УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА ДЛЯ ЗАЗЕМЛЕННОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2015 года по МПК H02M3/04 

Изобретение относится к области автоматики и электроники как средство для управления физическими процессами и может быть использовано в технологиях электрохимических измерений при экологических и океанографических исследованиях.

В управляемых источниках тока для заземленной нагрузки выходной ток, как правило, контролируется на опорном резисторе, включенном последовательно с выходной цепью устройства, и преобразуется в сигнал обратной связи, необходимый для управления выходным током. Основное требование к средству контроля при этом заключается в том, чтобы его контролирующие цепи были весьма высокоомны и ответвляли от выходного тока устройства как можно меньшую часть, чтобы не уменьшить точность управления током.

Измерители, используемые для исследований среды, должны быть не только точны, но и малогабаритны, чтобы чувствовать тонкую структуру этой среды, т.е. устройство должно содержать как можно меньше элементов.

Известны управляемые источники тока для заземленной нагрузки с дифференциальным усилителем [1, с. 134, рис. 7.14]. Для удовлетворения вышеизложенного требования к средству контроля выходного тока можно применить в качестве дифференциального усилителя инструментальный усилитель, что удорожает устройство, либо применить промежуточный усилитель-повторитель, что усложняет схему и создает дополнительную аддитивную погрешность.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является управляемый источник тока, приведенный в [1, с. 134, рис.7.15.а)].

Прототип, подключенный к заземленной нагрузке R_н, изображен на фиг. 1 и содержит первый резистор 1 (R₁), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение U_вх. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R₂) и к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1), выход которого подключен ко второму выводу второго резистора 2. Неинверсный вход первого операционного усилителя 3 заземлен. Устройство содержит второй операционный усилитель 4 (ОУ2), выход которого через третий резистор 5 (R₃) подключен к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1). Выходом устройства является первый вывод опорного резистора 6 (R_oп), который подключается к заземленной нагрузке - сопротивлению R_н. Второй вывод опорного резистора 6 подключен к выходу первого операционного усилителя 3. Выход устройства через четвертый резистор 7 (R₄) подключен к инверсному входу второго операционного усилителя 4, неинверсный вход которого заземлен. Инверсный вход второго операционного усилителя 4 и его выход подключены между собой посредством пятого резистора 8(R₅).

В схеме прототипа [1, с. 134, рис.7.15.а)] показано, что неинверсные входы операционных усилителей подключаются в цепь через балансировочные резисторы, которые уравнивают токи утечки входов этих усилителей. Однако современные микросхемы имеют пренебрежимо малые входные токи, например, с полевыми транзисторами на входе, и достаточно прецизионны [2, с. 351], поэтому балансировочные резисторы на фиг. 1 не показаны.

Первый R₁ и второй R₂ резисторы определяют коэффициент усиления (К_yc1.1) первого усилителя ОУ1 по управляющему напряжению U_вх. Пятый R5 и четвертый R4 резисторы определяют коэффициент усиления (К_ус2) второго усилителя ОУ2 по напряжению, снимаемому с нагрузки R_н. Второй R₂ и пятый R₅ резисторы определяют коэффициент усиления (К_yc1.2) первого усилителя ОУ1 по напряжению обратной связи. Коэффициент усиления (К_yc1.2·К_ус2) обратной связи, образованной операционными усилителями ОУ1 и ОУ2, устанавливают равным единице. Эта обратная связь является положительной. Опорный резистор R_oп, включаемый последовательно с заземленной нагрузкой R_н, определяет величину выходного тока I_вых устройства как отношение U_вх/R_oп.

Такие признаки прототипа, как первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, совпадают с существенными признаками заявленного устройства.

Поясним работу прототипа с помощью его структурной схемы, изображенной на фиг. 2.

Входное управляющее напряжение U_вх с учетом коэффициента усиления первого операционного усилителя ОУ1 по этому входу, К_yc1.1, определяемого соотношением значений первого R₁ и второго R₂ резисторов поступает на первый суммирующий вход управляемого источника тока, представляющий собой инвертирующий сумматор, построенный на первом операционном усилителе ОУ1 и первом R₁, втором R₂, и третьем R₃ резисторах. Напряжение с выхода первого операционного усилителя ОУ1 преобразуется в выходной ток I_вых устройства с помощью опорного резистора R_oп и сопротивления нагрузки R_н. Падение напряжения на нагрузке R_н, вызванное выходным током I_вых, поступает на инвертирующий усилитель, с коэффициентом усиления К_ус2, который построен на втором операционном усилителе ОУ2 и четвертом R₄ и пятом R₅ резисторах. Преобразованное таким образом падение напряжение на нагрузке в напряжение обратной связи поступает на второй суммирующий вход управляемого источника тока, компенсируя влияние нагрузки. При этом произведение коэффициента усиления К_yc1.2 первого операционного усилителя ОУ1 по этому второму суммирующему входу, определяемого третьим R₃ и вторым R₂ резисторами, на коэффициент усиления К_ус2 второго усилителя ОУ2, определяемый четвертым R₄ и пятым R₅ резисторами, устанавливают равным единице.

С учетом приведенной структурной схемы прототипа можно представить его коэффициент преобразования К_пр следующим образом, учитывая, что К_yc1.2·К_ус2=1:

Из полученного выражения видно, что выходной ток прототипа определяется лишь управляющим входным напряжением U_вх и опорным резистором R_oп. Коэффициент усиления К_yc1.1 для простоты расчета схемы устанавливают равный единице.

Недостатком прототипа является то, что в случае высокоомной нагрузки и при малом значении управляемого тока входное сопротивление усилителя обратной связи ограничено, что приводит к ответвлению части управляемого тока, а, значит, и к ошибке управления. Это свойство особенно проявляется при использовании в качестве заземленной нагрузки электродной системы, которая работает в низкопроводящем растворе [3]. Управление током, проходящим через эту систему, осуществляют, контролируя падение напряжения на электродах. Чтобы не снизить точность управления, необходимо увеличить входное сопротивление усилителя обратной связи, т.е. увеличить номиналы четвертого R₄ и пятого R₅ резисторов. Но при этом увеличится аддитивная погрешность второго операционного усилителя ОУ2. (Эта зависимость известна, например, в работе [4, с. 22] сказано, что для уменьшения аддитивной погрешности инверсного усилителя следует уменьшать сопротивление обратной связи и его входное сопротивление) А увеличение аддитивной погрешности ОУ2 снижает точность управления током. В этом заключается техническое противоречие, свойственное прототипу при его работе в таком режиме.

В основу изобретения поставлена задача создания управляемого источника тока для заземленной нагрузки, который обеспечивал бы высокоомный съем сигнала с этой нагрузки, причем без привлечения дополнительных элементных ресурсов, например, согласующего устройства.

Поставленная задача решается тем, что в управляемом источнике тока для заземленной нагрузки, содержащем первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, согласно изобретению первый вывод опорного резистора подключен к неинверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен, при этом второй вывод опорного резистора через элемент-повторитель подключен ко второму выводу третьего резистора.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает новое техническое свойство - возможность подачи падения напряжения на заземленной нагрузке непосредственно на неинверсный вход операционного усилителя, который высокоомен из-за наличия глубокой отрицательной связи, причем без привлечения дополнительного усилителя с глубокой отрицательной связью, как выполнено в известных технических решениях [5], [1, с. 134, рис.7.15, б)].

Это новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - уменьшение искажения сигнала, снимаемого с заземленной нагрузки, за счет увеличения входного сопротивления средства контроля управляемого тока.

Указанный технический результат повышает точность преобразования входного напряжения в выходной ток устройства.

Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение устройства за счет исключения одного из резисторов.

Заявленный управляемый источник тока, подключенный к заземленной нагрузке R_н, изображен на фиг. 3 и содержит первый резистор I (R₁), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение U_вх. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R₂) и к инверсному входу операционного усилителя 3 (ОУ). Выход операционного усилителя 3 подключен ко второму выводу второго резистора 2 и к первому выводу третьего резистора 4 (R₃). Второй вывод третьего резистора 4 подключен к первому выводу четвертого резистора 5 (R₄), второй вывод которого заземлен. Устройство содержит опорный резистор 6 (R_oп), первый вывод которого является выходом устройства и к которому подключен неинверсный вход операционного усилителя 3. Второй вывод опорного резистора 6 через элемент-повторитель 7 (П) подключен ко второму выводу третьего резистора 4.

Поясним работу предложенного устройства с помощью его структурной схемы, приведенной на фиг. 4.

Входное управляющее напряжение U_вх с учетом коэффициента усиления К_yc1.1 операционного усилителя ОУ по этому входу, определяемого соотношением номиналов первого R₁ и второго R₂ резисторов, поступает на суммирующий вход устройства, который представляет собой усилитель с двумя входами - инвертирующий с коэффициентом усиления К_yc1.1, определяемым соотношением номиналов первого R₁ и второго R₂ резисторов, и неинвертирующий с коэффициентом усиления К_yc1.2, определяемым отношением номинала второго R₂ резистора к номиналу первого R₁ резистора плюс единица. Сигнал с ОУ поступает на делитель, выполненный на третьем R₃ и четвертом R₄ резисторах. Соотношение их номиналов выбирают так, чтобы коэффициент передачи этого делителя, умноженный на коэффициент усиления К_yc1.2, был равен единице. Например, при равенстве номиналов первого R₁ и второго R₂ резисторов номиналы третьего R₃ и четвертого R₄ резисторов должны быть тоже равны. Напряжение с делителя поступает на вход элемента-повторителя П. Напряжение с выхода Π преобразуется в выходной ток I_вых устройства с помощью опорного резистора R_oп и нагрузки R_н. Падение напряжения на заземленной нагрузке R_н, вызванное выходным током I_вых поступает на неинверсный вход операционного усилителя ОУ, компенсируя влияние этой нагрузки.

С помощью приведенной структурной схемы предложенного управляемого источника тока можно представить его коэффициент преобразования К_пр следующим образом:

где R₃ и R₄ - номиналы соответственно третьего и четвертого резисторов.

С учетом того, что коэффициент деления делителя, образованного третьим и четвертым резисторами, подбирают так, чтобы его коэффициент деления и коэффициент усиления К_yc1.2 операционного усилителя по неинверсному входу образовали единичную положительную обратную связь, выражение (2) в конечном счете примет вид:

откуда видно, что выходной ток предложенного управляемого источника тока определяется лишь управляющим входным напряжением U_вх и опорным резистором R_oп. Некоторое уменьшение коэффициента передачи предложенного устройства по сравнению с прототипом, вызванное коэффициентом передачи делителя, легко компенсируется соотношением значений К_yc1.1 и R_oп.

Элемент-повторитель 7 может быть реализован на базе второго операционного усилителя, неинверсный вход которого является входом повторителя. При этом выход этого операционного усилителя подключен к его инверсному входу и является выходом элемента-повторителя 7.

Достоинство заявленного управляемого источника тока заключается также в том, что в случае использования в качестве заземленной нагрузки электродной системы повторитель 7 может быть выполнен в виде простого проводника, без привлечения в устройство для выполнения этой функции элементных ресурсов и свойственной им аддитивной погрешности! Это поясняется следующим. При построении измерителей концентраций растворенных веществ с передаточной функцией, использующей основное уравнение электрохимической кинетики, рабочий электрод поляризуют током, близким к токам обмена, который может иметь порядок от 10^-8 до 10^-13А [6, с. 212]. Например, ионоселективные стеклянные электроды имеют электрическое сопротивление более 100 МОм [7, с. 71]. Это значит, что выходной ток, протекающий через нагрузку, значительно меньше тока I_д, протекающего через делитель, образованный третьим R₃ и четвертым R₄ резисторами (I_вых<<I_д). Поэтому при такой заземленной нагрузке второй операционный усилитель в качестве элемента-повторителя не нужен.

Для управления электрохимической реакцией на электродах [8. 9] предложенный управляемый источник тока эффективен и удобен.

Он может быть выполнен, например, на прецизионной микросхеме ОРА2107 фирмы Burr-Brown с полевыми транзисторами на входе [10].

Использованные источники:

1. Щербаков В.И., Грездов Г.И. "Электронные схемы на операционных усилителях". Справочник, Киев, "Технiка", 1983.

2. Достал И. "Операционные усилители". Пер. с англ. - М.: Мир, 1982.

3. Патент Украины № 74422 на изобретение, МПК 7 G01N27/28, G01N27/48. Цифровий перетворювач концентрацii розчиненого кисню полярографiчного типу. Автор Кирющенко И.Г. Заявка № 2003098113, дата подачи 01.09.2003. Опубл.15.12.2005, бюл. № 12.

4. Гутников B.C. "Интегральная электроника в измерительных устройствах". 2-е изд., Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988.

5. William W. Goldsworthy and Ray G. Clem. Bipolar Digipotentiogrator for Electroanalytical Uses. Direct Conversion of Charge to a Digital Number.// Analytical Chemistry, Vol. 44, No. 8, July 1972.

6. Антропов Л.И. "Теоретическая электрохимия". 2-е изд., Москва, Изд-во "Высшая школа", 1969.

7. Камман К. Работа с ионселективньгмй электродами / Пер. с нем., под ред. док. хим. наук О.М.Петрухина - М.: Мир, 1980.

8. Кирющенко И.Г. Обоснование режима работы сульфидселективных электродов в зондирующих приборах для измерения показателя активности сульфид-ионов рS^-2/И.Г.Кирющенко//Сборник научных трудов СНИЯЭиП.-Севастополь: Изд-во СНИЯЭиП, 2006. - Вып. 14 - С.61.

9. Кирющенко И.Г. Методы потенциометрии с компенсацией влияния электрода сравнения/И.Г.Кирющенко//Матёриалы XIV международной конференции ученых Украины, Белоруссии, России - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 11-15 сентября 2006 г. - С. 173.

10. Linear Products, Вurr - Brown, 1999.

Изобретение относится к области автоматики и электроники как средство для управления физическими процессами и может быть использовано в технологиях электрохимических измерений при экологических и океанографических исследованиях.

Технический результат - уменьшение искажения сигнала, снимаемого с заземленной нагрузки при контроле управляемого тока, что повышает точность преобразования входного напряжения в выходной ток. Дополнительный технический результат - упрощение устройства.

Сущность: устройство содержит первый резистор R₁, первый вывод которого является входом устройства. Второй вывод R₁ подключен к первому выводу второго резистора R₂ и к инверсному входу операционного усилителя ОУ. Выход ОУ подключен ко второму выводу R₂ и к первому выводу третьего резистора R₃. Второй вывод R₃ подключен к первому выводу четвертого резистора R₄, второй вывод которого заземлен. Устройство содержит опорный резистор R_oп, первый вывод которого является выходом устройства и к этому выводу подключен неинверсный вход ОУ. Второй вывод R_оп через элемент-повторитель Π подключен ко второму выводу R₃. 4 ил.

Управляемый источник тока для заземленной нагрузки, содержащий первый резистор, первый вывод которого является входом управляемого источника тока, а второй вывод подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом управляемого источника тока, отличающийся тем, что первый вывод опорного резистора подключен к неинверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен, при этом второй вывод опорного резистора подключен к выходу элемента-повторителя, вход которого подключен ко второму выводу третьего резистора.