КОМПЕНСАЦИЯ СДВИГА В СХЕМАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H05B37/02 

Область техники

Изобретение относится к схемам для возбуждения электрических нагрузок. Изобретение применяется, например, в схемах возбуждения для твердотельных световых излучателей, одним из примеров которых являются светодиоды (LED).

Уровень техники

Управление электрической нагрузкой может осуществляться путем подачи управляющих сигналов на управляемое током устройство. Управляющие сигналы могут формироваться в виде цифровых сигналов и преобразовываться в аналоговые управляющие сигналы с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Оптимальной работе таких схем возбуждения могут препятствовать сдвиги. Например, некоторые ЦАПы могут обеспечивать ненулевой аналоговый выходной сигнал даже в тех случаях, когда преобразуемый цифровой сигнал задает нулевой выход (положительный сдвиг). Некоторые ЦАПы могут обеспечивать нулевой выход даже в тех случаях, когда преобразуемый цифровой сигнал задает ненулевой выход (отрицательный сдвиг).

Такие сдвиги могут возникать в результате вариаций параметров процесса при изготовлении ЦАПов. Следовательно, два ЦАПа одинакового типа могут демонстрировать различные сдвиги. Другие компоненты на пути сигнала к управляемому током устройству могут также вносить сдвиги.

Даже сдвиги, которые малы по сравнению с полным размахом аналогового управляющего сигнала, могут быть проблематичными в тех случаях, когда требуется точное управление. Например, такие сдвиги могут делать невозможным определение цифрового управляющего сигнала, необходимого для проведения предельно низкого ненулевого тока через электрическую нагрузку.

Сдвиги могут быть устранены путем создания схем с высококачественными ЦАПами и другими компонентами, выбираемыми для получения крайне низких или, по меньшей мере, известных сдвигов. Однако высококачественные компоненты часто являются значительно более дорогостоящими, чем стандартные компоненты.

Еще один подход состоит в индивидуальной настройке схем для компенсации сдвига в схемных компонентах. Индивидуальная настройка схем значительно увеличивает стоимость изготовления и усложняет изготовление.

Существует потребность в экономически эффективных способах компенсации сдвигов в ЦАПах и других компонентах схем, используемых для возбуждения электрических нагрузок.

Сущность изобретения

В одном варианте осуществления изобретения схема для возбуждения электрической нагрузки содержит управляемое током устройство, соединенное последовательно с нагрузкой, и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен с управляющим входом управляемого током устройства посредством блока усиления. Блок усиления содержит первый вход, присоединенный для приема управляющего напряжения с выхода цифро-аналогового преобразователя, второй вход, присоединенный для приема сигнала обратной связи по току, представляющего ток в электрической нагрузке, и выход, соединенный с управляющим входом управляемого током устройства. Второй вход имеет смещение для получения разности потенциалов, по меньшей мере, равной напряжению смещения. Напряжение смещения может выбираться таким образом, чтобы напряжение смещения равнялось ожидаемому в наихудшем случае напряжению сдвига или превышало его.

В некоторых вариантах осуществления первый вход блока усиления является неинвертирующим входом, а второй вход блока усиления является инвертирующим входом.

В некоторых вариантах осуществления блок усиления содержит операционный усилитель.

В некоторых вариантах осуществления имеется токочувствительный резистор, присоединенный последовательно с электрической нагрузкой, а сигнал обратной связи по току включает в себя напряжение на токочувствительном резисторе.

В некоторых вариантах осуществления управляемое током устройство содержит полевой транзистор.

В некоторых вариантах осуществления имеется процессор, присоединенный для записи цифровых значений в регистр, связанный с цифро-аналоговым преобразователем, при этом процессор содержит сигнальный вход, присоединяемый для контроля выхода блока усиления.

В некоторых вариантах осуществления имеется программный накопитель, содержащий невременный набор программных команд, причем программные команды включают в себя первые команды, которые при исполнении процессором инициируют запись процессором в регистр различных цифровых значений и определение цифрового значения сдвига таким образом, что при записи в регистр цифрового значения сдвига управляемое током устройство остается в выключенном состоянии, при этом цифровое значение сдвига является наибольшим цифровым значением, для которого управляемое током устройство остается в выключенном состоянии.

В некоторых вариантах осуществления программные команды выполнены с возможностью инициирования сохранения процессором значения, указывающего цифровое значение сдвига, в хранилище данных.

В некоторых вариантах осуществления первые команды выполнены с возможностью инициирования записи последовательных цифровых значений в регистр до тех пор, пока процессор не обнаружит увеличения выходного сигнала блока усиления посредством сигнального входа.

В некоторых вариантах осуществления первые команды выполнены с возможностью инициирования записи цифровых значений в регистр в соответствии с алгоритмом поиска, например, алгоритмом двоичного поиска для определения местоположения последовательных цифровых значений, между которыми процессор обнаруживает увеличение выходного сигнала блока усиления посредством сигнального входа.

В некоторых вариантах осуществления программные команды включают в себя вторые команды, причем вторые команды выполнены с возможностью отображения первого цифрового значения на второе цифровое значение и записи второго цифрового значения в регистр, причем при отображении первые цифровые значения в первом диапазоне цифровых значений отображаются на соответствующие вторые цифровые значения во втором диапазоне цифровых значений, причем второй диапазон меньше, чем первый диапазон.

В некоторых вариантах осуществления электрическая нагрузка содержит твердотельный световой излучатель.

В одном из вариантов осуществления изобретения схема для возбуждения управляемого током устройства, имеющего порог включения для управления электрическим током через электрическую нагрузку, содержит блок усиления, присоединенный для приема управляющего сигнала от цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и опорного напряжения, причем опорное напряжение включает в себя сигнал обратной связи на основе мгновенного тока, протекающего через электрическую нагрузку, причем блок усиления содержит выход, присоединенный к управляемому током устройству; и контроллер, выполненный с возможностью ступенчатого увеличения управляющего значения в ЦАП, контроля напряжения, обнаруживаемого детектором на выходе блока усиления, для обнаружения в обнаруженном напряжении увеличения, соответствующего включению управляемого током устройства, определения соответствующего сдвига в управляющем значении и последующего применения этого смещения для регулирования управляющего значения ЦАПа для достижения необходимого тока через электрическую нагрузку.

В некоторых вариантах осуществления управляемое током устройство содержит полевой транзистор.

В некоторых вариантах осуществления блок усиления содержит операционный усилитель.

В некоторых вариантах осуществления электрическая нагрузка содержит твердотельный световой излучатель.

Еще в одном аспекте изобретения предлагается способ определения сдвига в схеме возбуждения, содержащей цифро-аналоговый преобразователь. Способ включает в себя запись множества цифровых значений в регистр цифро-аналогового преобразователя, и для каждого из цифровых значений: подачу выходного сигнала цифро-аналогового преобразователя на первый вход блока усиления с одновременной подачей напряжения смещения на второй вход блока усиления; подачу выходного сигнала блока усиления на управляющий вход управляемого током устройства; подачу сигнала обратной связи по току на второй вход блока усиления, и контроль выходного сигнала блока усиления. По результатам контроля выходного сигнала блока усиления для множества цифровых значений данный способ определяет цифровое значение сдвига таким образом, что при записи цифрового значения сдвига в регистр управляемое током устройство остается в выключенном состоянии, при этом цифровое значение сдвига является наибольшим цифровым значением, для которого управляемое током устройство остается в выключенном состоянии. В данном способе записывается информация, указывающая о цифровом значении смещения. Записанная информация может, например, представлять собой цифровое значение смещения, число, отличающееся от цифрового значения смещения на известную величину (например, цифровое значение смещения плюс или минус единица, либо плюс или минус некоторая иная известная величина и т.п.), преобразование, основанное на цифровом значении смещения и т.п.

Ниже описываются дополнительные аспекты изобретения и признаки конкретных вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи иллюстрируют неограничительные варианты осуществления изобретения.

Фиг. 1 представляет собой семейство кривых, на которых показан аналоговый выходной сигнал в зависимости от цифрового входного сигнала для некоторых примеров ЦАПов.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему схемы возбуждения в соответствии с одним из примеров осуществления изобретения.

Фиг. 3 представляет собой кривую, на которой показан аналоговый выходной сигнал в зависимости от цифрового входного сигнал для схемы возбуждения, изображенной на фиг. 2.

Фиг. 4 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую способ обнаружения сдвига.

Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение схемы возбуждения в соответствии с более конкретным примером осуществления изобретения.

Фиг. 5А представляет собой схематическое изображение схемы возбуждения в соответствии с более конкретным примером осуществления изобретения.

Описание

На протяжении всего нижеследующего описания излагаются характерные детали с целью обеспечения более полного понимания изобретения. Однако изобретение может быть осуществлено без этих подробностей. В иных случаях хорошо известные элементы не были подробно изображены или описаны во избежание нецелесообразного затруднения понимания изобретения. В соответствии с этим, описание и чертежи следует рассматривать скорее в иллюстративном, чем в ограничительном смысле.

Фиг. 1 представляет собой график, на котором показан аналоговый выходной сигнал в зависимости от цифрового входного сигнала для ряда ЦАПов. Кривой 20А изображен выход идеального ЦАПа с нулевым сдвигом. Для цифрового входного сигнала, равного нулю, аналоговый выходной сигнал также является нулевым. Каждый раз, когда цифровой входной сигнал увеличивается на единицу, аналоговый выходной сигнал увеличивается на один шаг приращения.

Кривой 20В изображен выходной сигнал ЦАПа с отрицательным сдвигом. Выходной сигнал ЦАПа остается нулевым до тех пор, пока цифровой входной сигнал не достигнет порога 21. При достижении цифровым входным сигналом некоторой величины, превышающей порог 21, аналоговый выходной сигнал увеличивается на один шаг приращения каждый раз, когда цифровой входной сигнал увеличивается на единицу.

Кривой 20С изображен выходной сигнал ЦАПа с положительным сдвигом. Выходной сигнал ЦАПа имеет ненулевую величину 22 даже в тех случаях, когда цифровой входной сигнал является нулевым. Каждый раз, когда цифровой входной сигнал увеличивается на единицу, аналоговый выходной сигнал увеличивается на один шаг приращения.

Конкретный ЦАП, выбираемый из партии ЦАПов одного и того же типа, может иметь сдвиг, иллюстрируемый на одной из кривых 20А, 20В и 20С. Кроме того, для ЦАПов в партии, имеющих отрицательный сдвиг, величина порога 21 может варьироваться. Для ЦАПов в партии, имеющих положительный сдвиг, величина нулевого сдвига 22 может варьироваться.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему схемы возбуждения 30 для электрической нагрузки 32. Нагрузка 32 может, например, включать в себя источник света, такой как светодиод или группа светодиодов, электродвигатель, исполнительный механизм, выключатель и т.п. Нагрузка 32 может включать в себя любую нагрузку, которая обладает сопротивлением движению электрического тока (т.е., нагрузку, которая не является чисто реактивной).

Источник 34 питания обеспечивает электрический ток для возбуждения нагрузки 32. Величина тока управляется управляемым током устройством 36. Управляемое током устройство 36 может, например, включать в себя транзистор (например, полевой транзистор (“FET”), полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), биполярный транзистор (“BJT”), биполярный транзистор с изолированным затвором (“IGBT”), пара Дарлингтона и т.п.). Целесообразно, чтобы управляемое током устройство 36 являлось управляемым напряжением устройством, но это не обязательно. В некоторых вариантах осуществления управляемое током устройство 36 содержит такое управляемое током устройство, как BJT.

У ЦАПа 40 имеется выход 41, присоединенный для возбуждения управляющего входа 42 управляемого током устройства 36 с помощью блока 44 усиления. Имеющееся на выходе 41 напряжение определяется цифровым значением в регистре 45. В иллюстрированном варианте осуществления процессор 48 записывает в регистр 45 цифровые значения. Цифровые значения соответствуют требуемым для нагрузки 32 токам возбуждения. Изначально точное соответствие между цифровым значением в регистре 45 и результирующим током возбуждения неизвестно ввиду того, что ЦАП 40 и/или блок 44 усиления могут вносить сдвиги.

В некоторых вариантах осуществления процессор 48, регистр 45 и ЦАП 40 объединены в один компонент. В некоторых вариантах осуществления процессор 48 находится в первом компоненте, а регистр 45 и ЦАП 40 находятся во втором компоненте.

Блок 44 усиления может содержать любую схему, обеспечивающую во время работы достаточный коэффициент усиления разомкнутой цепи. Например, в некоторых вариантах осуществления блок 44 усиления имеет коэффициент усиления разомкнутой цепи, превышающий 1000. Для создания блока 44 усиления может использоваться любая применимая схема усилителя. Например, как описывается ниже, блок 44 усиления может содержать операционный усилитель (“OP AMP”). Коэффициент усиления, обеспечиваемый блоком 44 усиления, предпочтительно больше соотношения напряжения включения управляемого током устройства 36 и величины шагов V_STEP приращения напряжения, обеспечиваемых ЦАПом 40. Например, в том случае, когда напряжение включения управляемого током устройства 36 составляет 1 Вольт, а V_STEP составляет 1 мВ, блок 44 усиления предпочтительно имеет коэффициент усиления, по меньшей мере, 1 В/1 мВ=1000. В некоторых вариантах осуществления у блока 44 усиления коэффициент усиления значительно превышает указанное соотношение (например, по меньшей мере, дважды, либо, по меньшей мере, трижды, либо, по меньшей мере, в десять раз больше указанного соотношения).

В блоке 44 усиления имеются неинвертирующий вход 49А и инвертирующий вход 49В. Напряжение V_B смещения прикладывается к инвертирующему входу 49В. Напряжение смещения выбирается таким образом, чтобы оно превышало ожидаемый в наихудшем случае положительный сдвиг ЦАПа 40 (например, напряжение смещения устанавливается немного большим, чем наибольший ожидаемый нулевой сдвиг 22). Напряжение смещения может, например, создаваться делителем напряжения.

Блок 44 усиления обладает таким свойством, что его выходной сигнал 52 остается ниже порога (например, нулевого или отрицательного) до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе 49В превышает напряжение на неинвертирующем входе 49А. Это свойство может использоваться для определения полного сдвига, создаваемого ЦАПом 40, блоком 44 усиления и/или другими компонентами в схеме возбуждения.

Вход 50 процессора 48 присоединен для дискретизации выходного сигнала блока 44 усиления. В некоторых вариантах осуществления вход 50 является цифровым входом, который обнаруживает либо НИЗКИЙ логический уровень, либо ВЫСОКИЙ логический уровень в зависимости от того, превышает ли сигнал, имеющийся на его входе, пороговое значение. В альтернативных вариантах осуществления вход 50 является аналоговым входом.

Фиг. 3 представляет собой график, на котором показан пример кривой 55, отображающей соотношение между значением регистра в регистре 45 и аналоговым напряжением на выходе 52 блока 44 усиления, который управляет током через нагрузку 32. В нижеследующих абзацах описывается пример режима работы схемы возбуждения, изображенной на фиг. 2, для примера случая кривой 55 на фиг. 3.

Рассмотрим, как изменяется напряжение на выходе 52 блока 44 усиления с увеличением значения в регистре 45 от нуля. Поскольку напряжение смещения на инвертирующем входе 49В блока 44 усиления превышает ожидаемый в наихудшем случае положительный сдвиг ЦАПа 40, напряжение на инвертирующем входе 49В будет изначально превышать напряжение на неинвертирующем входе 49А, тем самым вызывая нулевое выходное напряжение на выходе 52 блока 44 усиления. Если значение в регистре 45 увеличивается ступенчато, то напряжение на выходе 52 останется нулевым до тех пор, пока выходной сигнал ЦАПа 40, имеющийся на неинвертирующем входе 49А, остается меньшим напряжения смещения. Это будет иметь место для значений регистра в диапазоне 56.

Для значения 57 в регистре 45 выходной сигнал ЦАПа 40, имеющийся на неинвертирующем входе 49А, равен напряжению смещения, имеющемуся на инвертирующем входе 49В, или превышает его. В результате этого напряжение на выходе 52 блока 44 усиления возрастает до более высокого выходного напряжения. Поскольку блок 44 усиления имеет высокий коэффициент усиления, напряжение на выходе 52 проявляет тенденцию к быстрому возрастанию в зависимости от разности напряжений между неинвертирующим входом 49А и инвертирующим входом 49В. Это приводит к тому, что напряжение на выходе 52 быстро увеличивается, как только напряжение на неинвертирующем входе 49А начинает превышать напряжение на инвертирующем входе 49В. Такое увеличение напряжения может быть обнаружено процессором 48 путем контроля его входа 50. Как указано ниже, обратная связь, представляющая ток в нагрузке 32, может применяться таким образом, что напряжение на выходе 52 быстро увеличивается до величины 58, как только значение 57 в регистре 45 получило приращение до первой величины таким образом, что неинвертирующий вход 49А равен напряжению смещения, имеющемуся на инвертирующем входе 49В, или превышает его.

В поясненном варианте осуществления блок 44 усиления присоединен для приема от датчика 53 тока сигнала обратной связи, указывающего ток, протекающий в нагрузке 32. Обратная связь может применяться для регулирования напряжения на выходе 52. Это подробнее описывается ниже.

Если значение в регистре 45 ступенчато возрастает за пределы значения 57, то выход 52 блока 44 усиления нарастает от напряжения 58. Конкретное напряжение, имеющееся на выходе 52 блока 44 усиления, для заданного значения в регистре 45 будет, как правило, зависеть от характеристик блока 44 усиления и создаваемой обратной связи.

Фиг. 4 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую способ 60 обнаружения сдвига, который может быть вызван сдвигом в ЦАПе 40 и/или блоке 44 усиления и/или иных компонентах в схеме возбуждения. Способ 60 может, например, осуществляться процессором, работающим под программным управлением. Способ 60 начинается с блока 62 инициализации, который устанавливает значение в регистре 45 на нуль. В блоке 64 проверяется напряжение на выходе 52 блока 44 усиления, чтобы определить, превышает ли оно порог, который ниже величины 58. Если нет (результат НЕТ в блоке 64), то способ 60 увеличивает значение в регистре 45 в блоке 66 и возвращается к началу цикла в блоке 64. Если блок 64 определяет, что напряжение выхода 52 превышает порог (результат ДА в блоке 64), то в блоке 68 информация, характеризующая сдвиг, сохраняется в регистре 46 (который может представлять собой любую ячейку памяти, доступную для процессора 48). Информация, характеризующая сдвиг, может, например, представлять собой значение в регистре 45, либо значение, меньшее значения в регистре 45, либо функцию значения в регистре 45, либо преобразование, основанное на значение в регистре 45, и т.п.

В качестве альтернативы инициализации регистра 45 небольшим значением и увеличению этого значения в регистре 45 в способе 60 регистр 45 может инициализироваться более высоким значением, и значение в регистре 45 может уменьшаться. В качестве еще одной альтернативы в способе 60 значения могут записываться в регистр 45 в соответствии с алгоритмом поиска, выполненным с возможностью поиска значения регистра, соответствующего сдвигу. Алгоритм поиска может быть выполнен, например, в виде алгоритма двоичного поиска. Эти и другие альтернативные варианты могут быть реализованы, например, с помощью процессора (например, процессора 48), работающего под программным управлением (например, в соответствии с программными командами, хранящимися в программном накопителе, доступном для процессора 48).

Часто значение сдвига не изменяется для конкретной схемы, поэтому способ 60 может осуществляться однократно. В дальнейшем процессор 48 может использовать значение в регистре 46 для управления током через нагрузку 32.

Иногда может оказаться желательным осуществлять способ 60 несколько раз, например, если изменяется сдвиг для конкретной схемы. В некоторых вариантах осуществления способ 60 может осуществляться при запуске его пользователем. В некоторых вариантах осуществления способ 60 может осуществляться после того, как датчик измеряет определенный результат. Датчик может содержать устройство для отсчета времени, термометр, датчик ускорения, устройство для измерения интенсивности света или иной тип датчиков.

Фиг. 5 представляет собой принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую пример схемы 70 в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. В схеме 70 выход 41 ЦАПа 40 присоединен к неинвертирующему входу 71А операционного усилителя (ОР АМР) 72.

В изображенном варианте осуществления сигнал на выходе 41 ослабляется делителем напряжения, содержащем резисторы R1 и R2, перед тем, как он подается на неинвертирующий вход 71А.

Выход 74 ОР АМР 72 присоединен для возбуждения затвора 73 MOSFET 75, который служит в качестве управляемого током устройства. Напряжение смещения подается на инвертирующий вход 71В ОР АМР 72 делителем напряжения, состоящим из резисторов R3, R4, R6 и R7, присоединенных между потенциалом V+ источника питания и заземлением.

Выход 74 присоединен к цифровому входу 50 процессора 48 посредством резистора R5. Токочувствительный резистор R6 предусмотрен последовательно с нагрузкой 32. Обратная связь по току, протекающему в нагрузке 32, предусмотрена на инвертирующий вход 71В ОР АМР 72 посредством резистора R7.

В некоторых вариантах осуществления значения R1 и R2 выбираются таким образом, что для максимального выходного сигнала ЦАПа 40 напряжение на неинвертирующем входе 71А ОР АМР 72 является приблизительно таким же, как и напряжение, получаемое на токочувствительном резисторе R6 при максимальном электрическом токе через нагрузку 32. В конкретном неограничительном примере осуществления соотношение R1:R2 может выбираться равным 20:1 (например, R1=20 кОм, а R2=1 кОм). В этом случае для максимального выходного сигнала ЦАПа 40 величиной, например, 5В соответствующее напряжение на неинвертирующем входе 71А составит 238 мВ. Если максимальный ток через нагрузку 32 составляет 1 А, а R6 выбирается равным 0,237 Ом (ближайшее стандартное значение к 0,238 Ом), падение напряжения на R6 при максимальном токе составит 237 мВ.

Величины R3, R4, и R7 могут выбираться для обеспечения необходимого напряжения смещения на инвертирующем входе 71В и для обеспечения подходящей обратной связи по току. Например, в тех случаях, когда напряжение смещения должно составлять 100 мВ и равняться ожидаемому в наихудшем случае сдвигу или несколько превышать его, если V+ составляет 5 В, R3 и R6+R7 могут выбираться для получения соотношения 49:1 для достижения напряжения смещения 100 мВ. Например, можно выбрать R3=49 кОм и R7=1 кОм (R6, как правило, имеет величину, значительно меньшую R3 или R7, поэтому им можно пренебречь для случая, в котором ток в нагрузке 32 не протекает). R4 является факультативным.

В тех случаях, когда имеется R4, R4 может иметь величину, значительно большую, чем сумма R6 и R7. Величина R4 может выбираться для точной регулировки напряжения смещения, подаваемого на инвертирующий вход 71В, и, кроме того, коэффициента усиления обратной связи, создаваемой на ОР АМР 72 (или иной блок усиления) в результате падения напряжения на R6.

Схема 70 работает следующим образом. В этом примере значение в регистре 45, которое управляет выходным сигналом ЦАПа 40, будет описываться как ступенчато возрастающее, начиная с нуля, поскольку это дает хороший способ объяснения действия схемы 70. Однако следует понимать, что независимо от того, какой процесс управляет содержимым регистра 45, он может записывать в регистр 45 произвольные значения.

ОР АМР 72 в этом примере является монополярным ОР АМР. Если значение в регистре 45 является минимальным значением (например, нулевым), напряжение на неинвертирующем входе 71А предумышленно ниже, чем напряжение смещения на инвертирующем входе 71В. Следовательно, выход 74 имеет минимальное значение (например, нулевое плюс тот или иной сдвиг, обеспечиваемый ОР АМР 72). Напряжение на выходе 74 ниже порога, требуемого для включения MOSFET 75. Следовательно, ток в нагрузке 32 не протекает, и существенный ток в токочувствительном резисторе R6 не протекает.

Такое положение продолжается при ступенчатом увеличении значения в регистре 45 до того момента времени, когда напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход 71А, превышает напряжение смещения на инвертирующем входе 71В. Поскольку ОР АМР 72 имеет высокий коэффициент усиления, такая разность напряжений инициирует увеличение с помощью ОР АМР 72 напряжения на выходе 74. Увеличение напряжения на выходе 74 до V+ предотвращается с помощью обратной связи от токочувствительного резистора R6.

Поскольку напряжение на выходе 74 увеличивается, оно становится больше, чем порог, требуемый для включения MOSFET 75. Следовательно, MOSFET 75 включается и обеспечивает протекание тока в нагрузке 32 и токочувствительном резисторе R6. Это вызывает падение напряжения на токочувствительном резисторе R6, которое, в свою очередь, вызывает возрастание потенциала на инвертирующем входе 71В ОР АМР 72. Поэтому выход 74 стабилизируется на таком напряжении, что MOSFET 75 включен и обеспечивает прохождение достаточного тока через нагрузку 32 и токочувствительный резистор R6, чтобы инвертирующий вход 71В поднялся до того же потенциала, что и неинвертирующий вход 71А.

Путем выбора соответствующих величин для резисторов R3, R4, R7 и токочувствительного резистора R6 можно добиться того, чтобы ток через нагрузку 32, соответствующий значению «порога включения» в регистре 45, являлся небольшим током, который больше или равен наименьшему току, необходимому для управления.

Напряжение на выходе 74, соответствующее значению порога включения в регистре 45, достаточно для обнаружения на входе 50 процессора 48. Вход 50 обычно является цифровым входом. По выбору может предусматриваться усилитель для усиления напряжения на выходе 74 и подачи результата на вход 50 таким образом, что процессор 48 может обнаруживать значение порога включения (например, с помощью такого способа, как способ 60 на фиг. 4).

Поскольку значение в регистре 45 ступенчато увеличивается за пределами значения порога включения, для каждого шага ОР АМР 72 вызывает увеличение напряжения на выходе 74, тем самым увеличивая ток через нагрузку 32 и токочувствительный резистор R6 до тех пор, пока обратная связь от увеличенного тока не вызовет возрастания потенциала на инвертирующем входе 71В до того же потенциала, что и на неинвертирующем входе 71А, в результате чего напряжение на выходе 74 стабилизируется.

Процессор 48 может благодаря этому управлять током через нагрузку 32 путем помещения в регистр 45 значений, которые находятся в диапазоне, простирающемся от значения порога включения до некоторого максимального значения. Процессор 48 может вызвать прекращение тока через нагрузку 32 путем записи в регистр 45 некоторого значения, которое меньше значения порога включения.

Схема 70 приведена лишь в качестве примера и может изменяться во многих отношениях, сохраняя при этом основные принципы работы, описанные выше. Вот несколько примеров:

- обратная связь по току к ОР АМР 72 может включать в себя активные электронные компоненты (например, вместо R7 или помимо R7 может предусматриваться усилитель);

- ОР АМР 72 может быть заменен другим типом усилителя с большим коэффициентом усиления;

- выходной сигнал ЦАПа 40 может быть нормирован, усилен, ослаблен или иным образом изменен перед тем, как он подается на неинвертирующий вход 71А (необходимо отметить, что любой дополнительный сдвиг, вносимый любыми дополнительными схемами преобразования, вводимыми между выходом 41 ЦАПа 40 и неинвертирующим входом 71А, может быть определен и скомпенсирован, как описывается в настоящем документе);

- напряжение смещения, создаваемое на инвертирующем входе 71В, может быть от источника, отличного от делителя напряжения;

- MOSFET 75 может быть заменен любым применимым управляемым током устройством;

- токочувствительный резистор R6 может быть заменен альтернативным датчиком тока, который может применяться для обеспечения обратной связи по току к ОР АМР 72;

- не обязательно, чтобы инвертирующий вход блока усиления был присоединен для приема напряжения смещения, а неинвертирующий вход блока усиления был присоединен к выходу ЦАПа 40. В альтернативных вариантах осуществления эти входы присоединены противоположным образом для сохранения действия схемы.

Такие модификации могут применяться по отдельности или в любой подходящей комбинации.

Фиг. 5А представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее пример схемы 70А в соответствии с альтернативным вариантом осуществления. Схема 70А аналогична схеме 70, изображенной на фиг. 5, за исключением того, что напряжение смещения, подаваемое на инвертирующий вход блока усиления (обеспечиваемого в данном примере операционным усилителем 72), может варьироваться. В изображенном варианте осуществления выключатель 80, управляемый процессором 48, позволяет избирательно присоединять резистор R8 параллельно R3. Если выключатель 80 замкнут, то R8 присоединен параллельно R3, поэтому на R4, R6 и R7 падает большее напряжение, тем самым увеличивая напряжение смещения на инвертирующем входе 71В блока усиления. Таким образом, первое напряжение смещения подается на вход 71В, когда выключатель 80 разомкнут, а второе напряжение смещения, большее первого напряжения смещения, подается на вход 71В, когда выключатель 80 замкнут.

Схема 70А может использоваться для получения дополнительной информации в отношении характеристик ЦАПа 40 и блока усиления. Например, можно определять значение («второе калибровочное значение»), которое может быть записано в регистр 45, чтобы заставить управляемое током устройство (в данном примере MOSFET 45) попросту включиться при замкнутом выключателе 80 (например, значение, большее наибольшего значения, при котором MOSFET 45 остается выключенным при замкнутом выключателе 80).

В некотором варианте осуществления второе калибровочное значение применяется для содействия в компенсации для случая, в котором коэффициент усиления ЦАПа 40 в точности не известен (например, в тех случаях, когда существует изменяемость V_STEP среди ЦАПов того же типа, что и ЦАП 40).

В одном из примеров осуществления процессор 48 исполняет команды, которые инициируют определение процессором второго калибровочного значения с помощью способа, включающего в себя: замыкание выключателя 80, запись различных значений в регистр 45 и контроль с помощью входа 50 напряжения на выходе 74 для каждого из значений регистра. В некоторых вариантах осуществления диапазон значений, в котором должно находиться второе калибровочное значение, заранее известен по известному напряжению смещения, подаваемому, если выключатель 80 замкнут, и известным характеристикам ЦАПа 40. В таких вариантах осуществления значения, записываемые в регистр 45, могут выбираться из этого диапазона. В некоторых вариантах осуществления процессор 48 определяет второе калибровочное значение путем последовательного увеличения или уменьшения значения в регистре 45. Это не обязательно. Для определения второго калибровочного значения могут использоваться другие стратегии.

В одном из примеров осуществления процессор 48 выполнен с возможностью определения V_STEP по первому и второму калибровочным значениям и их соответствующим напряжениям смещения. Это может осуществляться, например, путем вычитания первого напряжения смещения из второго напряжения смещения и деления результата на разность между первым и вторым калибровочными значениями.

В других вариантах осуществления может предусматриваться более двух различных напряжений смещения. В таких вариантах осуществления могут быть получены дополнительные калибровочные значения таким же способом, как и описанный выше, для обеспечения лучшей оценки характеристик ЦАПа 40. Управление выбором среди различных напряжений смещения может осуществляться процессором 48.

Целесообразно, но не обязательно, чтобы напряжения смещения обеспечивались с помощью делителей напряжения. В альтернативных вариантах осуществления напряжения смещения для использования при получении одного или более калибровочных значений обеспечиваются регуляторами напряжения, диодами Зенера, внешними калиброванными источниками питания или иными применимыми источниками опорного напряжения.

Использование двух или более выбираемых напряжений смещения может применяться в любом ином варианте осуществления, как описывается в настоящем документе. Например, аппарат, изображенный на фиг. 2, может быть модифицирован для выдачи выбираемого напряжения смещения на входе блока 44 усиления.

В тех вариантах осуществления, в которых необходимо определять смещение лишь один раз, длительное присоединение к входу 50 не требуется. В таких вариантах осуществления альтернативой является обнаружение увеличения напряжения на входе 74 и/или тока, протекающего в нагрузке 32, с помощью внешнего контрольного устройства при обмене данными с процессором 48. Внешнее контрольное устройство может выдавать сигнал в процессор 48 после достижения порога включения. Могут предусматриваться контрольные точки для присоединения внешнего контрольного устройства. В некоторых вариантах осуществления внешнее контрольное устройство может подавать одно или более напряжений смещения в контрольные точки, присоединенные для подачи напряжений смещения на вход блока усиления.

В одном из наглядных примеров осуществления ЦАП 40 выполнен с возможностью приема значений регистра в диапазоне от 0 до 1023. Рассмотрим случай, в котором максимальный выходной сигнал ЦАПа 40 составляет 10,23 В (это значение выбрано в данном примере лишь для удобства). В этом случае выходной сигнал ЦАПа 40 является линейным, а если ЦАП 40 не имеет сдвига, то выходной сигнал ЦАПа 40 задается следующим образом:

$$V_{OUT}=D_V\times V_{STEP}=\frac{D_V}{100}$$ ,

где V_OUT - выходное напряжение ЦАПа 40, а D_V - значение, хранящееся в регистре 45. Следовательно, выход ЦАПа 45 может изменяться с размером шага V_STEP, составляющим в данном примере 0,01 Вольта.

Теперь рассмотрим случай, в котором в котором ЦАП 40 имеет отрицательный сдвиг (например, выходной сигнал ЦАПа 40 составляет 0 В для D_V ∈ [0, M] и линейно возрастает для значений D_V>M). В этом примере выходной сигнал ЦАПа 40 задается следующим образом:

$$V_{OUT}=0дляD_V\le M$$ ,

$$V_{OUT}=(D_V-M)V_{STEP}=\frac{D_V-M}{100}дляD_V>M.$$

Теперь рассмотрим случай, в котором ЦАП 40 имеет положительный сдвиг (например, выход ЦАПа 40 составляет V_X, где V_X>0, для D_V=0). В этом примере выходной сигнал ЦАПа 40 задается следующим образом:

$$V_{OUT}=(D_V\times V_{STEP})+V_X=\frac{D_V}{100}+V_XдляD_V<1023-\frac{V_X}{V_{STEP}}$$ ,

$$V_{OUT}=V_{MAX}=\mathrm{10,23}ВдляD_V\ge \left(1023-\frac{V_X}{V_{STEP}}\right)$$ ,

где V_STEP - размер шага напряжения, описанный выше, а V_MAX - максимальное выходное напряжение. В этом примере случая V_MAX=10,23 В, V_STEP=10,23 В/1023=0,01 В.

Напряжение V_B смещения может быть выбрано несколько превышающим V_X. В тех случаях, когда описываемые в настоящем документе схемы производятся в больших количествах, в результате вариаций в компонентах от схемы к схеме сдвиги будут варьироваться. Как правило, можно устанавливать положительный сдвиг в наихудшем случае таким, чтобы - с необходимой степенью достоверности - фактический сдвиг конкретной схемы составлял меньше, чем положительный сдвиг в наихудшем случае. В этом случае схемы могут быть выполнены с возможностью создания напряжения смещения, которое несколько превышает величину V_X для наихудшего случая.

При таком выборе напряжения V_B смещения, если ЦАП имеет отрицательный сдвиг М, управляемое током устройство 36 будет находиться во включенном состоянии в том и только в том случае, если D_V больше или равно (V_B/V_STEP)+M+1. Следовательно, полный диапазон входных значений ЦАПа 40 (от 0 до 1023 в данном примере) не пригоден для управления электрической нагрузкой. Управляемая нагрузка может принимать ненулевой ток для значений регистра в диапазоне:

$$\frac{V_B}{V_{STEP}}=M+1\le D_V\le 1023-\left(\frac{V_X}{V_{STEP}}\right)$$ .

В некоторых вариантах осуществления входные значения в допустимом входном диапазоне (например, от 0 до 1023 в данном примере) отображаются на сокращенный диапазон. Сокращенный диапазон может представлять собой единственный диапазон, выбираемый как допустимый для всех ЦАПов, имеющих сдвиги между отрицательным сдвигом для наихудшего случая и положительным сдвигом для наихудшего случая. В таких вариантах осуществления компенсация сдвига может включать в себя отображение входного значения в сокращенный диапазон в соответствии с преобразованием и добавление к результату цифрового значения сдвига. В некоторых вариантах осуществления сокращенный диапазон может определяться отдельно для каждого ЦАПа на основе информации о сдвиге, получаемой, например, с помощью способа 60.

Описываемые в настоящем документе схемы и способы имеют широкую сферу применения. Одним из примеров применения является возбуждение твердотельных источников света, таких как светодиодные источники света. В некоторых применениях процессор может управлять множеством твердотельных источников света. Например, процессор может быть присоединен для управления источниками красного, зеленого и синего (R, G и B) света таким образом, что свет от источников R, G и B света некоторым образом смешивается, поэтому наблюдатели воспринимают необходимый цвет. Различные сдвиги между источниками R, G и B света могут приводить к тому, что не все источники R, G и B света включены, когда процессор пытается управлять ими для излучения низкого уровня освещенности. Это может вызвать неправильное восприятие цвета.

В таких сферах применения процессор может быть выполнен с возможностью определения величины порога включения для каждого отдельно управляемого источника света или набора источников света. Эти величины порога включения могут записываться и в дальнейшем применяться процессором при управлении источниками света. Например, процессор может определять необходимые цифровые значения возбуждения для каждого из источников света, добавлять к этим значениям соответствующие величины порога включения (либо значение, меньшее соответствующих величин порога включения) и записывать результаты в управляющие регистры 45, соответствующие различным источникам света.

Некоторые реализации изобретения включают в себя компьютерные процессоры, которые исполняют программные команды, инициирующие осуществление процессором способа изобретения. Например, один или более процессоров в контроллере освещения или контроллере для другого типа электрической нагрузки могут реализовывать способ 60, подобный изображенному на фиг. 4 способу, исполняющему программные команды в памяти для хранения программ, доступной для процессора (процессоров). Изобретение может также предоставляться в виде программного продукта. Программный продукт может содержать любой носитель, содержащий набор машиночитаемых сигналов, содержащих команды, которые при исполнении процессором обработки данных инициируют осуществление процессором обработки данных способа изобретения. Программные продукты в соответствии с изобретением могут быть в любой из большого разнообразия форм. Программный продукт может быть выполнен, например, в виде невременных физических носителей, таких как магнитные носители информации, включающие в себя гибкие дискеты, накопители на жестких магнитных дисках, оптические носители информации, включающие в себя постоянные запоминающие устройства на компакт-дисках (CD ROM), универсальные цифровые диски (DVD), электронные носители информации, включающие в себя постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) на базе флэш-технологии и т.п. Машиночитаемые сигналы на программном продукте опционально могут быть сжаты или зашифрованы.

Если в контексте явно не оговорено иное, повсюду в описании и в формуле изобретения:

- «содержит», «содержащий» и т.п. следует толковать во включающем смысле в отличие от исключающего или исчерпывающего смысла; иными словами, в смысле «включая в качестве неограничивающих примеров».

- «присоединенный», «соединенный» или любой вариант этих терминов означает любое соединение или связь - прямую или косвенную - между двумя или более элементами; связь или соединение между элементами может быть физическим, логическим или их совокупностью.

- «в настоящем документе», «выше», «ниже» и схожие по смыслу слова при использовании для описания данного изобретения относятся к изобретению в целом, а не к каким-либо определенным частям этого изобретения.

- «или» по отношению к списку из двух или более элементов охватывает все нижеследующие толкования слова: любой из элементов в списке, все элементы в списке и любая комбинация элементов в списке.

- формы единственного числа также включают в себя значение любых соответствующих форм множественного числа.

Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы с помощью специально разработанных аппаратных средств, конфигурируемых аппаратных средств, программируемых процессоров обработки данных, конфигурируемых благодаря установке программных средств (которые могут опционально включать в себя «микропрограммные средства»), способных выполняться в процессорах обработки данных, специализированных компьютеров или процессоров обработки данных, которые специально программируются, конфигурируются или создаются для выполнения одного или более этапов в способе, как подробно объясняется в настоящем документе, и/или комбинаций двух или более из перечисленного. Примеры специально разработанных аппаратных средств: логические схемы, специализированные интегральные схемы (“ASIC”), большие интегральные схемы (“LSI”), сверхбольшие интегральные схемы (“VLSI”) и т.п. Примеры конфигурируемых аппаратных средств: одно или более программируемых логических устройств, таких как программируемые матричные логические схемы (“PAL”), программируемые логические матрицы (“PLA”) и программируемые пользователем вентильные матрицы (“FPGA”). Примеры программируемых процессоров обработки данных: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры (“DSP”), встраиваемые процессоры, графические процессоры, математические сопроцессоры, универсальные компьютеры, компьютеры-серверы, облачные компьютеры, большие компьютеры, компьютерные рабочие станции и т.п. Например, один или более процессоров обработки данных в схеме управления для устройства могут реализовывать описанные в настоящем документе способы путем выполнения команд в доступной для процессоров памяти для хранения программ.

Обработка может быть централизованной или распределенной. В тех случаях, когда обработка является распределенной, информация, включающая в себя программные средства и/или данные, может храниться в централизованном или распределенном виде. Обмен такой информацией между различными функциональными блоками может осуществляться с помощью применимых трактов передачи данных.

Несмотря на то, что процессы и блоки представлены в данном порядке, в альтернативных примерах могут выполняться подпрограммы, имеющие этапы, либо использоваться системы, имеющие блоки, в ином порядке, при этом некоторые процессы или блоки могут быть исключены, перемещены, добавлены, разделены, объединены и/или модифицированы для получения альтернативного варианта или подкомбинации. Каждый из этих процессов или блоков может быть реализован множеством различных способов.

Кроме того, несмотря на то, что элементы иногда показаны как выполняемые последовательно, они могут вместо этого выполняться одновременно или в других последовательностях.

В тех случаях, когда выше упомянут компонент (например, программный модуль, процессор, узел, устройство, схема и т.д.), если не указано иное, упоминание этого компонента (включая упоминание «средства») должно толковаться как включение в качестве эквивалентов этого компонента любого компонента, который выполняет функцию описанного компонента (т.е., который является функционально эквивалентным), включая компоненты, которые не являются структурно эквивалентными описанной структуре, выполняющей функцию в приведенных примерах осуществления изобретения.

Как будет ясно специалистам в свете вышеизложенного описания, при осуществлении данного изобретения возможны различные варианты осуществления в пределах его сущности и объема. В связи с этим, объем изобретения должен истолковываться в соответствии с сущностью, определяемой нижеследующей формулой изобретения.

Конкретные примеры систем, способов и устройства описаны в настоящем документе только для пояснительных целей. Это всего лишь примеры. Технология, представленная в настоящем документе, может применяться к системам, отличным от примеров систем, описанных выше. При осуществлении данного изобретения возможны различные изменения, модификации, добавления, удаления и перестановки. Изобретение включает в себя модификации описанных вариантов осуществления, которые очевидны специалисту, включая модификации, получаемые путем: замены признаков, элементов и/или действий на эквивалентные признаки, элементы и/или действия; смешивания и согласования признаков, элементов и/или действий из различных вариантов осуществления; объединения признаков, элементов и/или действий из вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, с признаками, элементами и/или действиями по другой технологии; и/или исключения объединения признаков, элементов и/или действий из описанных вариантов осуществления.

Поэтому предполагается, что нижеследующая прилагаемая формула изобретения и вносимые затем пункты формулы изобретения трактуются как включающие в себя все такие модификации, перестановки, добавления, удаления и подкомбинации, как с достаточным основанием можно заключить. Объем формулы изобретения не должен ограничиваться предпочтительными вариантами осуществления, излагаемыми в примерах, а должен иметь наиболее широкое толкование, соответствующее описанию в целом.

Изобретение относится к схемам для возбуждения электрических нагрузок. Техническим результатом является компенсация сдвигов в ЦАПах и других компонентах схем, используемых для возбуждения электрических нагрузок. Результат достигается тем, что на неинвертирующий вход блока усиления может подаваться напряжение смещения, выбираемое так, чтобы превышать ожидаемый в наихудшем случае положительный сдвиг ЦАПа. Обратная связь с выхода блока усиления может подаваться на процессор. Процессор может быть присоединен для возбуждения ЦАПа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Схема (30) для возбуждения управляемого током устройства (36), имеющего порог включения для управления электрическим током через электрическую нагрузку (32), причем схема содержит:
блок (44) усиления, присоединенный для приема управляющего сигнала от цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (40) и опорного напряжения, причем опорное напряжение включает в себя сигнал обратной связи на основе мгновенного тока, протекающего через электрическую нагрузку, причем блок (44) усиления содержит выход (52), присоединенный к управляемому током устройству (36);
детектор (48, 50), обнаруживающий напряжение на выходе блока (44) усиления; и
контроллер (48), выполненный с возможностью:
изменения управляющего значения в ЦАП (40),
контроля напряжения, обнаруживаемого детектором на выходе блока (44) усиления, для обнаружения в обнаруженном напряжении увеличения, соответствующего включению управляемого током устройства (36), и
определения соответствующего сдвига в управляющем значении.

2. Схема по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью применения смещения для регулирования управляющего значения ЦАПа для достижения необходимого тока через электрическую нагрузку.

3. Схема по п. 2, в которой блок усиления содержит неинвертирующий вход, присоединенный для приема управляющего сигнала от цифро-аналогового преобразователя, и инвертирующий вход, присоединенный для приема опорного напряжения.

4. Схема по п. 3, в которой блок усиления содержит операционный усилитель.

5. Схема по любому из пп. 1-4, содержащая токочувствительный резистор, присоединенный последовательно с электрической нагрузкой, причем сигнал обратной связи по току включает в себя напряжение на токочувствительном резисторе.

6. Схема по п. 1, в которой управляемое током устройство содержит полевой транзистор.

7. Схема по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью изменения управляющего значения путем ступенчатого увеличения управляющего значения.

8. Схема по п. 1, в которой контроллер содержит процессор данных, присоединенный для записи цифровых значений в регистр, связанный с цифро-аналоговым преобразователем, а детектор содержит сигнальный вход процессора данных, присоединяемый для контроля выходного сигнала блока усиления.

9. Схема по п. 8, в которой сигнальный вход содержит цифровой вход.

10. Схема по п. 8, в которой сигнальный вход содержит аналоговый вход, присоединенный к аналого-цифровому преобразователю.

11. Устройство, содержащее множество схем по любому из пп. 1-10, причем каждая из множества схем выполнена с возможностью возбуждения соответствующей одной из множества электрических нагрузок, причем процессор является общим для множества схем.

12. Устройство по п. 11, в котором каждая из множества электрических нагрузок содержит один или более твердотельных световых излучателей.

13. Устройство по п. 12, в котором твердотельные световые излучатели различных из множества электрических нагрузок выполнены с возможностью излучения света различной цветности.

14. Схема по п. 1, включающая в себя первый и второй источники опорного напряжения и переключатель, выполненный с возможностью выборочного присоединения одного из первого и второго источников опорного напряжения к блоку усиления, причем переключатель присоединен для управления контроллером.

15. Схема (30) для возбуждения электрической нагрузки (32), причем схема содержит:
управляемое током устройство (36), присоединенное последовательно с нагрузкой (32);
цифро-аналоговый преобразователь (40), содержащий регистр (45) и выход (52), соединенный с управляющим входом (42) управляемого током устройства (36) посредством блока усиления (44); контроллер (50), содержащий детектор (48, 50),
присоединенный для обнаружения напряжения на выходе блока усиления (44), причем контроллер (50) выполнен с возможностью определения на основе напряжения, обнаруженного детектором (48, 50), значения регистра (45), соответствующего включению управляемого током устройства (36);
блок (44) усиления, содержащий:
первый вход, присоединенный для приема управляющего напряжения с выхода цифро-аналогового преобразователя,
второй вход, присоединенный для приема сигнала обратной связи по току, представляющего ток в электрической нагрузке, причем второй вход имеет смещение до потенциала, по меньшей мере, равного напряжению смещения, и
выход (52), соединенный с управляющим входом (42) управляемого током устройства (36).