АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОМУЛЬТИВИБРАТОР Российский патент 2012 года по МПК H03K3/02 H03B5/04 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к инфранизкочастотным импульсным устройствам с термозависимыми времязадающими элементами, и может быть использовано в приборах автоматического контроля и регулирования.

Известны автоколебательные термомультивибраторы, в которых для формирования выходных импульсов заданной длительности и периода следования используются нестационарные тепловые процессы, сопровождающиеся изменением температуры времязадающего элемента (см., например, Дружинин А.Я. Генераторы импульсов с термозависимыми времязадающими элементами. М: Энергия, 1973, с.62-70, рис.29, 33-35). В отличие от устройств аналогичного назначения, использующих электрические, магнитные, электромеханические или пневматические времязадающие элементы, автоколебательные термомультивибраторы с тепловыми обратными связями позволяют формировать выходные импульсы большой длительности и периода следования при малых габаритах и массе времязадающего элемента.

Недостатком известных автоколебательных термомультивибраторов является относительно низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов. Одной из причин этого является малая скорость изменения напряжения на информационном входе их пороговых устройств при нагревании и охлаждении термозависимого элемента, следствием чего является продолжительное время пребывания этого напряжения в зонах неопределенности срабатывания пороговых устройств и небольшая точность задания ими моментов формирования фронта и спада выходных импульсов в процессе компарирования.

Кроме того, функциональные возможности известных автоколебательных термомультивибраторов ограничены, так как они, как правило, формируют периодическую последовательность только прямоугольных импульсов напряжения.

В качестве прототипа выбран автоколебательный термомультивибратор (см. Дружинин А.Я. Импульсные устройства с электротепловыми элементами. - М.: Радио и связь, 1985, с.41, рис.2.12,a), содержащий устройство управления, состоящее из подключенных соответственно к общей шине и шине питания последовательно соединенных балластного элемента и термозависимого элемента, сопряженного посредством тепловой связи с подогревающим элементом, включенным между инверсным выходом триггера и общей шиной, первое и второе пороговые устройства, подключенные первыми входами к выходу первого и второго источников опорного напряжения соответственно, а вторыми входами (информационными) - к общей точке соединения балластного и термозависимого элементов, при этом выходы первого и второго пороговых устройств подключены к S и R входам триггера соответственно, прямой выход которого соединен с выходной шиной.

В прототипе при высоком логическом уровне напряжения на инверсном выходе триггера термозависимый элемент нагревается от подогревающего элемента, что ведет к росту выходного напряжения устройства управления. При температуре термозависимого элемента, равной Т_макс, выходное напряжение устройства управления достигает порогового значения и первое пороговое устройство формирует сигнал, изменяющий состояние триггера, в результате чего подогревающий элемент обесточивается и охлаждается. Следствием этого является охлаждение термозависимого элемента и уменьшение выходного напряжения устройства управления. При температуре термозависимого элемента, равной Т_мин, выходное напряжение устройства управления достигает второго порогового значения и второе пороговое устройство формирует сигнал, возвращающий триггер в исходное состояние, вследствие чего термозависимый элемент вновь нагревается. В результате периодической повторяемости этих процессов на выходной шине формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжения заданной длительности и периода следования.

Недостатком прототипа является относительно низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, что обусловлено малой скоростью нарастания и спада напряжения на информационном входе первого и второго пороговых устройств при изменении температуры термозависимого элемента устройства управления, следствием чего является длительное время пребывания этого напряжения в зонах неопределенности срабатывания первого и второго пороговых устройств и небольшая точность задания ими моментов формирования фронта и спада выходных импульсов в процессе компарирования.

Кроме того, функциональные возможности прототипа ограничены формированием периодической последовательности только прямоугольных импульсов напряжения, что можно считать его недостатком.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение стабильности длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, а также расширение функциональных возможностей.

Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в автоколебательном термомультивибраторе, содержащем триггер, подключенный первым выходом к первой выходной шине и к входу подогревающего элемента, сопряженного посредством тепловой связи с термозависимым элементом устройства управления, второй выход триггера подключен ко второй выходной шине, S вход триггера соединен с выходом первого порогового устройства, подключенного первым входом к выходу первого источника опорного напряжения, R вход триггера соединен с выходом второго порогового устройства, подключенного первым входом к выходу второго источника опорного напряжения, предусмотрены следующие отличия: выход устройства управления соединен с третьей выходной шиной и подключен ко второму входу первого и второму входу второго пороговых устройств через первый и второй преобразователи частота-напряжение соответственно, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и интегратор, при этом выход фильтра первого преобразователя частота-напряжение подключен к четвертой выходной шине, а выход фильтра второго преобразователя частота-напряжение подключен к пятой выходной шине.

Кроме того, автоколебательный термомультивибратор отличается тем, что устройство управления представляет собой автогенераторный преобразователь температура-частота дискретного действия, содержащий звуковод, образующий ультразвуковую линию связи между излучающим и приемным пьезоакустическими преобразователями, усилитель мощности, выход которого соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя, предварительный усилитель, соединенный входом с выходом приемного пьезоакустического преобразователя, элемент обратной связи, соединяющий выход предварительного усилителя с входом усилителя мощности, при этом термозависимый элемент, акустическое сопротивление которого резко изменяется при достижении пороговой температуры, включен в разрыв звуковода.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается стабильность длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, а также расширяются функциональные возможности.

На фиг.1 представлена функциональная схема автоколебательного термомультивибратора; на фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие работу автоколебательного термомультивибратора (для наглядности изображения масштабы по осям абсцисс и ординат не соблюдены).

Автоколебательный термомультивибратор содержит (см. фиг.1): триггер 1; первую выходную шину 2; подогревающий элемент 3; устройство управления 4; вторую выходную шину 5; первое пороговое устройство 6; первый источник опорного напряжения 7; второе пороговое устройство 8; второй источник опорного напряжения 9; третью выходную шину 10; первый 11 и второй 12 преобразователи частота-напряжение; четвертую 13 и пятую 14 выходные шины.

Первый преобразователь частота-напряжение 11 содержит: фильтр 15; амплитудный детектор 16; интегратор 17. Второй преобразователь частота-напряжение 12 содержит: фильтр 18; амплитудный детектор 19; интегратор 20.

Устройство управления 4 содержит: термозависимый элемент 21; звуковод 22; излучающий 23 и приемный 24 пьезоакустические преобразователи; усилитель мощности 25; предварительный усилитель 26; элемент обратной связи 27.

Первый выход триггера 1 подключен к первой выходной шине 2 и к входу подогревающего элемента 3. Подогревающий элемент 3 сопряжен посредством тепловой связи с термозависимым элементом 21 устройства управления 4. Второй выход триггера 1 подключен ко второй выходной шине 5. S вход триггера 1 соединен с выходом первого порогового устройства 6. Первый вход первого порогового устройства 6 подключен к выходу первого источника опорного напряжения 7. R вход триггера 1 соединен с выходом второго порогового устройства 8. Первый вход второго порогового устройства 8 подключен к выходу второго источника опорного напряжения 9. Выход устройства управления 4 соединен с третьей выходной шиной 10 и подключен ко второму входу первого 6 и второму входу второго 8 пороговых устройств через первый 11 и второй 12 преобразователи частота-напряжение соответственно. Выход фильтра 15 первого преобразователя частота-напряжение 11 подключен к четвертой выходной шине 13. Выход фильтра 18 второго преобразователя частота-напряжение 12 подключен к пятой выходной шине 14.

Звуковод 22 образует ультразвуковую линию связи между излучающим 23 и приемным 24 пьезоакустическими преобразователями. Выход усилителя мощности 25 соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя 23. Вход предварительного усилителя 26 соединен с выходом приемного пьезоакустического преобразователя 24. Элемент обратной связи 27 соединяет выход предварительного усилителя 26 с входом усилителя мощности 25. Термозависимый элемент 21 включен в разрыв звуковода 22.

В качестве термозависимого элемента 21 использован электрический полимерный самовосстанавливающийся предохранитель MULTIFUSE (см., например, Самовосстанавливающие предохранители MULTIFUSE фирмы Bourns. - Радио, 2000, №11, с.49-51).

Автоколебательный термомультивибратор работает следующим образом.

В момент времени t₀ (см. фиг.2) температура термозависимого элемента 21 Т_ТЗЭ равна T₁, при этом на первом выходе триггера 1 и первой выходной шине 2 сформировано напряжение U_ВЫХ1 высокого логического уровня, которое поступает на вход подогревающего элемента 3, в результате чего подогревающий элемент 3 нагревается и повышает температуру термозависимого элемента 21 Т_ТЗЭ.

В это же время излучающий пьезоакустический преобразователь 23 возбуждает в звуководе 22 акустические волны, которые проходят через термозависимый элемент 21 и достигают приемного пьезоакустического преобразователя 24, преобразующего их в электрический сигнал. Этот сигнал, усиленный предварительным усилителем 26, через элемент обратной связи 27 подается в фазе на вход усилителя мощности 25. В результате действия положительной обратной связи в устройстве управления 4 возникают автоколебания, а на его выходе формируется синусоидальное напряжение U_УУ частотой F₁, поступающее на вход первого 11 и вход второго 12 преобразователей частота-напряжение.

Значение частоты F₁ лежит в полосе пропускания фильтра 15, но вне полосы пропускания фильтра 18, поэтому синусоидальное напряжение U_УУ проходит через фильтр 15 беспрепятственно, а фильтром 18 существенно ослабляется. Выходное напряжение фильтра 15 U_Ф1 выпрямляется амплитудным детектором 16, а выходное напряжение фильтра 18 U_Ф2 - амплитудным детектором 19. Интегратор 17 сглаживает пульсации выходного напряжения амплитудного детектора 16, а интегратор 20 - амплитудного детектора 19. В результате этого выходное синусоидальное напряжение фильтра 15 U_Ф1 и фильтра 18 U_Ф2 преобразуется в пропорциональное их амплитудам постоянное выходное напряжение интеграторов 17, 20 U_И1 и 11_И2 соответственно. Выходное напряжение интегратора 17 U_И1 существенно превышает выходное напряжение интегратора 20 U_И2, выходное напряжение первого источника опорного напряжения 7 U_ОП1 меньше выходного напряжения интегратора 17 U_И1, выходное напряжение второго источника опорного напряжения 9 U_ОП2 больше выходного напряжения интегратора 20 U_И2, поэтому на выходе первого порогового устройства 6 формируется напряжение высокого логического уровня, а на выходе второго порогового устройства 8 - низкого логического уровня. Выходные напряжения первого 6 и второго 8 пороговых устройств, поступая соответственно на S и R входы триггера 1, поддерживают его в исходном состоянии.

В момент времени t₁ температура термозависимого элемента 21 Т_ТЗЭ достигает величины Т₂, при которой изменяется кристаллическая структура заполняющего его полимера. В результате этого происходит скачкообразное изменение не только электрического, но и акустического сопротивления термозависимого элемента 21 и, как следствие, скачкообразное изменение частоты автоколебаний устройства управления 4, в результате чего на его выходе появляется синусоидальное напряжение U_УУ частотой F₂.

Значение частоты F₂ лежит в полосе пропускания фильтра 18, но вне полосы пропускания фильтра 15, поэтому выходное напряжение фильтра 18 U_Ф2 и выходное напряжение интегратора 20 U_И2 в момент времени t₁ резко увеличиваются, а выходное напряжение фильтра 15 U_Ф1 и выходное напряжение интегратора 17 U_И1 резко уменьшаются. В результате этого выходное напряжение интегратора 20 U_И2 становится больше выходного напряжения второго источника опорного напряжения 9 U_ОП2, а выходное напряжение интегратора 17 U_И1 становится меньше выходного напряжения первого источника опорного напряжения 7 U_ОП1, вследствие чего на выходе второго порогового устройства 8 формируется напряжение высокого логического уровня, а на выходе первого порогового устройства 6 - низкого логического уровня.

В момент времени t₁ напряжение высокого логического уровня, поступающее на R вход триггера 1, изменяет его состояние на противоположное, при этом на первом выходе триггера 1 и первой выходной шине 2 формируется напряжение U_ВЫХ1 низкого логического уровня, а на втором выходе и второй выходной шине 5 формируется напряжение U_ВЫХ2 высокого логического уровня. Напряжение U_ВЫХ1 низкого логического уровня, поступая на вход подогревающего элемента, блокирует его работу, вследствие этого подогревающий элемент 3 и термозависимый элемент 21 начинают охлаждаться.

В момент времени t₂ температура термозависимого элемента 21 Т_ТЗЭ понижается до T₁ и его акустическое сопротивление вновь возвращается к первоначальному значению, в результате чего частота автоколебаний устройства управления 4 вновь скачкообразно изменяется до F₁, при этом на выходе первого порогового устройства 6 появляется напряжение высокого логического уровня, а на выходе второго порогового устройства 8 - низкого логического уровня, вследствие чего триггер 1 вновь изменяет свое состояние на противоположное.

В результате периодической повторяемости этих процессов на первой 2 и второй 5 выходных шинах формируются последовательности противофазных прямоугольных импульсов напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 соответственно, на третьей выходной шине 10 формируется синусоидальное частотно-манипулированное напряжение U_УУ, частота которого скачкообразно изменяется от F₁ до F₂ с периодичностью, равной периоду следования t_ПЕР прямоугольных импульсов напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2. Кроме того, с такой же периодичностью на четвертой 13 и пятой 14 выходных шинах формируются противофазные импульсы напряжения U_Ф1 и U_Ф2 с частотами заполнения F₁ и F₂ соответственно (напряжениями U_Ф1 и U_Ф2 вне полосы пропускания фильтров 15 и 18 можно пренебречь в виду малости их величин).

Повышение стабильности длительности t_И и периода следования t_ПЕР выходных импульсов напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 в предлагаемом автоколебательном термомультивибраторе достигается за счет более высокой, чем у прототипа скорости нарастания и спада напряжений U_И1 и U_И2 на информационном входе первого 6 и второго 8 пороговых устройств соответственно, поэтому напряжения U_И1 и U_И2 пересекают соответствующие линии опорных напряжений U_ОП1 и U_ОП2 под углами α₁, β₁ и α₂, β₂, близкими к 90°, в результате чего существенно уменьшается время нахождения напряжений U_И1 и U_И2 в зоне неопределенности срабатывания ΔU₁ и ΔU₂ первого 6 и второго 8 пороговых устройств соответственно, а следовательно, повышается точность задания моментов формирования фронта и спада выходных импульсов напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2 при компарировании. Наличие зон неопределенности ΔU₁ и ΔU₂ обусловлено, в частности, нестабильностью передаточной характеристики первого 6 и второго 8 пороговых устройств, а также нестабильностью выходных напряжений U_ОП1 и U_ОП2 первого 7 и второго 9 источников опорного напряжения соответственно.

Таким образом, предлагаемый автоколебательный термомультивибратор выгодно отличается от прототипа, так как формирует на первой 2 и второй 5 выходных шинах более стабильные по длительности и периоду следования противофазные прямоугольные импульсы напряжения U_ВЫХ1 и U_ВЫХ2, и, кроме того, он имеет более широкие функциональные возможности за счет формирования на третьей выходной шине 10 синусоидального частотно-манипулированного напряжения U_УУ, а на четвертой 13 и пятой 14 выходных шинах - противофазных импульсов напряжения U_Ф1 и U_Ф2 с частотами заполнения F₁ и F₂ соответственно.

Применение предлагаемого автоколебательного термомультивибратора в приборах автоматического контроля и регулирования позволит улучшить их точностные характеристики и расширить эксплуатационные возможности.

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к инфранизкочастотным импульсным устройствам с термозависимыми времязадающими элементами, и может быть использовано в приборах автоматического контроля и регулирования. Технический результат - повышение стабильности длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, а также расширение функциональных возможностей. Автоколебательный термомультивибратор содержит триггер, первый выход которого подключен к входу подогревающего элемента, который сопряжен посредством тепловой связи с термозависимым элементом устройства управления, которое представляет собой автогенераторный преобразователь температура-частота дискретного действия, два источника опорного напряжения, при этом S вход триггера соединен с выходом первого порогового устройства, R вход триггера соединен с выходом второго порогового устройства, выход устройства управления подключен ко второму входу первого и второму входу второго пороговых устройств через первый и второй преобразователи частота-напряжение соответственно, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и интегратор. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автоколебательный термомультивибратор, содержащий триггер, подключенный первым выходом к первой выходной шине и к входу подогревающего элемента, сопряженного посредством тепловой связи с термозависимым элементом устройства управления, второй выход триггера подключен ко второй выходной шине, S вход триггера соединен с выходом первого порогового устройства, подключенного первым входом к выходу первого источника опорного напряжения, R вход триггера соединен с выходом второго порогового устройства, подключенного первым входом к выходу второго источника опорного напряжения, отличающийся тем, что выход устройства управления соединен с третьей выходной шиной и подключен ко второму входу первого и второму входу второго пороговых устройств через первый и второй преобразователи частота-напряжение соответственно, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и интегратор, при этом выход фильтра первого преобразователя частота-напряжение подключен к четвертой выходной шине, а выход фильтра второго преобразователя частота-напряжение подключен к пятой выходной шине.

2. Автоколебательный термомультивибратор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления представляет собой автогенераторный преобразователь температура-частота дискретного действия, содержащий звуковод, образующий ультразвуковую линию связи между излучающим и приемным пьезоакустическими преобразователями, усилитель мощности, выход которого соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя, предварительный усилитель, соединенный входом с выходом приемного пьезоакустического преобразователя, элемент обратной связи, соединяющий выход предварительного усилителя с входом усилителя мощности, при этом термозависимый элемент, акустическое сопротивление которого резко изменяется при достижении пороговой температуры, включен в разрыв звуковода.