Електронен превключвател на полярността - Проекти с проста сложност - Схеми за начинаещи. Бутон за превключване на полярността на захранването с постоянен ток

Полезният модел „Превключвател на полярността за източник на постоянен ток“ принадлежи към областта на електронното безконтактно превключване и може да се използва в производството на галванопластика, в електрически задвижвания с постоянен ток и в термоелектрически устройства за отопление и охлаждане.

Целта на полезния модел е да опрости веригата за управление и да защити срещу преминаващи токове на силовите ключове с оптична изолация, комбинирани в мостова верига, състояща се от две паралелно свързани двойки полеви транзистори, свързани последователно, както и да намали размери чрез намаляване на топлинните загуби.

За постигане на техническия резултат като превключватели на мощността се използват полеви транзистори с ниско съпротивление дрейн-източник в отворено състояние, а всяка от паралелно свързаните двойки се формира от два контра-последователно свързани полеви транзистора с n- тип и p-тип канали, дренажите на транзистори с един и същи тип канали са свързани помежду си и към клемите за свързване на захранването, източниците на транзистори с различни видове канали са свързани помежду си и към клемите за свързване на товара, и входните вериги на разделящите оптрони са свързани една към друга чрез диоди и ограничаващи резистори една към друга и към клемите за управление на превключвателя.

Полезният модел се отнася до областта на електронното безконтактно превключване и може да се използва например в електрически задвижвания с постоянен ток, в производството на галванопластика, в термоелектрически устройства за отопление и охлаждане, т.е. в случаите, когато е необходимо превключване на полярността за нормалното функциониране на електрически устройства или технологични процеси захранващо напрежение.

Известен е реверсивен превключвател, съдържащ мостова схема на четири силови транзистора с различна проводимост и верига за предотвратяване на преминаващи токове, съдържаща четири допълнителни транзистора, два диода, четири резистора и група от логически елементи "и" (Патент RU 2140128, C1 , кл. N03K 017/66, 2001 г.). Този ключ обаче работи ефективно само при индуктивен товар, което не позволява използването му, например, в термоелектрически устройства.

За прототип беше прието полупроводниковото реле „Силов полумостов модул с оптична изолация 5P64.GD“, произведено от ЗАО „Протон-Импулс“, гр. Орел (описанието на модула е приложено в раздел „Други документи“). Този модул съдържа една двойка от два IGBT транзистора, свързани последователно, чиито вентили са свързани към верига за управление и защита, свързана чрез оптрони към входна логическа верига, свързана към изходните вериги на микропроцесора. За да работи като превключвател на полярността за източник на постоянно напрежение, е необходимо да се използват два такива модула чрез паралелно свързване на същите клеми на превключвания източник.

Недостатъците на прототипа са сложността на схемите за управление на превключвателя на мощността и тяхната защита от проходни потоци, както и големите загуби на разсейвана топлинна мощност, което води до необходимостта от използване на доста обемисти радиатори.

Целта на полезния модел е да опрости веригата за управление и да защити мощните транзистори от преминаващи токове и да намали размерите чрез намаляване на топлинната мощност, отнета от транзисторите.

Техническият резултат се постига чрез факта, че, комбинирани в мостова верига, две паралелно свързани двойки от два последователно свързани полеви транзистора, използвани като превключватели на мощността, чиито порти са свързани чрез оптрони към управляващи вериги, свързани към изхода веригите на управляващия микропроцесор, според полезния модел, се различават по това, че полеви транзистори с ниско съпротивление на изтичане-източник в отворено състояние се използват като превключватели на мощността и всяка от паралелно свързаните двойки се формира от две обратно към - обратно транзистори, свързани последователно с n-тип и p-тип канали, дренажите на полеви транзистори със същия тип канали са свързани във всяка двойка помежду си и с клемите за свързване на захранването, източниците на поле- ефектните транзистори с различни типове канали във всяка двойка са свързани помежду си и с клемите за свързване на товара, а входните вериги на разделителните оптрони чрез диоди и ограничителни резистори са свързани последователно паралелно един с друг и с контролни терминали превключвател.

Фигура 1 показва схематична електрическа диаграма на превключвателя, а Фигура 2 е снимка на прототип на полезен модел.

Превключвателят съдържа две паралелно свързани двойки, свързани към клеми 1 на захранването, всяка от които се състои от два последователно разположени MOS транзистора с индуцирани n-тип и p-тип канали.

Едната двойка се формира от транзистор 2 с n-тип канал и транзистор 3 с p-тип канал, другата двойка се формира от транзистор 4 с n-тип канал и транзистор 5 с p-тип канал. Дренажите на полеви транзистори 2 и 4 с един и същ тип канали са свързани помежду си и са свързани към отрицателния извод на захранването, съответно дренажите на транзисторите 3 и 5 са ​​свързани един с друг и са свързани към положителна клема на източника на захранване. Източниците на транзистори с полеви ефекти 2, 3 и съответно транзистори 4, 5 са ​​свързани помежду си и клемите за свързване на товара 6, а портите на тези транзистори са свързани към изходните вериги на оптроните 7, 8, 9, 10, чиито входни вериги са чрез ограничителни резистори 11 и диоди 12, свързани гръб към гръб един с друг и клемите за управление на превключвателя 13.

Полезният модел работи по следния начин.

В първоначалното състояние, когато управляващите шини от клеми 13 от управляващия микропроцесор не се захранват с напрежение за включване на светодиодите на оптроните 7, 8, 9, 10, мощностните транзистори 2, 3, 4, 5 са ​​затворени и следователно , товарът, свързан към клеми 6, е изключен от захранването, свързано към клеми 1.

Когато положително управляващо напрежение се приложи към една от шините на клеми 13, например към горната шина на фиг. 1, оптроните 7 и 10 се активират и транзисторите 2 и 5 се отварят, като по този начин свързват товара към източника; в този случай положителният извод 1 на източника на захранване е свързан към десния (съгласно фиг. 1) извод 6 на товара и съответно отрицателният извод 1 на източника на захранване ще бъде свързан към левия извод 6 на натоварването според диаграмата. Когато управляващото напрежение се подаде към долната шина на клеми 13, оптроните 8 и 9 ще работят по същия начин, транзисторите 3 и 4 ще се отворят, в резултат на което полярността на източника на захранване за натоварване на клеми 6 се обръща.

Благодарение на обратното паралелно свързване на входните вериги на оптроните 7, 8, 9, 10 чрез диоди 12 и резистори 11 с управляващи шини, ако управляващият микропроцесор се повреди, когато положителни сигнали могат да се появят и на двете управляващи шини, входните токове на всички оптрони стават равни на нула, което води до изключване на товара от източника на захранване. Появата на „нулевата“ управляваща шина на импулсен шум с положителна полярност с амплитуда, равна или надвишаваща амплитудата на управляващите сигнали, или появата на работеща управляваща шина на импулсен шум с отрицателна полярност със съответната амплитуда, също води до краткотрайно (за продължителността на шумовия импулс) прекъсване на връзката на товара от източника на хранене. В този случай резисторите 11 ограничават входния ток на светодиодите на оптроните 7, 8, 9, 10 от положителни шумови импулси с амплитуда, надвишаваща управляващото напрежение, а диодите 12 осигуряват защита на тези светодиоди при наличие на импулсен шум на отрицателни полярност с амплитуда, надвишаваща допустимите стойности на обратните напрежения на тези светодиоди. По подобен начин, мостова схема от последователно свързани транзистори 2, 3 и 4, 5 с различни типове канали, използвани в полезния модел, осигурява ефективна защита срещу преминаващи токове, когато затворите на тези транзистори са изложени на импулсен шум, индуциран в захранващата верига . Ако всички транзистори 2, 3, 4, 5 са ​​затворени (товарът е изключен от източника на захранване), импулсният шум с положителна полярност може да причини едновременно отваряне на транзистори 2 и 4 и едновременно с това увеличаване на напрежението при затваряне на затворени транзистори 3 и 5, докато товарът остава изключен от захранването. По същия начин, когато са изложени на импулсен шум с отрицателна полярност, транзисторите 3 и 5 се отварят, а транзисторите 2 и 4 остават затворени, ако товарът е свързан към източник на захранване, т.е. транзистори 3 и 4, или 2 и 5 са ​​отворени, тогава импулсен шум от всякаква полярност може да доведе само до затваряне на съответния отворен транзистор, което ще доведе до краткотрайно изключване на товара за продължителността на шумовия импулс, който не водят до влошаване на функционирането на инерционни процеси или устройства, посочени в областта на използване на този полезен модел.

Използването на полеви транзистори с ултраниско съпротивление дрейн-източник в отворено състояние, направени с HEXFET кристална структура и наречени MOSFET транзистори, като превключватели на захранването прави възможно намаляването на енергийните загуби и премахването на използването на обемисти радиатори в полезния модел (описанието „Нови MOSFET транзистори от семейството IRFP4“ е приложено в раздела „Други документи“). Например, когато се използват транзистори NP100 (транзистори 3, 5) и транзистори IRF1404 (транзистори 2, 4), имащи съпротивление при включено състояние от 0,004 ома при ток на натоварване от 20 A, спадът на напрежението на един транзистор ще бъде 0,004 × 20 = 0,08 V, а мощността на генериране на топлина няма да надвишава 0,08 V × 20 A = 1,6 W, докато допустимата топлинна мощност при работа на тези транзистори без радиатори е 2 W. За сравнение отбелязваме, че топлинната мощност, генерирана от прототипа при превключване на постоянен ток от 20 A, ще бъде (вижте приложените технически спецификации) 3,2 V × 20 A = 64 W. В този случай размерите на двата прототипа на полумоста, комбинирани в мостова верига, ще бъдат 150×93×42 mm, докато размерите на прототипа на полезен модел, показан на фиг. 2, са 90×60×18 (mm).

Както се вижда от фиг. 2, височината на полезния модел се определя от височината на клемни блокове 1 и 6. Мощните транзистори на полезния модел са монтирани върху топлопоглъщащи секции на печатната платка, което позволява превключване токове до 40 А с допустимата работна температура на транзисторите. При инсталиране на радиатори в тези зони, които не увеличават височината на полезния модел, последният осигурява комутационни токове до 100 A.

По този начин предимствата на претендирания полезен модел в сравнение с прототипа са по-проста и следователно по-надеждна верига за управление и защита на силовите транзистори от преминаващи токове, по-ниски топлинни загуби и, като следствие, по-компактен дизайн.

Превключвател на полярността на източник на постоянен ток, съдържащ две паралелно свързани двойки от два последователно свързани транзистора, използвани като превключватели на мощността, комбинирани в мостова верига, чиито портове са свързани чрез оптрони към управляващи вериги, свързани към изходните вериги на управлението микропроцесор, характеризиращ се с това, че като превключватели на мощността се използват полеви транзистори с ниско съпротивление дрейн-сорс в отворено състояние и всяка от паралелно свързаните двойки е образувана от два последователно свързани транзистора с n -тип и p-тип канали, изтичанията на полеви транзистори с един и същи тип канали във всяка двойка са свързани помежду си и с клемите за свързване на захранването, източниците на полеви транзистори с различни видове канали във всяка двойка са свързани помежду си и към клемите за свързване на товара, а входните вериги на разделителните оптрони чрез диоди и ограничаващи резистори са свързани последователно един към друг и към клемите за управление на превключвателя.

Веригата е автоматичен превключвател на полярността, когато натиснете бутон.

Къде може да е необходимо това? Да навсякъде. Е, например, в някои играчки. Колата стигна до стената, натисна копче - колата се върна :) Всъщност има много приложения. Междувременно устройството е изключително просто. Състои се само от две микросхеми и няколко висящи елемента.

Започни отначало. Тоест от бутон.

Както, надявам се, знаете, всички превключватели, бутони, релета и други елементи на механичното превключване имат много неприятно свойство: „подскачане“ на контактите. Изразява се в това, че при затваряне на двойка контакти токът не започва веднага да тече спокойно през тях. Първоначално "дрънка" за известно време - прави затихнали трептения. При отваряне на контактите възниква същия проблем.

Често никой не забелязва и не взема под внимание бърборенето, тъй като за повечето вериги то не представлява сериозен проблем. Но за нашата схема това е истински проблем. Тъй като когато бутонът се натисне веднъж, веригата ще „мисли“, че бутонът е натиснат няколко пъти, което, разбира се, ще доведе до проблеми. Това означава, че трябва да се бием с него.

За да се бори с отскачането, нашето устройство има умна схема, състояща се от два инвертора на микросхемата K561LN2, кондензатор и два резистора. Няма да задълбаваме в подробностите на работата му. Нека само да кажа, че тази схема е тригер на Schmidt с включено и изключено времезакъснение. Накратко, след тази схема получаваме красиви правоъгълни импулси без никакво бърборене.

Тези красиви импулси се изпращат към тактовия вход на тригера DD2 (561TM2). На всеки фронт (промяна от 0 на 1) тригерът затръшва състоянието на вход D. Сигналът към вход D се подава от инвертирания изход на същия тригер.

Тогава всичко е много сложно. Да приемем, че обратният изход е 1. На следващия фронт той се удря в спусъка, следователно "1" се появява на директния изход на спусъка и "0" на обратния изход. Това означава, че на следващия фронт нула ще удари спусъка! В този случай на директния изход ще се появи „0“, на обратния изход отново ще се появи „1“ и процесът ще започне отново.

По този начин всеки ръб ще промени състоянието на тригера в обратното.

По принцип вече имаме промяна на поляритета на тригерните изходи при всяко натискане на бутона. И ако товарът е с ниска мощност, можете да спрете дотук и да го окачите директно на изходите на микросхемата. Въпреки това е по-добре да не претоварвате микросхемата с ток, а да инсталирате най-обикновените транзисторни усилватели на нейните изходи. По-точно - шофьори.

Драйверът е буферен усилвател, който усилва цифровия сигнал чрез ток.

По принцип това е, което ни трябва. Ще инсталираме един драйвер за всеки тригерен изход. Всеки драйвер се състои от два транзистора с различна проводимост. Когато към входа на драйвера се подава положително напрежение, NPN транзисторът е отворен, когато е отрицателен, PNP е отворен. Инсталирах транзистори KT502 и KT503 (съответно PNP и NPN) в нашата схема. Тези транзистори могат лесно да издържат на токове до 100 mA. Какво? Имате ли нужда от повече? ДОБРЕ! Можете да инсталирате по-мощни транзистори.

Електронните MOSFET превключватели с висока мощност са основна част от потребителската и специалната електроника и могат да бъдат полезни за контролиране на големи DC натоварвания, без да се използват силнотокови превключватели, които могат да изгорят и да износят контактите с течение на времето. Както е известно, MOSFET транзисторите с полеви ефекти могат да работят с много високи напрежения и токове. Което е много търсено за свързване на товари в различни електрически вериги.

Схема на електронен превключвател

Тази схема позволява лесно превключване на импулси с ниско напрежение (5V) за задвижване на големи DC товари. Мощността на MOSFET транзистора, посочена във веригата, е подходяща да издържа на напрежение и ток до 100 V, 75 A (за NTP6411). Този електронен ключ може да се използва вместо релета в модулите на вашия автомобил.

За активиране на транзистора може да се използва обикновен ключ или импулсен вход. Можете да изберете метода на въвеждане, като инсталирате джъмпер от съответната страна. Импулсният вход вероятно ще бъде най-полезен. Веригата е проектирана за използване с 24V, но може да се адаптира за работа с други напрежения (тестовете бяха добри при 12V). Превключвателят трябва да работи и с други N-канални MOSFET. Включен е защитен диод D1 за предотвратяване на пренапрежения на напрежение от индуктивни товари. Светодиодите осигуряват визуална индикация за състоянието на транзистора. Винтовите клеми позволяват свързването на устройството към различни модули.

След сглобяването превключвателят беше тестван за 24 часа заедно със соленоидния вентил (24 V / 0,5 A) и транзисторът беше хладен на допир дори без радиатор. Като цяло тази схема може да се препоръча за най-широк спектър от приложения - както в LED осветлението, така и в автоелектрониката, за замяна на конвенционалните електромагнитни релета.