РЕЛЕЙНЫЙ РЕГУЛЯТОР ТОКА Российский патент 1998 года по МПК G05F1/56 H02M1/08 

Изобретение относится к релейному регулятору тока, который применяется, например, в ИКМ-приборах в устройствах дальней связи в качестве стабилизированных источников тока в схемах занятости в c-проводах.

Известна схема занятости с релейным регулятором тока [1], который состоит из последовательной схемы с полевым транзистором или биполярным транзистором и с дросселем, а также из расположенного между точкой их соединения и массой диода. Релейный регулятор тока расположен в цепи тока, содержащей сопротивление нагрузки из c-провода, омические сопротивления и реле, токоизмерительное устройство и рабочий источник напряжения. Схема запуска выполнена в виде RS-триггера (триггера с раздельными входами) со следующим за ним источником тока. В результате запуска с этим источником тока около -60 В получается высокий расход мощности. Переключающий транзистор отключают только тогда, когда ток нагрузки, который измеряется токовой зеркальной схемой, с помощью компаратора возвращает RS-триггер в исходное состояние. Это означает, что переключающий транзистор, по меньшей мере, в фазе установления включается не синхронно относительно тактового сигнала. Следствием являются интермодуляционные помехи, которые усиливаются за счет случайных искажений, возникающих в результате бинарных свойств RS-триггера.

Известен другой, имеющий низкие потери релейный регулятор тока со схемой управления [2]. Она содержит операционный усилитель в качестве первого триггера, который через конденсатор связи соединен с затвором полевого транзистора в релейном регуляторе тока. На инвертирующем входе операционного усилителя приложено суммарное напряжение из пилообразного напряжения с частотой 64 кГц и поставляемого токоизмерительным устройством регулирующего напряжения. С неинвертирующим входом операционного усилителя связана вспомогательная схема с вторым триггером, поставляющая стартовый сигнал для релейного регулятора. Кроме того она контролирует ток нагрузки к конденсатору связи. Если во время фазы включения полевого транзистора в конденсатор связи не течет никакой ток нагрузки, то второй триггер распознает это состояние, блокирует его с помощью конденсатора на обоих входах операционного усилителя в течение определенного времени и отключает первый триггер.

В результате такого типа управления операционного усилителя получаются следующие недостатки.

Запускающий импульс для полевого транзистора получает в результате контроля заряда конденсатора связи, в частности при больших включаемых нагрузках форму e-функции. Это приводит к затянутому выходному сигналу, который неизбежно связан с нежелательным повышением мощности потерь в полевом транзисторе.

Момент времени включения и выключения операционного усилителя определяется регулирующим напряжением и вспомогательной схемой. Частота переключений поэтому является автономной и несинхронной относительно возбуждающего пилообразное напряжение 64-кГц-такта. Получающиеся в результате биения приводят к интермодуляционным помехам и таким образом к искаженной помехами передаче речевого сигнала в низкочастотной части ИКМ-прибора.

Путем блокировки в выключенном состоянии получается то, что действующий в качестве широтно-импульсного модулятора операционный усилитель не может выдавать узких импульсов. Для релейного регулятора за счет этого тогда получается, в частности, при малых нагрузках нарастание подлежащего регулированию выходного тока.

В основе указанного в пункте 1 формулы изобретения лежит задача достижения в релейном регуляторе тока запуска переключательного элемента с возможно меньшими потерями и исключения случайных искажений выходного сигнала и тем самым интермодуляционных помех в низкочастотной области.

Исходя из релейного регулятора тока, содержащего включенные в цепь сопротивления нагрузки и рабочего источника напряжения последовательно соединенные токоизмерительное устройство, дроссель и переключательный элемент, управляемый конденсатором связи, а также диод, расположенный между массой и точкой соединения переключательного элемента и дросселя, и компаратор, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход соединен с конденсатором связи, существенными признаками изобретения являются следующие признаки: предусмотрен усилитель, вход которого подключен к выходу токоизмерительного устройства, а выход - к неинвертирующему входу компаратора, генератор пилообразного напряжения выполнен в виде RC-звена и тактовым входом соединен с выходом логической схемы И-НЕ, первый вход которой через инвертор соединен с выходом триггера, выполненного на операционном усилителе и транзисторе, а второй служит для приема такта, причем инвертирующий вход триггера соединен с выходом токоизмерительного устройства, а неинвертирующий - с опорным напряжением, и напряжение на инвертирующем входе триггера меньшее, чем опорное напряжение на неинвертирующем входе триггера дает на его выходе состояние низкого логического уровня.

Изобретение основано на знании того, что управление переключательным элементом должно производиться аналоговым разностным сигналом, а не из бинарного переключателя. Переключательный элемент включается синхронно с возрастающим фронтом управляющего сигнала и выключается самое позднее с падающим фронтом управляющего сигнала. Пилообразное напряжение выбирается в результате выбранного вида ввода так, что его амплитуда становится более положительной, чем самое положительное появляющееся управляющее напряжение, и, таким образом, выключающим фронтом тактового сигнала производится надежное отключение переключательного элемента и принудительная синхронизация. Путем приложения управляющего напряжения к неинвертирующему входу и пилообразного напряжения к инвертирующему входу компаратора он действует в качестве широтно-импульсного модулятора, который может реализовать самые узкие ширины импульсов.

На фиг. 1 изображен известный релейный регулятор тока со схемой управления согласно изобретению; на фиг. 2 показана импульсная диаграмма для пояснения способа функционирования схемы управления; на фиг. 3 представлен известный переключательный элемент с полевым транзистором; на фиг. 4 - известный переключательный элемент с биполярным транзистором.

Релейный регулятор тока содержит дроссель 15, переключательный элемент 18 и диод 14. Он расположен в цепи тока с сопротивлением нагрузки 5, селектором 6 в устройстве связи, диодом 7, токоизмерительным устройством 9 и рабочим источником напряжения, причем между диодом 7 и токоизмерительным устройством 9 включен относительно массы конденсатор 8. Схема управления содержит диоды 1 и 21, источник тока 2, логическую схему И 3, сопротивления 10, 13, 16 и 23, триггер 11, усилитель 17, конденсаторы 20 и 24, компаратор 22, логическую схему И-НЕ 25, инвертор 26 и защитную схему 28.

Источник тока 2 содержит транзисторы 2a и 2b а также сопротивление 2c. Токоизмерительное устройство 9 содержит известную токовую зеркальную схему с транзисторами 9a и 9b и сопротивлениями 9c и 9d. Триггер 11 содержит операционный усилитель 11a и транзистор 11b. Защитная схема 28 содержит диоды 28a и 28b и сопротивление 28c.

Если селектор 6 включен для этой схемы в качестве прерывателя, тогда транзисторы 2a и 9b заперты. К инвертирующему входу триггера 11 попадает теперь через сопротивление 10 напряжение +5 В. Это имеет следствием то, что транзистор 11b в триггере 11 запирается и что на выход триггера 11 и на связанный с ним вход логической схемы И 3 попадает напряжение +5 В или соответственно состояние высокого логического уровня H. Если теперь к другому входу 4 логической схемы И 3 приложен сигнал также в форме состояния высокого логического уровня H, тогда он появляется и на выходе логической схемы И 3.

Если теперь селектор 6 включен на проход, то ток протекает через сопротивление нагрузки 5, селектор 6, диод 1, транзистор 2b и сопротивление 2c. Транзистор 2a работает в качестве датчика тока и через образованный транзистором 2a и сопротивлением 10 делитель напряжения напряжение на инвертирующем входе триггера 11 падает меньше, чем на +2,4 В. Так как это меньше, чем опорное напряжение +2,4 В на неинвертирующем входе 12 триггера 11, то транзистор 11b становится проводящим и приводит выход триггера 11 на потенциал массы, что дает состояние низкого логического уровнять L. С одной стороны, в результате этого состояние на выходе логической схемы И 3 изменяется на состояние низкого логического уровня L и электрический ток через источник тока 2 заканчивается, с другой стороны, состояние низкого логического уровня L на входе инвертора 26 обуславливает состояние высокого логического уровня H на его выходе. Если к входу 27 приложен 64-кГц-такт a согласно фиг. 2, тогда этот такт a может пройти логическую схему И-НЕ 25. RC-звено 23, 24 согласно фиг.2 преобразует 64-кГц-такт а в пилообразное напряжение b, которое попадает на инвертирующий вход компаратора 22. Переключательный элемент 18 открывается и через него, сопротивление нагрузки 5, селектор 6, диод 7, транзистор 9a, сопротивление 9c, дроссель 15 и рабочий источник напряжения 19 течет электрический ток. Теперь транзистор 9b становится также проводящим и на инвертирующем входе триггера 11 возникает напряжение, которое удерживает состояние высокого логического уровня L на выходе триггера. Это напряжение одновременно усиливается в регулирующем усилителе 16, 17 и подается на неинвертирующий вход компаратора 22.

На неинвертирующем входе компаратора 22 приложено теперь пилообразно возрастающее от 0 до 5 В напряжение b, в то время как управляющее напряжение c на неинвертирующем входе в зависимости от регулируемой величины лежит между 0 В и +5 В. На выходе компаратора 22 появляется высокий логический уровень H, если управляющее напряжение c на неинвертирующем входе является более положительным, чем мгновенное значение пилообразного напряжения b на инвертирующем входе. И, наоборот, на его выходе появляется низкий логический уровень L, если мгновенное значение пилообразного напряжения b на инвертирующем входе является более положительным, чем значение управляющего напряжения c на неинвертирующем входе.

Защитная схема 28 своими диодами 28a и 28b при высокоомном сопротивлении 28c препятствует проявлению напряжений помех на инвертирующем входе.

На фиг. 2 показаны два значения управляющего напряжения c1 и c2, которые определяют конец импульсов d в то время, как их начало определяется тактом a.

За счет такого вида управления компаратора 22 на его выходе возникает зависящая от управляющего напряжения c1 и c2 широтно-импульсная модуляция (ШИМ), с помощью которой ток через сопротивление нагрузки 5 поддерживается постоянным. Самое позднее в фазе выключения 64-кГц-такта a в результате наращивания заряда конденсатора 24 получается напряжение на инвертирующем входе компаратора 22, которое является более положительным, чем возможное управляющее напряжение c на неинвертирующем входе компаратора 22. В качестве усилителей 16, 17 целесообразно применять двухтактный выходной усилитель, положительный выходной сигнал которого меньше, чем напряжение компаратора -0,7 В. В результате этого достигается надежное выключение и в фазе включения 64-кГц-такта a надежное включение компаратора 22. Таким образом могут быть достигнуты малые ширины импульсов, которые являются необходимыми для высокой стабильности тока при малых сопротивлениях нагрузки 5.

Фиг. 3 показывает известный из прототипа переключательный элемент 18'. Он содержит полевой транзистор 29, сопротивление 30 и полупроводниковый стабилитрон 31. Полевой транзистор 29 управляется через его затвор 18b. За счет полупроводникового стабилитрона 31 потенциал на затворе 18b колеблется определенно относительно приложенного к его истоку 18c потенциала -60 В. Через сопротивление 30 конденсатор связи разряжается перед затвором 18b, если через релейный регулятор тока 15, 18 не должен протекать никакой ток.

Фиг. 4 показывает известный из аналога переключательный элемент 18''. Он содержит транзисторы 33 и 35 и сопротивления 32, 34 и 36. Если транзистор 33 становится проводящим, то через сопротивления 32, 34 и 36 протекает ток, который включает транзистор 35 в проводящее состояние.

Использование: например, в качестве стабилизированных источников тока в преобразователях кода знаков ИКМ-приборов. Сущность: запуск переключательного элемента в релейном регуляторе производят через конденсатор связи от компаратора. Для этого на его инвертирующий вход подают пилообразное напряжение, а на его неинвертирующий вход подают управляющее напряжение, которое получается от включенного в цепь тока переключательного элемента токоизмерительного устройства. Компаратор служит в качестве широтно-импульсного модулятора, который также может реализовывать самые малые ширины импульсов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Релейный регулятор тока, содержащий включенные в цепь сопротивления нагрузки и рабочего источника напряжения последовательно соединенные токоизмерительное устройство, дроссель и переключательный элемент, управляемый конденсатором связи, а также диод, расположенный между массой и точкой соединения переключательного элемента и дросселя, и компаратор, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход соединен с конденсатором связи, отличающийся тем, что предусмотрен усилитель, вход которого подключен к выходу токоизмерительного устройства, а выход - к неинвертирующему входу компаратора, причем генератор пилообразного напряжения выполнен в виде RC-звена и тактовым входом соединен с выходом логической схемы И - НЕ, первый вход которой через инвертор соединен с выходом триггера, выполненным на операционном усилителе и транзисторе, а второй служит для приема такта, причем инвертирующий вход триггера соединен с выходом токоизмерительного устройства, а неинвертирующий - с опорным напряжением, и напряжение на инвертирующем входе триггера, меньшее, чем опорное напряжение на неинвертирующем входе триггера, дает на его выходе состояние низкого логического уровня. 2. Регулятор тока по п.1, отличающийся тем, что переключательный элемент выполнен в виде биполярного или полевого транзистора. 3. Регулятор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве усилителя предусмотрен дифференциальный усилитель с обратной связью. 4. Регулятор тока по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены цепь с сопротивлением нагрузки, вторым диодом и источником тока и логическая схема И, первый вход которой служит для приема разрешающего сигнала, второй вход соединен с выходом триггера, а выход - с входом включения и выключения источника тока, выход датчика тока которого соединен с инвертирующим входом триггера. 5. Регулятор тока по п.1, отличающийся тем, что предусмотрена защитная схема, вывод которой связан с инвертирующим входом компаратора.