ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОК Российский патент 2009 года по МПК H02M7/155 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике, преимущественно, в высоковольтной и силовой электронике.

Наиболее близким аналогом является преобразователь абсолютного значения напряжения в ток, содержащий последовательно соединенные токозадающий резистор, операционный усилитель и выпрямитель, включающий каскад из n-р-n-транзистора и схему «токовое зеркало», состоящую из двух n-р-n-транзисторов, при этом входная шина через токозадающий резистор подключена к одному из входов операционного усилителя, к входу схемы «токовое зеркало» и эмиттеру n-р-n-транзистора каскада, коллектор которого подключен к выходной шине (JP 61045314, NIPPON ELECTRIC CO, 05.03.1986).

Однако известный преобразователь является недостаточно надежным при использовании его в измерительных схемах высоковольтной и силовой электроники.

Известно, что в схемах высоковольтной и силовой электроники напряжение может меняться в зависимости от состояния нагрузки в широких пределах. Особенно характерно это проявляется в высоковольтных схемах электрических балластов для газоразрядных ламп, рабочее напряжение которых находится в пределах десятков вольт, а напряжение поджига достигает киловольта и более.

В известном техническом решении весь ток, потребляемый преобразователем от входной цепи, протекает через выход операционного усилителя. При существенном увеличении входного напряжения над расчетным рабочим интервалом выходной каскад операционного усилителя не обеспечивает протекание увеличивающегося тока. За счет этого в схеме преобразователя возможно повреждение операционного усилителя избыточным током либо появление недопустимого высокого напряжения.

Кроме того, использование известного преобразователя ограничено. Наличие в схеме преобразователя низкочастотных элементов, в частности операционного усилителя, не позволяет использовать его для преобразования сигналов в широком диапазоне частот, характерном для импульсных схем силовой электроники.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании преобразователя абсолютного значения напряжения в ток, устойчивого к перегрузкам по напряжению с расширенной областью использования.

Технический результат заключается в повышении устойчивости к перегрузке по напряжению и возможности определения абсолютного значения напряжения входного сигнала в широком диапазоне частот за счет использования элементов с высокочастотными характеристиками, устойчивыми к перегрузкам по напряжению.

Это достигается тем, что преобразователь абсолютного значения напряжения в ток содержит токозадающий резистор и выпрямитель, включающий n-р-n-транзистор и схему «токовое зеркало», состоящую из двух n-р-n-транзисторов, при этом входы каскада и схемы «токовое зеркало» соединены между собой и связаны через токозадающий резистор с входной шиной, а их выходы - непосредственно соединены с выходной шиной.

Возможен вариант, в котором в цепь соединения эмиттера с общей шиной каждого из транзисторов схемы «токовое зеркало» включен соответствующий резистор, за счет чего повышается точность работы схемы «токовое зеркало». Это позволяет уменьшить требования к точности согласования используемых в схеме транзисторов.

Предлагаемый преобразователь осуществляет преобразование абсолютного значения входного напряжения в ток и предназначен для работы в диапазоне входных напряжений, существенно превышающих порог открывания перехода база-эмиттер кремневого транзистора, который обычно равен (0,6-0,8)В.

На чертеже представлен вариант исполнения предлагаемого преобразователя.

Преобразователь абсолютного значения напряжения в ток содержит токозадающий резистор 1 и выпрямитель, включающий каскад с общей базой на n-р-n-транзисторе 2 и схему 3 «токовое зеркало», состоящую из двух n-р-n-транзисторов 4 и 5, при этом входы каскада и схемы «токовое зеркало» соединены между собой и связаны через токозадающий резистор 1 с входной шиной 6, а их выходы - непосредственно соединены с выходной шиной 7.

Преобразователь работает следующим образом.

При положительном входном напряжении транзистор 2 смещен в обратном направлении, он закрыт и на работу схемы преобразователя не влияет. Входной ток детектора Jвх протекает через токозадающий резистор 1 и открытый переход база-эмиттер транзистора 4. Величина входного тока Jвх согласно закону Ома определяется по формуле:

Jвх=(Uвх-Uбэ)/R1,

где Uвх - входное напряжение детектора. В,

Uбэ - напряжение, равное порогу открывания перехода база-эмиттер транзистора, В,

R1 - сопротивление токозадающего резистора 1, Ом.

Поскольку в схеме 3 «токовое зеркало» используют согласованные по характеристикам транзисторы 4 и 5, то эмиттерный и коллекторный токи транзистора 4 с высокой степенью точности равны эмиттерному току транзистора 5. В связи с чем, через выходную шину 7 протекает ток, равный входному току Jвх.

При отрицательном входном напряжении переходы эмиттер-база транзисторов 4 и 5 заперты. Транзисторы 4 и 5 закрыты и на работу схему не влияют. Входной ток Jвх детектора протекает через токозадающий резистор 1 и открытый переход база-эмиттер транзистора 2. В этом случае величина входного тока определяется по формуле:

Jвх=(-Uвх-Uбэ)/R1.

Следовательно, полярность тока не зависит от полярности входного напряжения и всегда положительна.

Значение тока в общем виде можно представить:

Jвх=(|Uвх|-Uбэ)/R1.

При больших значениях входного напряжения Uвх можно пренебречь величиной Uбэ. В этом случае Jвх можно будет рассчитывать по формуле:

Jвх=|Uвх|/R1.

Таким образом, предлагаемый преобразователь осуществляет преобразование абсолютного значения напряжения в ток.

В предложенном схемном решении высокая стойкость к перегрузкам по входу определяется максимально допустимыми токами базы применяемых транзисторов. Если значение входного тока Jвх не превышает предельно допустимого тока базы транзистора, то напряжение на входной шине Uвх остается в пределах напряжения открывания кремневого транзистора, т.е. (0,6-0,8)В. Таким образом, обеспечивается цельность транзисторов и исключается повреждение высоким напряжением, например, измерительной схемы, подключенной к выходу преобразователя. Это делает возможным использование преобразователя в высоковольтной и силовой электронике.

Кроме того, за счет использования элементов с высокочастотными характеристиками предлагаемый преобразователь можно использовать для преобразования входных сигналов в широком диапазоне частот.

Предлагаемый преобразователь можно использовать в измерительной технике для измерения характеристик входного напряжения.

Например, для измерения средневыпрямленного значения входного напряжения достаточно нагрузить схему RC-цепочкой. При переменном входном напряжении RC-цепочка выполняет функцию усреднения значения выходного напряжения для частот, существенно больших частоты среза RC-цепочки.

Для измерения мгновенных значений модуля входного напряжения преобразователь следует нагрузить аналого-цифровым преобразователем. При использовании известных математических операций над последовательными отсчетами аналого-цифрового преобразователя можно вычислить квадратичное значение входного напряжения, а также его амплитудное значение.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике, преимущественно, в высоковольтной и силовой электронике. Технический результат заключается в повышении устойчивости к перегрузке по напряжению и возможности определения абсолютного значения напряжения входного сигнала в широком диапазоне частот за счет использования элементов с высокочастотными характеристиками, устойчивыми к перегрузкам по напряжению. Преобразователь содержит токозадающий резистор и выпрямитель, включающий n-р-n-транзистор и схему «токовое зеркало», состоящую из двух n-р-n-транзисторов, при этом входы каскада и схемы «токовое зеркало» соединены между собой и связаны через токозадающий резистор с входной шиной, а их выходы - непосредственно соединены с выходной шиной. Цепь соединения эмиттера с общей шиной каждого из транзисторов схемы «токовое зеркало» может включать соответствующий резистор, за счет чего повышается точность работы схемы «токовое зеркало». 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Преобразователь абсолютного значения напряжения в ток, содержащий токозадающий резистор и выпрямитель, включающий каскад с общей базой на n-р-n транзисторе и схему «токовое зеркало», состоящую из двух n-р-n транзисторов, при этом входы каскада и схемы «токовое зеркало» соединены между собой и связаны через токозадающий резистор с входной шиной, а их выходы непосредственно соединены с выходной шиной и нагрузочной цепью.2. Преобразователь по 1, отличающийся тем, что в цепь соединения эмиттера с общей шиной каждого из транзисторов схемы «токовое зеркало» включен соответствующий резистор.