. 1 и выв. 4 включен стабилитрон на напряжение 15,6 В, то напряжение превышающее эту величину должно быть подано на выводы 1 и 8 ИМС через токоограничивающий резистор (см. рисунок). Если напряжение питания будет ниже 10 В, то микросхема DA1 выключается.
Нагрузочная способность микросхемы DA1 составляет 250 мА. Управление работой автогенератора можно осуществить по выв. 3. Подавая низкий уровень напряжения (логический 0), работу автогенератора останавливают. Выходной сигнал представляет собой меандр (скважность 2). Для предотвращения сквозного тока имеется защитная пауза 1,2 мкс. При подаче переменного напряжения на трансформатор TV1 на его вторичной обмотке наводится напряжение, которое после выпрямления мостом VD1 и сглаживания конденсатором С2 питает инвертирующий триггер DA2. Использование интегрального таймера DA2 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из рисунка, затворы транзисторов подключены к выводу 7 ИМС DA2. В результате, при выключении ключа, затворы напрямую подключаются к общему проводу, что позволяет быстро разряжать входную емкость транзисторов VT1, VT2, и улучшает помехоустойчивость. Да и сама ИМС DA2 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3 и 2/3 от величины напряжения питания.
Управление инвертирующим триггером осуществляется по выводу 4 микросхемы DA2. Пороговое напряжение на этом выводе около 0,45 В. Установить уровень входного напряжения на выв. 4 можно с помощью подстроенного резистора R3. Превышение входным напряжением порогового напряжения, включает инвертирующий триггер, а снижение входного напряжения ниже порогового — отключает триггер. Если триггер DA2 получает питание и его уровень достаточный для превышения порогового напряжения, то вследствие того, что на выводах 2 и 6 инвертирующего триггера DA2 низкий уровень напряжения, а выходе 3 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1, VT2 и нагрузка получает питание.
Если же напряжение питания триггера DA2 мало (нет превышения порогового значения), то на его выходе нет управляющего напряжения для полевых транзисторов VT1, VT2 и они закрыты (нагрузка ключа не получает питания). Таким образом, обеспечиваются крутые фронт и спад управляющего сигнала для полевых транзисторов.
Светодиод VD2 отображает работу электронного ключа. Если он светится, то ключ включен и нагрузка под напряжением. В противном случае ключ выключен. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1, открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая когда на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (защитный диод закрыт). При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить VD3 типа 1,5КЕ440СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Данный электронный ключ способен коммутировать как постоянный, так и переменный ток. Качество гальванической развязки между цепями управления и силовой зависит от импульсного трансформатора TV1. Хорошие результаты показывают трансформаторы серии МИТ.
Потребляемый DA1 ток составляет 9 мА. Печатная плата имеет размеры 52×50 мм. Трансформатор TV1 можно намотать на ферритовом кольце К16х8х6 мм. Первичная обмотка имеет 35 витков, а вторичная 50 витков провода МГТФ — 0,07. Резистор R2 мнопооборотный типа СП3-39А, он поставлен на плату вертикально.
Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж
