Описан коммутационный электронный блок для попеременной коммутации двух нагрузок постоянным или выпрямленным переменным током, содержащий два MOSFET и оптоэлектронный входной управляющий узел. Для управления коммутационным блоком могут быть использованы сигналы постоянного или импульсного, в том числе ШИМ-модулированного, тока напряжением 5 В и частотой до 1 кГц и выше.

Ранее [1, 2] был описан коммутационный электронный блок для попеременной коммутации двух нагрузок с использованием двух MOSFET, управляемый входным быстродействующим тиристором. Питание тиристора осуществлялась от двухполупериодного выпрямителя через диоды, подключенные к стокам взаимосвязанных по постоянному току MOSFET. При подаче на вход управляющего сигнала постоянного тока или импульсов постоянного напряжения переменной скважности было возможно плавно перераспределять токи в нагрузках транзисторов и, соответственно, управлять выделяемой в нагрузках мощностью.

К недостаткам такого решения можно отнести то, что в нем отсутствовала гальваническая развязка между сетью электрического питания и цепью управления. Также частотный диапазон управляющих сигналов был существенно ограничен использованием тиристора, а также стабилитронов ограничения напряжения исток-затвор MOSFET.

В работе [3] приведены варианты ШИМ-управления двуханодным MOSFET коммутатором с использованием генераторов прямоугольных импульсов.

Представленный на Рисунке 1 двуханодный MOSFET коммутатор с внешним ШИМ-управлением выгодно отличается гальванической развязкой за счет использования входной оптопары. Коммутатор назван двуханодным, поскольку имеет два выхода для подключения нагрузок и питается выпрямленными сетевыми импульсами положительной полярности или постоянным током. Такой коммутатор может быть выполнен в виде отдельного изолированного блока, имеющего пять выводов.

Рисунок 1.	Электрическая схема двуханодного MOSFET коммутатора с оптоэлектронным управлением.

Входная управляющая цепь блока выполнена с использованием оптоэлектронной пары DA1 TCET1100, вход которой защищен от неправильной полярности управляющего напряжения диодом VD1. Выходной транзистор оптопары подключен к цепи управления первого из полевых транзисторов VT1 ATP613. К стоку этого транзистора через резистивный делитель R5, R6 через резистор R7 подключен затвор второго полевого транзистора VT2 ATP613. К стокам транзисторов подключены два сопротивления нагрузки: R_Н1 и R_Н2. Первоначальное смещение на затворе транзистора VT1 обеспечивается через диоды VD3 и VD4, а также токоограничивающий резистор R3. Конденсатор C1 сглаживает пульсации напряжения. Падение напряжения на этом конденсаторе не превышает 20 В. Сетевое питающее напряжение подается на коммутатор через диодный мост VD5–VD8.

При отсутствии управляющего сигнала транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт. Весь ток от источника питания протекает через сопротивление нагрузки R_Н1. При подаче на вход управления постоянного напряжения 5 В ток через резистор R1 протекает через светодиод оптопары DA1; транзистор оптопары шунтирует исток-затвор транзистора VT1. Транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 полностью открывается и подключает сопротивление нагрузки R_Н2 к источнику питания. При подаче на вход управления прямоугольных импульсов постоянного тока амплитудой 5 В с регулируемым коэффициентом заполнения будет происходить плавное перераспределение токов и, соответственно, мощности в нагрузках R_Н1 и R_Н2, Рисунок 2.

Рисунок 2.	Динамика электрических процессов на сопротивлениях нагрузок RН1 и RН2 при различных КЗИ управляющих сигналов частотой 1 кГц.

Коммутатор сохраняет работоспособность при изменении напряжения сети от 127 до 280 В. Частота управляющих импульсов (F_{УПР.ИМП.}) может превышать 1 кГц при коэффициенте заполнения импульсов (КЗИ) от 0 до 95%. Казалось, целесообразным было бы использовать для ограничения максимального напряжения исток-затвор транзисторов VT1 и VT2 взамен резисторов R2 и R6 стабилитронов на напряжение 20 В [1], однако частотные характеристики коммутации устройства при этом значительно ухудшаются.

Стоит напомнить, что предельный ток через транзисторы ATP613 без использования радиаторов составляет 5.5 А, а максимальное рабочее напряжение составляет 500 В. В этой связи минимальное сопротивление каждый из нагрузок при напряжении сети 230 В не должно быть ниже 60…70 Ом. В то же время соотношение сопротивлений этих нагрузок может отличаться не менее чем на два порядка, что позволяет использовать одну из нагрузок как холостую, а вторую как рабочую.

Узел управления работой полевых транзисторов VT1 и VT2 может быть выполнен и по иной схеме, Рисунок 3. Для этого в схему введен дополнительный транзистор VT3 2N7000, управляющий переключением транзистора VT2. Использование транзистора VT3 позволило улучшить форму коммутируемых сигналов при КЗИ > 90%, см. Рисунок 2.

Рисунок 3.	Вариант схемы двуханодного MOSFET коммутатора.

Дополнительно для повышения надежности работы устройства параллельно конденсатору C2 можно подключить стабилитрон на напряжение 16…20 В, а параллельно исток-стокам транзисторов VT1 и VT2 для устранения возможных коротких пиков переходных процессов подключить конденсаторы емкостью 3 нФ на напряжение не менее 450 В. Резисторы R3, Рисунки 1 и 3, должны иметь мощность рассеяния не менее 2 Вт.

На Рисунке 4 показаны варианты выполнения входной управляющей цепи, используя которые можно не заботиться о полярности подключаемого источника управляющего сигнала.

Рисунок 4.	Варианты выполнения входной цепи управления с использованием: а) мостовой схемы питания светодиода оптрона; б) двух оптронов.

---

1. Datasheet Microchip 2N7000
2. Datasheet ON Semiconductor ATP613
3. Datasheet Vishay TCET1100