Электронный ключ с нормально замкнутыми и разомкнутыми контактами и с гальванической развязкой цепи управления

В статье описывается электронный ключ, выполненный на полевых транзисторах, и предназначенный для коммутации мощных нагрузок.Силовой электронный ключ на мощных полевых транзи­сторах предназначен для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. Коммутируемый ток, напряжение и сопротивление ключа в открытом состоянии определяются типом примененных поле­вых транзисторов и могут изменяться в пределах от единиц до тысячи ампер, от десятков до сотен вольт и от тысячных долей до единиц Ом. Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может состав­лять единицы киловольт.

Данное устройство является аналогом электромагнитного реле с одним контактом на переключение, но превосходящий аналог по максимальному числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, оно совместимо по управлению с логическими микросхемами. На рис.1 представлена принци­пиальная схема электронного репе на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Элек­тронное реле имеет «контакт на переключение». Транзисто­ры VT1, VT2 образуют «нормально разомкнутый» контакт, а транзисторы VT3 и VT4 «нормально замкнутый» контакт.

Устройство работает следующим образом. На микросхе­ме DA1 выполнен автогенератор (используется ИМС драй­вера полумоста для управления мощными полевыми транзи­сторами). В данном случае этот драйвер включен в качест­ве мостового инвертора. Напряжение питания этой микро схемы 10-15 В. Поскольку в ней между выв. 1 и выв. 4 вклю­чен стабилитрон на 15,6 В, то напряжение, превышающее эту величину, должно быть подано на вывод питания (выв. 1 DA1) через токоограничивающий резистор. 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 на него низкий уровень напряжения (лог. «0»), работу автогенератора можно остановить. Выходной сигнал ИМС DA1 представляет собой меандр (скважность 2).

Для предотвращения сквозного тока имеется защитная пауза между выходными импульсами длительностью 1, 2 мкс. При подаче переменного напряжения на трансформатор TV1 на его вторичной обметке наводится напряжение, которое после выпрямления мостом VD1 и сглаживания конденсато­ром С2, питает инвертирующий триггер DA2. Аналогично, на­пряжение со второй вторичной обмотки, после выпрямления мостом VD4 и сглаживания конденсатором С3, питает инвер­тирующий триггер DA3. Потребляемый генератором ток со­ставляет 25 мА.

Использование интегральных таймеров (DA2, DA3) в ка­честве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улуч­шить работу устройства. Как видно из рис.1, затворы транзи­сторов подключены к выводу 7 ИМС DA2 (DA3). В результа­те они шунтируют затворы полевых транзисторов напрямую к общему проводу при низком выходном напряжении (уровень лог. «0»), т.е. быстро разряжают входную емкость транзисто­ров VT1, VT2 (VT3.VT4) что улучшает помехоустойчивость. Да и сами триггеры DA2, DА3 имеют гистерезис входных напря­жений в 1/3Vcc и 2/3Vcc напряжения питания, что повышает помехоустойчивость.

Управление инвертирующим триггером осуществляется по выводам 2 и 6 микросхем DA2, DA3. Если на выводах 2 и 6 инвертирующего триггера DA2, DA3 низкий уровень на­пряжения, то на выходе 3 будет высокий уровень напряже­ния, который открывает полевые транзисторы VT1, VT2 (VT3, VT4) и нагрузки Rn1 и Rn2 получают питающее напряжение.

Если подать ток величиной 10…15 мА в цепь светодио­да U1.1 оптрона U1, то транзистор этого оптрона U1.2 будет открыт, и на выходе ИМС DA2 будет уровень лог. «1» и на нагрузку Rn1 будет подано питание («контакты» электронно­го ключа замкнутся).

Аналогично, если подать ток в цепь светодиода U1.3 оп­трона U1, то транзистор этого оптрона U1.4 будет открыт, на выходе ИМС DA3 будет уровень лог. «1», транзисторы VT3.VT4 будут закрыты и питающее напряжение перестанет поступать на нагрузку Rn2 («контакты» электронного ключа разомкнутся).

Светодиоды VD2, VD5 отображает работу электронных ключей. Если они светятся, то ключ включен и нагрузка под напряжением. В противном случае ключ выключен. Жела­тельно использовать яркие светодиоды.

Ток нагрузки проходит через открытый канал транзисто­ра VT1 (VT3) (защитный диод закрыт), открытый канал тран­зистора VT2 (VT4) и их защитные диоды (для случая когда на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А, ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 (VT3) и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2, VT4 (защитный диод закрыт). При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, меж­ду стоками транзисторов VT1-VT2 (VT3-VT4) необхо­димо установить TVS диод 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. В устройстве использован транс­форматор МИТ-4ВМ, который имеет три одинаковые по числу витков обмотки. Печатная плата устройства имеет размеры 51×76 мм её чертеж и расположение деталей на ней приведено на рис.2. Трансформатор TV1 можно намотать на ферритовом кольце К10x6x4,5 мм.

Первичная обмотка имеет 35 витков, а вторичные по 40 вит­ков провода МГТФ-0,07. Если ключ должен коммутировать линейное 3-фазное напряжение в 380 В, то транзисторы должны выдерживать 600 В амплитудного напряжения.

Для правильной работы устройства необходимо подать питание 12 В на автогенератор собранный на ИМС DA1, а также в нужный момент подавать ток в цепи светодиодов оп­трона U1.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж
Источник: Электрик №5/2016