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 примененного полевого транзистора и могут изменятся 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 ключом на переключение, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами. На рис.1 представлена принципиальная схема электронного реле на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Реле имеет «контакты на переключение». Транзисторы VT1,VT2 образуют «нормально замкнутый» контакт, а транзисторы VT3,VT4 «нормально разомкнутый» контакт. Устройство работает следующим образом. 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 10-15В, поскольку в ней между выв.1 и выв.4 включен стабилитрон на 15,6В, то напряжение превышающее эту величину должно быть подано на вывод питания через токоограничивающий резистор. Если напряжение питания будет ниже 10В, то микросхема выключается. Автогенератор выполнен по схеме таймера 555. Нагрузочная способность микросхемы DA1 составляет 250мА. Управление работой автогенератора можно осуществить по выв.3. Подавая низкий уровень напряжения (логический 0), работа автогенератора останавливается. Выходной сигнал представляет собой меандр (скважность 2). Для предотвращения сквозного тока имеется защитная пауза 1,2мкс.
При подаче переменного напряжения на трансформатор TV1 на
его вторичной обмотке наводится напряжение, которое после выпрямления мостом VD1и сглаживания конденсатором С2 питает инвертирующий триггер DA2, а после выпрямления мостом VD4 и сглаживания конденсатором С3 питает инвертирующий триггер DA3. Потребляемый ток генератора составляет 25мА. Использование интегральных таймеров DA2,DA3 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA2(DA3). В результате шунтируются затворы - напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), т.е. быстро разряжать входную емкость транзисторов VT1,VT2(VT3,VT4) что улучшает помехоустойчивость. Да и сами триггеры DA2,DA3 имеют гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Управление инвертирующими триггерами осуществляется по выводу 4 микросхем DA2,DA3.
В исходном состоянии (питание на автогенератор DA1 подано, а светодиоды оптрона U1 не светят) на выв.4 DA2 высокий уровень напряжения, на выв 4 DA3 низкий уровень напряжения. Поскольку на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA2,DA3 низкий уровень напряжения, то выв.3 DA2 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка Rn1 получает питание, а на выв.3 DA3 низкий уровень и транзисторы VT3,VT4 закрыты. Нагрузка Rn2 не получает питания. Светодиоды VD2,VD5 отображает работу электронных ключей. Если они светятся, то ключ включен и нагрузка под напряжением. В противном случае ключ выключен. Желательно поставить яркий светодиод. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1, открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая- 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). Работа транзисторов VT3,VT4 аналогична. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2(VT3-VT4) необходимо установить 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 имеет размеры 51*76мм. Трансформатор TV1 можно намотать на ферритовом кольце К10*6*4,5мм. Первичная обмотка имеет 35витков, а вторичные по 40 витков провода МГТФ – 0,07. Если ключ должен коммутировать линейное 3х-фазное напряжение в 380В, то транзисторы должны выдерживать 600В амплитудного напряжения (КП707В1). Управляющий сигнал должен подаваться на последовательно соединенные светодиоды оптрона U1(или одновременно на оба светодиода). Конденсаторы С2*,С3* емкостью 100н, желательно поставить типа КМ. Они позволят уменьшить влияние индуктивности выводов электролитических конденсаторов на высокой частоте.
