ФОРМИРОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H03K4/08 

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении и автоматике для формирования напряжения пилообразной формы блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки и т. п.

Известен формирователь линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. рис.2-10), содержащий формирователь тока, конденсатор и ключ. Выходное напряжение генератора формируется путем заряда конденсатора током, создаваемым формирователем тока. Недостатками этой схемы является малое значение коэффициента использования напряжения питания, ограниченное падением напряжения на формирователе тока и составляющее 0,5-0,8, а также малая нагрузочная способность.

Известен формирователь линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные устройства: Учебник для вузов. - 3-е изд. , перераб. и доп. М.: Советское радио, 1980, стр. 250-254, рис.9-16), содержащий усилитель, последовательную RС-цепь, средняя точка которой подключена к входу усилителя, и дополнительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и резистором RC-цепи. Благодаря применению усилителя генератор имеет высокую нагрузочную способность. Недостатками такой схемы являются также малое значение коэффициента использования напряжения питания, определяемое характеристиками выходного каскада усилителя и составляющее 0,8-0,9.

Наиболее близким к заявленному является формирователь линейно изменяющегося напряжения (см., например, кн. Бондарь В.А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 48 -49, рис.2-21, 2-22), содержащий усилитель, последовательную RC-цепь, средняя точка которой подключена к входу усилителя, резистор - к выводу для подключения входного напряжения, конденсатор - к выходному выводу, а также ключ, включенный параллельно конденсатору RС-цепи, управляющий вход ключа соединен с входом управления формирователя линейно изменяющегося напряжения. Однако коэффициент использования напряжения питания, определяемый характеристиками выходного каскада усилителя, также не может быть получен больше единицы.

Задачей изобретения является увеличение коэффициента использования напряжения питания.

Решение задачи достигается тем, что в формирователе линейно изменяющегося напряжения, содержащем инвертирующий усилитель, последовательную RС-цепь, средняя точка которой подключена к инвертирующему входу усилителя, резистор - к выводу для подключения входного напряжения, а конденсатор - к выходному выводу, а также первый ключ, первый вывод коммутируемой цепи которого соединен со средней точкой RС-цепи, второй - с выходом формирователя, а управляющий вход - с входом управления формирователя, введены дополнительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элемент сопротивления, включенный между выходным выводом формирователя и источником питания, а также второй ключ, подключенный параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом. При этом достигается наибольшая степень повышения выходного напряжения.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено дополнительным конденсатором, включенным между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенным между выходным выводом формирователя и источником питания, а также вторым ключом, подключенным параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом. Элемент сопротивления может быть выполнен в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом.

На фиг. 1 приведен пример схемы предложенного формирователя линейно изменяющегося напряжения. Схема содержит инвертирующий усилитель 1 (А1), вход которого через входной резистор 2 (R1) RС- цепи соединен с выводом 3 для подключения первого входного напряжения, конденсатор 4, включенный между входом усилителя 1 и выходным выводом 5, элемент сопротивления 6, включенный между выходным 5 выводом и источником питания U_ПИТ, дополнительный конденсатор 7 (С2), включенный между выходом усилителя 1 и выходным выводом 5. Первый ключ 8 (S1) включен параллельно конденсатору 4, а второй ключ 9 (S2) - параллельно дополнительному конденсатору 7. Управление обоими ключами осуществляется синхронно напряжением U_УПР, подаваемым на вход 10 управления. Элемент сопротивления 6 выполнен в виде стабилизатора тока на транзисторах 11 (VT1) и 12 (VT2). Резистор 13 (R2) служит для задания значения тока стабилизации. Последовательно с транзистором 12 включен диод 14. Выполнение формирователя тока 6 в виде стабилизатора тока позволяет получить максимальное значение коэффициента использования напряжения питания и малую зависимость этого коэффициента от сопротивления нагрузки. Диод 14 предотвращает шунтирование нагрузки транзистором 12 при превышении выходным напряжением U_ВЫХ напряжения питания U_ПИТ.

На фиг.2 приведен второй пример схемы предложенного формирователя. Основная часть этой схемы, содержащая усилитель 1, входной резистор 2, конденсаторы 4 и 7, а также ключи 8 и 9, выполнена аналогично предыдущей схеме. Формирователь тока 6 выполнен в виде резистора 15 (R3) с диодом 14, что обеспечивает простоту схемы.

На фиг.3 изображена временная диаграмма, поясняющая работу предложенного формирователя линейно изменяющегося напряжения. Здесь 16 - график напряжения на выходе усилителя; 17 - график выходного линейно изменяющегося напряжения.

Генератор линейно изменяющегося напряжения работает следующим образом. При полярности диода 14, показанной на приведенных схемах, на вход 3 подается напряжение U_ВХ отрицательной полярности, а напряжение питания U_ПИТ - положительной. Управляющий сигнал U_УПР прямоугольной формы периодически синхронно изменяет состояние ключей 8 и 9. В течение времени обратного хода ключи 8 и 9 замкнуты, конденсаторы 4 и 7 разряжаются, и выходное напряжение практически равно нулю. В момент начала прямого хода ключи 8 и 9 размыкаются и конденсаторы 4 и 7 начинают заряжаться током через элемент сопротивления 6, в схеме на фиг.1 - стабилизатор тока, а в схеме на фиг.2 - резистор 15.

Благодаря усилительным свойствам усилителя 1 и отрицательной обратной связи через конденсатор 4 на выходе 5 формируется линейно нарастающее напряжение 17 U_ВЫХ. На интервале (t₀-t₂) времени диод 14 открыт, и соотношение для токов выходного узла можно записать в виде:
I_ЭС = I_С1 + I_С2 + I_Н,
где I_ЭС - ток элемента сопротивления 6; I_С1 и I_С2 - токи конденсаторов 4 и 7 соответственно; I_Н - ток нагрузки, подключенной к выводу 5 (на схеме не показана).

Ток I_С1, определяющий скорость нарастания напряжения 17, задается резистором R1 и входным напряжением U_ВХ1.

На начальном интервале (t₀-t₁) времени нарастания напряжения 17 ток I_ЭС элемента сопротивления 6 превышает значение, необходимое для заряда конденсатора 7 с требуемой скоростью изменения напряжения 17, и конденсатор 7 заряжается быстрее. Ускоренный заряд конденсатора 7 током I_С2 компенсируется снижением напряжения 16 на выходе усилителя 1. По мере увеличения выходного напряжения 17 на выводе 5 и тока нагрузки ток конденсатора 7 уменьшается и становится недостаточным для поддержания его заряда с требуемой скоростью. Поэтому за счет обратной связи усилителя 1, осуществляемой через конденсатор 4, напряжение 16 на выходе усилителя 1 начинает увеличиваться и через конденсатор 7 создает дополнительный ток, поддерживающий необходимую скорость нарастания выходного напряжения 17. Благодаря энергии, запасенной конденсатором 7 на начальном интервале времени, такой режим продолжается некоторое время даже и после того, как напряжение 17 достигает значения U_ПИТ и диод 14 в момент времени t₂ закрывается. В результате этого на выходе 5 может быть сформировано напряжение 17, значение которого превышает напряжения питания U_ПИТ, т. е. коэффициент использования напряжения питания, равный отношению амплитуды выходного напряжения к напряжению питания, будет больше единицы.

По окончании прямого хода в момент времени t₃ ключи 8 и 9 замыкаются, и конденсаторы 4 и 7 разряжаются, т.е. схема подготавливается к формированию нового импульса прямого хода, который начинается в момент времени t₄. Благодаря неизменному значению тока I_ЭС на интервале времени t₀-t₂ при выполнении элемента сопротивления в виде стабилизатора тока заряд конденсатора 7 продолжается в течение всего этого интервала, а на интервале t₂-t₃ дольше поддерживает нарастание выходного напряжения, что и обеспечивает максимальное значение коэффициента использования напряжения питания.

В схеме на фиг.2 на интервале времени t₀-t₂ формирования линейно изменяющегося напряжения (при выходном напряжении меньшем напряжения питания) ток элемента сопротивления 6 - резистора 15 - имеет переменное значение, плавно уменьшающееся до нуля. Это несколько (на 5-15%) снижает коэффициент использования напряжения питания. Формирование обратного хода линейно изменяющегося напряжения происходит при замыкании ключей 8 и 9 аналогично. Наиболее эффективно применение в предложенном устройстве операционных усилителей, но поставленная задача - увеличение коэффициента использования напряжения питания - решается и при использовании усилителей (на одном-трех транзисторах) со сравнительно небольшим коэффициентом усиления.

Проверка работы этих схем на ЭВМ с применением системы моделирования MICROCAP - V показала, что при напряжении U_ПИТ=15 В и питании усилителя 1 напряжением ±15 В можно получить линейно изменяющееся напряжение 17 амплитудой до 40 В. Напряжение 16 на выходе усилителя 1 при этом изменяется в диапазоне ±12 В, а коэффициент использования напряжения питания U_ПИТ достигает значения 2,67. Диод 14 не является обязательным элементом схемы. При его отсутствии коэффициент использования напряжения питания снижается до значений, равных 1,2-1,5, но остается больше единицы.

Таким образом, предложенный формирователь линейно изменяющегося напряжения позволяет получить линейно изменяющееся напряжение, превышающее напряжение питания элементов его схемы, что обеспечивает значение коэффициента использования напряжения питания больше единицы. Благодаря этому для формирования линейно изменяющегося напряжения амплитудой до 40 В можно использовать распространенные операционные усилители с напряжением питания ±15 В.

Изобретение относится к промышленной электронике и может использоваться в приборостроении и автоматике для формирования напряжения пилообразной формы блоков развертки, аналого-цифровых преобразователей, широтно-импульсных модуляторов, устройств управляемой задержки. Технический результат заключается в увеличении коэффициента использования напряжения питания. Формирователь (Ф) содержит инвертирующий усилитель (У) (1) с последовательной RC-цепью в цепи его отрицательной обратной связи, параллельно конденсатору (К) (4) которой включен первый ключ (Кл) (8). Введены дополнительный К (7), включенный между выходом У (1) и выходом Ф, элемент сопротивления (ЭС), включенный между выходом Ф и источником питания, второй Кл (9), включенный параллельно К (7) и коммутируемый синхронно с Кл (8). ЭС может быть выполнен в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Формирователь линейно изменяющегося напряжения, содержащий инвертирующий усилитель, последовательную RC-цепь, средняя точка которой подключена к инвертирующему входу усилителя, резистор - к выводу для подключения входного напряжения, а конденсатор - к выходному выводу, а также первый ключ, первый вывод коммутируемой цепи которого соединен со средней точкой RC-цепи, второй - с выходом формирователя, а управляющий вход - с входом управления формирователя, отличающийся тем, что снабжен дополнительным конденсатором, включенным между выходом усилителя и выходным выводом формирователя, элементом сопротивления, включенным между выходным выводом формирователя и источником питания, а также вторым ключом, подключенным параллельно дополнительному конденсатору и коммутируемым синхронно с первым ключом. 2. Формирователь по п. 1, отличающийся тем, что элемент сопротивления выполнен в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом.