ЭЛЕМЕНТ СРАВНЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для осуществления термостабильного срабатывания различных устройств.

Известен элемент сравнения, содержащий транзистор, делитель включенный между входом элемента сравнения и общей шиной, причем коллектор транзистора является выходом элемента сравнения. База транзистора соединена с делителем, а эмиттер соединен через опорный элемент с входом элемента сравнения (а. св. СССР N 356633 кл. G 05 F 1/56, 1 29 069).

Недостатком такого элемента сравнения является то, что после подачи на вход элемента сравнения напряжения, до установления на входе напряжения обрабатывания элемента сравнения транзистор проходит три состояния. Сначала он закрыт на время насыщения базы, затем открыт и, наконец, снова закрыт или подзакрыт при достижении на входе напряжения срабатывания. Одно "закрытое" состояние элемента сравнения при включении является как бы ложным срабатыванием и должно быть устранено, что требует применения в подобных схемах включения различных пусковых элементов параллельно транзистору, что влечет за собой снижение эффективности срабатывания, и кроме того такие схемы обладают низкой термостабильностью.

Известен элемент сравнения, содержащий транзистор, база которого соединена с резистором и опорным элементом, а также делитель соединенный с общей шиной первым выводом, а второй вывод делителя является входом элемента сравнения, причем коллектор транзистора является выходом элемента сравнения (а. св. СССР N 301698, кл. G 05 F 1/56, 1969).

Недостатком этого элемента сравнения является плохое использование усилительных свойств транзистора, так как делитель нагружается не малым базовым, а большим эмиттерным током транзистора, что ведет к ухудшению эффективности срабатывания элемента сравнения и необходимости использовать более низкоомный делитель, ухудшающий экономичность элемента сравнения. Также недостатком данного элемента сравнения является его низкая термостабильность, то есть имеет место уход напряжения срабатывания при изменении температуры окружающей среды, поскольку для получения высокой термостабильности в этом элементе сравнения температурный коэффициент напряжения (ТКН) опорного элемента должен быть достаточно близок по абсолютной величине ТКН база-эмиттерного перехода транзистора и противоположен ему по знаку, но опорных элементов с подобным ТКН не существует. А существующие опорные элементы имеют большой разброс величин ТКН.

В предлагаемом техническом решении решается задача достижения высокой термостабильности элемента сравнения при одновременном повышении эффективности его срабатывания и экономичности.

Решение этой задачи достигается тем, что в элемент сравнения, содержащий транзистор, база которого соединена с резистором и опорным элементом, а также делитель, соединенный с общей шиной первым выводом, а второй вывод подключен к входу элемента сравнения, выходом элемента сравнения является коллектор транзистора, введены дополнительный транзистор противоположного типа, дополнительный резистор и дополнительный вход элемента сравнения, при этом база транзистора соединена через резистор с дополнительным входом и через опорный элемент с общей шиной, а также соединена с эмиттером дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с эмиттером транзистора, и через дополнительный резистор с общей шиной, база дополнительного транзистора соединена с третьим выводом делителя, причем температурный коэффициент напряжения опорного элемента и температурный коэффициент напряжения база-эмиттерного перехода дополнительного транзистора одного знака и сравнимы по величине.

Для решения задачи улучшения весо-габаритных характеристик опорный элемент выполнен в бескорпусном исполнении в виде кристалла.

Повышение термостабильности достигается за счет того, что опорный элемент включен параллельно дополнительному транзистору и части делителя, таким образом, что ТКН опорного элемента и ТКН база-эмиттерного перехода дополнительного транзистора вычитаются. Поэтому выбирая опорный элемент с ТКН близким к ТКН транзистора можно получить термостабильные характеристики элемента сравнения. Использование такого принципа компенсации ТКН элементов в схемных решениях аналогичных предлагаемому элементу сравнения для решения задачи термостабилизации неизвестно.

Выполнение опорных элементов для схем элементов сравнения в виде кристалла также не известно. Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Элемент сравнения с заявляемой совокупностью признаков в известных источника информации не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого элемента сравнения. Элемент сравнения содержит транзистор 1, база которого соединена с эмиттером дополнительного транзистора 2, через резистор 3 соединена с дополнительным входом 4 элемента сравнения, через опорный элемент 5 с общей шиной 6. Коллектор транзистора 1 является выходом 7 элемента сравнения. Эмиттер транзистора 1 соединен с коллектором дополнительного транзистора 2, а через дополнительный резистор 8 с общей шиной 6. База дополнительного транзистора 2 соединена с третьим выводом делителя 9, первый вывод которого соединен с общей шиной 6, а второй вывод является входом 10 элемента сравнения.

Элемент сравнения работает следующим образом.

При подаче на дополнительный вход 4, являющийся питающим входом элемента сравнения, напряжения, транзистор 1 удерживается в закрытом состоянии, так как его база-эмиттерный переход шунтируется дополнительным транзистором 2, открытым по цепи: дополнительный вход 4, резистор 3, база-эмиттерный переход дополнительного транзистора 2, часть делителя 9, общая шина 6. Подбором величин сопротивлений дополнительного резистора 8 и делителя 9 обеспечивается не просто открытое, а насыщенное состояние дополнительного транзистора 2, когда с уверенностью обеспечивается шунтирование база-эмиттерного перехода транзистора 1, так как напряжение на насыщенном дополнительном транзисторе 2 (при соответствующем подборе типов обоих транзисторов) меньше напряжения на база-эмиттерном переходе открытого транзистора 1. При подаче на вход 10 элемента сравнения растущего напряжения, растет ток, протекающий через делитель 9. А так как напряжение на части делителя 9 между базой дополнительного транзистора 2 и общей шиной 6 постоянно и равно напряжению на опорном элементе 5 за вычетом напряжения на база-эмиттерном переходе дополнительного транзистора 2, а, следовательно, и суммарный ток в этой части делителя постоянен, то базовый ток дополнительного транзистора 2 уменьшается, выводя его из насыщенного состояния в активное. При достижении напряжением на входе 10 элемента сравнения определенной величины, дальнейшее уменьшение базового тока дополнительного транзистора 2 ведет к уменьшению его коллекторного тока, который до этого момента оставался постоянным и определялся дополнительным резистором 8 и напряжением на нем, равным напряжению на опорном элементе 5 за вычетом напряжения на насыщенном дополнительном транзисторе 2. Происходит рост на дополнительном транзисторе 2 и, соответственно, уменьшение на дополнительном резисторе 8 долей напряжения опорного элемента 5. При росте напряжения на входе 10 элемента сравнения, когда напряжение на дополнительном транзисторе 2 достигает величины напряжения на база-эмиттерном переходе транзистора 1, при котором он открывается, наступает момент срабатывания элемента сравнения транзистор 1 из закрытого состояния переходит в открытое состояние.

В активном состоянии дополнительного транзистора 2 его базовый ток в коэффициенте передачи по току (транзистора) меньше его коллекторного тока, который может быть достаточно мал из-за большой величины сопротивления дополнительного резистора 8. При этом базовый ток дополнительного транзистора 2 незначительно нагружает делитель 9. Тогда, в момент срабатывания элемента сравнения, величина напряжения срабатывания на входе 10 элемента сравнения больше величины напряжения на базе дополнительного транзистора 2 в кратность делителя 9 раз (во сколько раз общее сопротивление делителя 9 больше сопротивления его части между базой дополнительного транзистора 2 и общей шиной 6).

Таким образом в элементе сравнения в момент срабатывания, выражающемся в измерении состояния транзистора 1, происходит фиксация факта установления на входе 10 величины напряжения срабатывания путем сравнения части этого напряжения на базе дополнительного транзистора 2 с напряжением на опорном элементе 5.

В данном элементе сравнения достигается высокая эффективность срабатывания вследствие того, что к моменту срабатывания дополнительный транзистор 2 выводится в активный режим со сколь угодно малой величиной базового тока по отношению к току делителя 9, тем самым не оказывая изменением своего состояния влияния на делитель 9 в момент срабатывания, а также тем, что сравнение напряжения на базе дополнительного транзистора 2 в момент срабатывания происходит со стабильным напряжением на опорном элементе 5, поскольку ток, протекающий через него, определяется стабильным напряжением на дополнительном входе 4 и резистором 3 и по величине выбирается много большим тока базы транзистора 1 и тока эмиттера дополнительного транзистора 2, изменения которых в момент срабатывания взаимовычитаются, что уменьшает влияние изменяющихся состояний транзисторов на ток и, следовательно, на напряжение опорного элемента 5. Вследствие того, что транзистор 1 и дополнительный транзистор 2 образуют составной транзистор, имеет место также естественное повышение эффективности срабатывания элемента сравнения из-за повышения суммарного коэффициента усиления.

При повышении эффективности срабатывания элемента сравнения достигается его высокая термостабильность, то есть неизменность напряжения срабатывания при изменении температуры окружающей среды. Это достигается тем, что, при параллельном включении опорного элемента 5 с база-эмиттером переходом дополнительного транзистора 2 и частью делителя 9, близкие по величине и знаку ТКН опорного элемента 5 и база-эмиттерного перехода вычитаются, а температурный уход напряжения на части делителя 9 между базой дополнительного транзистора 2 и общей шиной 6 становится близким к нулю. Выбирая опорный элемент с ТКН достаточно близким или равным ТКН база-эмиттерного перехода кремневого транзистора, можно добиться максимальной термостабильности элемента сравнения, но при условии, что весь делитель 9, то есть обе его части между входом 10 и базой дополнительного транзистора 2 и между базой дополнительного транзистора 2 и общей шиной 6 имеют одинаковые температурные коэффициенты сопротивления (далее ТКС). При этом условии близкий к нулю температурный уход напряжения на части делителя 9 между базой дополнительного транзистора 2 и общей шиной 6 обеспечит близкий к нулю температурный уход напряжения срабатываниям на входе 10 элемента сравнения. Делитель 9 может представлять собой различные комбинации постоянных и переменных транзисторов, причем может отсутствовать часть делителя 9 между входом 10 и базой дополнительного транзистора 2. При условии же, что все существующие резисторы имеют разброс значений ТКС, наилучший результат по термостабильности элемента сравнения будет тогда, когда весь делитель 9 представляет собой переменный резистор, средний вывод которого соединен с базой дополнительного транзистора 2 или когда обе части делителя 9 выполнены в едином технологическим цикле.

В предложенной схеме элемента сравнения в качестве опорного элемента используется элемент, выполненный на основе единичного индикатора 3Л341, использована внутренняя часть данного индикатора, а именно кристалл. Кристалл был разработан для светоиндикации, и никогда не применялся как опорный элемент. Опорный элемент, выполненный в виде такого кристалла имеет ТКН близкий (или равный) к ТКН база-эмиттерного перехода транзистора, что позволяет использовать его в предлагаемой схеме элемента сравнения. Использование в качестве опорного элемента 5 индикатора 3Л341 позволяет повысить экономичность элемента сравнения, поскольку у этих индикаторов не оговорен минимальный рабочий ток и, таким образом, опорный элемент 5 можно использовать на весьма малых токах.

В элементе сравнения вход 10 и дополнительный вход 4 могут быть объединены, так как питание опорного элемента 5 через резистор 3 от стабильного напряжения срабатывания в момент срабатывания элемента сравнения не может изменить этого напряжения срабатывания. Но также на дополнительный вход 4 может подаваться напряжение от другого стабильного источника напряжения.

Типы транзистора 1 и дополнительного транзистора 2 в элементе срабатывания могут быть заменены на противоположные с изменением полярности напряжений и включения опорного элемента 5 соответственно.

Таким образом введение в элемент сравнения дополнительного транзистора 2, дополнительного резистора 3, дополнительного входа 4 с их связями, а также использование опорного элемента 5 с ТКН сравнимым с ТКН база-эмиттерного перехода дополнительного транзистора 2, позволяет решить задачу достижения высокой термостабильности элемента сравнения при одновременном повышении эффективности его срабатывания и экономичности.

Кроме того, использование в предлагаемом элементе сравнения опорного элемента 5, выполненного на основе индикатора 3Л341 в бескорпусном исполнении в виде кристалла позволило в сочетании с бескорпусной элементной базой остальных элеткрорадиоэлементов создать элемент сравнения в микроисполнении, что позволило решить задачу улучшения весо-габаритных характеристик всего элемента сравнения.

Предлагаемый элемент сравнения может быть использован в различных схемах сравнения, срабатывания, пуска, например, в стабилизаторах напряжения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для осуществления термостабильного срабатывания различных устройств. Предлагаемый элемент сравнения позволяет решить задачу достижения высокой термостабильности элемента сравнения при одновременном повышении эффективности его срабатывания и экономичности. Элемент сравнения содержит транзистор, база которого соединена с резистором и опорным элементом, а также делитель, соединенный с общей шиной первым выводом, а вторым выводом с входом элемента сравнения, выходом элемента сравнения является коллектор транзистора, и кроме того дополнительный транзистор противоположного типа, дополнительный резистор и дополнительный вход элемент сравнения. База транзистора соединена с эмиттером дополнительного транзистора, через резистор с дополнительным входом и через опорный элемент с общей шиной. Коллектор дополнительного транзистора соединен с эмиттером транзистора и через дополнительный резистор с общей шиной. База дополнительного транзистора соединена с третьим выводом делителя. Температурные коэффициенты напряжения опорного элемента и база-эмиттерного дополнительного транзистора одного знака и сравнимы по величине. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Элемент сравнения, содержащий первый и второй транзисторы, база первого из которых соединена с первым выводом первого резистора, коллектор с выходной клеммой, делитель, первый вывод которого соединен с входной клеммой, а второй вывод с первым выводом второго резистора, отличающийся тем, что в него введены дополнительная входная клемма, опорный элемент, первый вывод которого соединен с общей шиной и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с эммитером первого транзистора и коллектором второго транзистора противоположного типа проводимости, база которого соединена с третьим выводом делителя, эмиттер с вторым выводом опорного элемента и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с дополнительной входной клеммой, причем температурный коэффициент напряжения опорного элемента и температурный коэффициент база-эмиттерного перехода второго транзистора одного знака и сравнимы по величине. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что опорный элемент выполнен в бескорпусном исполнении в виде кристалла арсенидгаллиевого диода.