ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕЗИСТОР Российский патент 2021 года по МПК H03H11/46 H03K17/687 

Область техники

Заявляемый электронно-управляемый резистор относится к области электротехники и электроники и предназначен для управления изменением сопротивления участка электрической цепи с помощью электронных средств.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны решения для электронного управления сопротивлением участка электрической цепи, использующие переменные резисторы, управляемые напряжением. Например, одно из таких решений: электронно-управляемый резистор, состоящий из полевого транзистора, -описано в книге У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника» (Москва, Мир, 1982), рис. 5.19. Управляющее напряжение подают непосредственно на вход электронно-управляемого резистора, которым является, соответственно, затвор полевого транзистора. При изменении управляющего напряжения изменяется сопротивление канала полевого транзистора, благодаря чему осуществляется управление сопротивлением участка электрической цепи (а, следовательно, и напряжением, током и мощностью полезных электрических сигналов в цепи). Общим признаком предлагаемого технического решения и аналога является МОП-транзистор с тремя выводами.

Недостатками известного решения являются: узкий диапазон напряжений между стоком и истоком полевого транзистора, в котором имеет место приблизительно линейная зависимость между управляющим напряжением и сопротивлением электронно-управляемого резистора (т.е. сопротивлением канала полевого транзистора); большой разброс характеристик управления, что не позволяет получить достаточную точность установки номинала резистора; температурная зависимость характеристик управления, что не позволяет получить стабильные значения сопротивления в диапазоне температур; зависимость значений сопротивления от напряжения между стоком и истоком полевого транзистора.

Известно также техническое решение, согласно которому электронно-управляемый резистор состоит из МОП-транзистора, параллельно которому включён шунтируемый резистор номиналом Rш, преобразователя управляющего напряжения и вычитающего устройства. Указанное техническое решение изложено в российском патенте RU 2658681, МПК G05F 1/59, опубликован 22.06.2018.

При изменении управляющего напряжения изменяется сопротивление канала МОП–транзистора, и, соответственно, сопротивление электронно-управляемого резистора (от величины Rш при закрытом МОП-транзисторе и до практически нулевого значения при полностью открытом МОП-транзисторе), благодаря чему осуществляется управление сопротивлением участка электрической цепи.

Общими признаками предлагаемого технического решения и рассматриваемого аналога являются:

- преобразователь управляющего напряжения; - вычитающее устройство;

- МОП–транзистор с тремя выводами, затвор которого подсоединён к выходу вычитающего устройства.

Недостатком известного решения являются недостаточная точность управления сопротивлением участка электрической цепи, особенно при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры).

Известно также техническое решение, изложенное в JP S51 114049A(Yokogawa Electric Works Ltd) 7 October 1976 (1976-10-07). Согласно этому техническому решению, электронно- управляемый резистор содержит последовательно соединённые составной транзистор и измерительный резистор, а также преобразователь напряжения, на один вход которого подаётся напряжение с высокопотенциального вывода электронно-управляемого резистора, причём на управляющие входы электронно-управляемого резистора подаётся цифровой код. Выход преобразователя напряжения подсоединён к управляющему входу составного транзистора через вычитающее устройство, инвертирующий вход которого подсоединён к измерительному резистору. В указанном техническом решении преобразователь напряжения выполняет функцию суммирования управляющего сигнала, представленного цифровым кодом, и напряжения на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора, поэтому оказывается невозможным обеспечить постоянство сопротивления электронно-управляемого резистора в сколько-нибудь широком диапазоне напряжений на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора. Кроме того, техническое решение, изложенное в JP S51 114049A(Yokogawa Electric Works Ltd) 7 October 1976 (1976-10-07), не позволяет управлять электронно-управляемым резистором с использованием аналоговых напряжений.

Известно также техническое решение, изложенное в EP 0 260 346 A2 (VDO Schildung [DE]) 23 March 1988 (1988-03-23). Согласно этому техническому решению, электронно-управляемый резистор содержит последовательно соединённые МОП-транзистор и измерительный резистор, а также вычитающее устройство преобразователь напряжения, на управляющие входы которого подаётся цифровой код. При этом сигнал, управляющий МОП-транзистором, представляет собой разность напряжений на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора и управляющего сигнала, полученного в результате суммирования напряжения на измерительном резисторе и цифрового кода.

Недостатком технического решения, изложенного в EP 0 260 346 A2 (VDO Schildung [DE]) 23 March 1988 (1988-03-23), является низкая стабильность сопротивления электронно-управляемого резистора при воздействии дестабилизирующих факторов. Кроме того, техническое решение, изложенное в EP 0 260 346 A2 (VDO Schildung [DE]) 23 March 1988 (1988-03-23), не позволяет управлять электронно-управляемым резистором с использованием аналоговых напряжений.

Известно также техническое решение, изложенное в EP 3 182 243 A1 (AMS AG [AT]) 21 June 2017 (2017-06-21). Согласно этому техническому решению, электронно-управляемый резистор содержит последовательно соединённые МОП-транзистор и измерительный резистор, а также вычитающее устройство, на инвертирующий вход которого подаётся сигнал с измерительного резистора, а на неинвертирующий вход вычитающего устройства подаётся сигнал с управляющего резистора.

Указанное техническое решение не позволяет управлять электронно-управляемым резистором ни с использованием аналоговых напряжений, ни с использованием цифровых кодов. В данном случае управляющим воздействием является величина сопротивления управляющего резистора, что существенно ограничивает область применения вышеописанного аналога.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрано техническое решение, раскрытое в описании изобретения SU1807554, МПК H03G3/30, опубликовано 30.10.1989 г. Известное решение представляет собой электронно-управляемый резистор, который содержит два образцовых резистора и два прецизионных перемножителя, благодаря чему достигается повышение точности установки заданной величины сопротивления. В качестве прецизионного аналогового перемножителя (который выполняет функцию преобразователя напряжения) в известном решении предлагается использовать микросхему 525ПС3 или её аналоги, например, AD534. Сопротивление электронно-управляемого резистора пропорционально номиналу образцового резистора (который выполняет функцию измерительного резистора) и может изменяться обратно пропорционально изменению управляющего напряжения на входе преобразователя напряжения.

Общими признаками предлагаемого технического решения и рассматриваемого аналога являются:

- наличие вывода для подсоединения к первому источнику управляющего напряжения, вывода для подсоединения к общему проводу, а также высокопотенциального вывода и низкопотенциального вывода для включения упомянутого электронно-управляемого резистора в электрическую цепь;

- преобразователь напряжения, первый вход преобразователя напряжения подсоединён к выводу электронно-управляемого резистора для подключения к источнику первого управляющего напряжения, третий вход преобразователя напряжения подсоединён к высокопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора;

- вычитающее устройство; - измерительный резистор;

- соединение одного из входов вычитающего устройства с выходом преобразователя напряжения;

- соединение другого входа вычитающего устройства с первым выводом измерительного резистора;

- соединение низкопотенциального вывода электронно-управляемого резистора с выводом для подсоединения к общему проводу.

Однако, в техническом решении-прототипе ток, протекающий через измерительный резистор, замыкается на общий провод через ограничительный резистор (в соответствии со схемой 525ПС3 или, что то же AD534), поэтому на практике существует зависимость величины сопротивления электронно-управляемого резистора от величины сопротивления ограничительного резистора. И пренебречь этой составляющей возможно только при условии, что сопротивление измерительного резистора много больше сопротивления ограничительного резистора. Следовательно, сопротивление электронно-управляемого резистора невозможно получить достаточно малым, что часто необходимо на практике. Кроме того, получение малых значений сопротивления электронно-управляемого резистора ограничено также обратной его зависимостью от управляющего напряжения, так что для получения малых значений сопротивления управляющее напряжение должно быть увеличено до величин практически не достижимых, а получение прямой зависимости сопротивления от управляющего напряжения в техническом решении-прототипе невозможно.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого решения является преодоление недостатков известных решений и создание преимущественно низкоомного электронно-управляемого резистора с возможностью обеспечения точной установки требуемого значения сопротивления и при высокой устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры в широких пределах.

Технический результат, который, как представляется, невозможно достичь ни одним из известных решений, заключается в расширении диапазона значений номинального сопротивления электронно-управляемого резистора, преимущественно в сторону малых его значений, при этом может быть достигнуто настолько малое сопротивление участка электрической цепи, в который включён электронно-управляемый резистор, как это только возможно с точки зрения технической реализации, при высокой устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов.

Заявленный технический результат реализуется в электронно-управляемом резисторе, снабжённом выводом для подсоединения к первому источнику управляющего напряжения, а также высокопотенциальным выводом и низкопотенциальным выводом для включения электронно-управляемого резистора в электрическую цепь. Электронно-управляемый резистор содержит преобразователь напряжения, измерительный резистор и вычитающее устройство. При этом преобразователь напряжения выполнен с тремя входами, и первый вход преобразователя напряжения подсоединён к выводу электронно-управляемого резистора для подсоединения к первому источнику управляющего напряжения, второй вход преобразователя напряжения подсоединён к выводу электронно-управляемого резистора для подсоединения к второму источнику управляющего напряжения, а третий вход преобразователя напряжения подсоединён к высокопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора, первый вход вычитающего устройства подсоединён к выходу преобразователя напряжения, а ко второму входу вычитающего устройства подсоединён первый вывод измерительного резистора, причём низкопотенциальный вывод электронно-управляемого резистора соединён с выводом для подсоединения к общему проводу. Электронно-управляемый резистор дополнительно содержит исполнительный элемент, причём первый вывод исполнительного элемента подсоединён к первому выводу измерительного резистора, второй вывод исполнительного элемента подсоединён к выходу вычитающего устройства, третий вывод исполнительного элемента подсоединён к высокопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора, второй вывод измерительного резистора подсоединён к низкопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора, и второй вход преобразователя напряжения соединён с дополнительным выводом электронно-управляемого резистора для подключения ко второму источнику управляющего напряжения.

Дополнительным отличием является то, что преобразователь напряжения выполнен с возможностью умножения напряжения на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора на частное от деления значений управляющих напряжений друг на друга и формирования при этом промежуточного сигнала.

Ещё одним отличием предлагаемого устройства является то, что преобразователь напряжения представляет собой три параллельно включённых логарифматора, сумматор, дополнительное вычитающее устройство и экспоненциальный преобразователь. При этом вход первого логарифматора подсоединён к высокопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора, вход второго логарифматора подсоединён к источнику одного из управляющих напряжений, вход третьего логарифматора подсоединён к источнику другого управляющего напряжения, выходы первого и второго логарифматоров подсоединены ко входам сумматора, выход которого подсоединён к неинвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства, выход третьего логарифматора подсоединён к инвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства, выход которого подсоединён ко входу экспоненциального преобразователя, выход которого является выходом преобразователя напряжения.

Ещё одним дополнительным отличием является то, что преобразователь напряжения может содержать цифровой вычислительный блок, аналого-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь. При этом вход аналого-цифрового преобразователя подсоединён к третьему входу преобразователя напряжения, выход аналого-цифрового преобразователя соединён с третьим входом цифрового вычислительного блока, другой вход которого соединён с вторым входом преобразователя напряжения, а первый вход цифрового вычислительного блока соединён с первым входом преобразователя напряжения, выход цифрового вычислительного блока подсоединён к входу цифроаналогового преобразователя и выход цифроаналогового преобразователя подсоединён

к выходу преобразователя напряжения, при этом первый вход преобразователя напряжения представляет собой, как минимум, одноразрядную шину цифровых данных, разряды которой подсоединены к, как минимум, одному выводу электронно-управляемого резистора для подключения к первому источнику управляющего напряжения, а второй вход преобразователя напряжения представляет собой, как минимум, одноразрядную шину цифровых данных, разряды которой подсоединены к, как минимум, одному выводу электронно-управляемого резистора для подключения ко второму источнику управляющего напряжения.

Исполнительный элемент может быть выполнен на, как минимум, одном полевом транзисторе, в частности, транзисторе МОП-типа.

Исполнительный элемент может быть выполнен на, как минимум, одном биполярном транзисторе, в частности, на биполярном транзисторе с изолированным затвором.

Исполнительный элемент может быть выполнен на, как минимум, одном электровакуумном приборе.

Такое выполнение устройства позволяет применять заявляемый электронно-управляемый резистор в устройствах, в которых необходимо управлять сопротивлением как с прямой зависимостью от управляющего напряжения, так и с обратной, а также с зависимостью от двух изменяемых управляющих напряжений. А благодаря использованию в предложенном техническом решении исполнительного элемента, способного пропускать большие токи, оно позволяет получать не только большие, как в прототипе, но и малые значения номинала измерительного резистора и, следовательно, значения номинала электронно-управляемого резистора.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого технического решения поясняется далее с помощью фигур, причём:

на фиг.1 представлен один из возможных вариантов схемы аналоговой реализации электронно-управляемого резистора,

на фиг.2 – один из возможных вариантов его цифровой реализации,

фиг. 3 и 4 показывают модификации устройств, изображённых, соответственно, на фиг. 1 и 2,

фиг. 5 иллюстрирует зависимость сопротивления электронно-управляемого резистора от величины управляющего напряжения,

на фиг. 6 изображён один из возможных вариантов реализации преобразователя напряжения,

на фиг. 7 - ещё один из возможных вариантов реализации преобразователя напряжения.

Осуществление изобретения

В целях лучшего понимания заявляемого технического решения приняты следующие определения.

Преобразователь напряжения – компонент электрической цепи, выполненный с возможностью преобразования значений входных напряжений в промежуточный сигнал, значение которого может быть установлено эквивалентным заданному соотношению сигналов от источников управляющих напряжений. Может быть реализован в различных вариантах, в том числе, но не только, с использованием аналоговых интегральных микросхем, микропроцессоров, программируемых логических матриц и т.п.

Исполнительный элемент – компонент электрической цепи, снабженный тремя выводами, один из которых является управляющим входом. Может быть реализован в различных вариантах, в том числе, но не только, с использованием транзисторов МОП-типа, биполярных транзисторов (в том числе с изолированным затвором), электро-вакуумных приборов и т.п.

На фиг.1 и 2 представлен электронно-управляемый резистор (1), который включает преобразователь (101) напряжения, вычитающее устройство (103), выполненное, например, на основе операционного усилителя, измерительный резистор (105) и исполнительный элемент (107) с тремя выводами. Первый и второй входы (109, 111) преобразователя (101) напряжения подсоединены к выводам (104) и (106) электронно-управляемого резистора, предназначенным для подключения к первому и второму источникам управляющего напряжения, соответственно, третий вход (113) подсоединён к высокопотенциальному выводу (10) электронно-управляемого резистора (1), а выход (115) преобразователя (101) служит для подачи промежуточного сигнала на вычитающее устройство (103). При этом вывод (102) электронно-управляемого резистора (1) служит для подачи на него напряжения питания, а вывод (108) предназначен для подключения к общему проводу. Первый (неинвертирующий) вход (117) вычитающего устройства (103) подсоединён к выходу (115) преобразователя (1) напряжения, второй (инвертирующий) вход (119) вычитающего устройства (103) подсоединён к первому выводу (121) измерительного резистора (105), а выход (123) вычитающего устройства (103) служит для подачи управляющего сигнала на исполнительный элемент (107), выполненный, например, с тремя выводами. Первый вывод (125) исполнительного элемента (107) подсоединяют, например, к первому выводу (121) измерительного резистора (105), второй вывод (127), являющийся управляющим входом исполнительного элемента (107), подсоединяют к выходу (123) вычитающего устройства (103), а третий вывод (129) исполнительного элемента (107) подсоединяют, например, к высокопотенциальному выводу (110) электронно-управляемого резистора 1.

При этом второй вывод (131) измерительного резистора (105) подсоединяют, например, к низкопотенциальному выводу (12) электронно-управляемого резистора (1) и к выводу (108) электронно-управляемого резистора (1). Высокопотенциальный и низкопотенциальный выводы (10) и (12) служат для включения электронно-управляемого резистора (1) в электрическую цепь (не показана).

В случае варианта цифровой реализации электронно-управляемого резистора (1) (см. фиг.2), преобразователь (101) напряжения содержит аналого-цифровой преобразователь (233), подсоединённый к выводу (113), цифровое вычислительное устройство (235), на входы которого поступают управляющие напряжения в цифровом виде с входов (109 и 111) преобразователя (101) напряжения и с выходов аналого-цифрового преобразователя (233), а также цифроаналоговый преобразователь (237), подключённый своими входами к выходам цифрового вычислительного устройства (235) и своим выходом к выводу (115) преобразователя (101) напряжения.

Электронно-управляемый резистор, выполненный рассмотренным выше образом, позволяет получить управляемое сопротивление электронно-управляемого резистора (между высокопотенциальными низкопотенциальным выводами электронно-управляемого резистора), которое изменяется по закону:

R0= UС1* R / UС2. (1)

То есть, величина сопротивления электронно-управляемого резистора R0 пропорциональна номиналу R измерительного резистора, включённого последовательно с электронно-управляемым компонентом. Коэффициент пропорциональности при этом равен отношению величины UС1 первого управляющего напряжения к величине UС2 второго управляющего сигнала. Что позволяет применять заявляемый электронно-управляемый резистор в устройствах, в которых необходимо управлять сопротивлением как с прямой зависимостью от управляющего напряжения, так и с обратной, а также с зависимостью от двух изменяемых управляющих напряжений. А благодаря использованию в предложенном техническом решении электронно-управляемого компонента, способного пропускать большие токи, заявляемый электронно-управляемый резистор позволяет получать не только большие, как в прототипе, но и малые значения номинала измерительного резистора и, следовательно, самого электронно-управляемого резистора.

Электронно-управляемый резистор (1) согласно фиг.1 работает следующим образом. При подаче напряжения питания UСС на выводы (102) и (108) электронно-управляемого резистора и при поступлении на его же выводы (104) и (106), соответственно, первого и второго управляющих напряжений UС1 и UС2, на входы (109) и (111) преобразователя (101) напряжения, подсоединённые к выводам (104) и (106) соответственно, также поступают первое и второе управляющие напряжения UС1 и UС2. Одновременно с высокопотенциального вывода (10) электронно-управляемого резистора на третий вход (113) преобразователя (101) напряжения поступает напряжение U1, соответствующее разности потенциалов между высокопотенциальным (10) и низкопотенциальным (12) выводами электронно-управляемого резистора (1).

Преобразователь (101) напряжения преобразует напряжения UС1, UС2 и U1 таким образом, что на выходе (115) преобразователя (101) напряжения формируется промежуточный сигнал S, значение которого равно произведению значения напряжения на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора U1 на частное от деления значения одного, например второго, управляющего напряжения на другое, например, первое, управляющее напряжение, что выражается соотношением:

S = U1* UС2/ UС1. (2)

Преобразователь (1) напряжения может быть выполнен любым

известным способом, например, по схеме, описанной в electrono.ru/4-1-analogovyy-peremnozhitel-signalov-micrshema.

В частности, возможен вариант исполнения преобразователя (101) напряжения с помощью логарифмирования и экспоненциального (обратного) преобразования в соответствии с фиг. 6. На фиг.6 цифрами обозначены:

601, 602, 603 – логарифматоры, выполняющие преобразование Uвых =Ln (Uвх );

604 - сумматор, выполняющий функцию Uвых =Uвх1 + U вх2;

605 – вычитающее устройство, выполняющее функцию Uвых = Uвх1 - Uвх2 (где Uвх1 - сигнал на неинвертирующем входе вычитающего устройства, а Uвх2 -сигнал на его инвертирующем входе);

606 – экспоненциальный преобразователь, выполняющий функцию Uвых = ехр (Uвх).

В принятых обозначениях преобразователь (101) напряжения работает следующим образом. На входы логарифматоров (601) и (602) поступают управляющее напряжения Uс1 и Uс2 соответственно, а на вход логарифматора (603) поступает напряжение U1 с высокопотенциального вывода электронно-управляемого резистора. В результате логарифмического преобразования на выходе логарифматора (601) формируется сигнал Ln (Uс1), на выходе логарифматора (602) формируется сигнал Ln( Uс2), а на выходе логарифматора (603) формируется сигнал Ln (U1). Полученные таким образом логарифмы входных напряжений поступают: с выхода логарифматора (601) на инвертирующий вход вычитающего устройства (605), а с выходов логарифматоров (602), (603) на его неинвертирующий вход через сумматор (604). Благодаря этому на выходе вычитающего устройства (605) формируется сигнал Ln (U1) + Ln (Uс2) - Ln (Uс1), после преобразования которого в экспоненциальном преобразователе (606) на выходе последнего формируется выходной сигнал преобразователя (101) напряжения:

S = U1* UС2/ UС1. (2)

Сформированный описанным выше образом промежуточный сигнал S с выхода (115) преобразователя (101) напряжения поступает на первый (неинвертирующий) вход (117) вычитающего устройства (103), на второй (инвертирующий) вход (119) которого с первого вывода (121) измерительного резистора (105) поступает напряжение U2, значение которого равно падению напряжения на измерительном резисторе (105), созданному током I0 исполнительного элемента (107). Ток I0 протекает по цепи: высокопотенциальный вывод (10) электронно-управляемого резистора (1) – исполнительный элемент (107) – последовательно соединённый с ним измерительный резистор (105) – низкопотенциальный вывод (12) электронно-управляемого резистора (1), благодаря наличию разности потенциалов U1 между высокопотенциальным (10) и низкопотенциальным (12) выводами.

Значение напряжения U2, следовательно, выражается соотношением:

U2 = I0 * R, (3)

где R – номинал измерительного резистора, который может быть выбран таким малым, как это только возможно с точки зрения технической реализации.

С выхода (123) вычитающего устройства (103) на управляющий вывод (127) исполнительного элемента (107) подаётся напряжение, пропорциональное разности промежуточного сигнала S на первом (неинвертирующем) входе (117) вычитающего устройства (103) и напряжения U2 на втором (инвертирующем) входе (119) вычитающего устройства (103). При этом, если величина промежуточного сигнала S больше, чем величина напряжения U2, напряжение на управляющем выводе (127) исполнительного элемента (107) открывает исполнительный элемент (107), ток I0 через него увеличивается, в результате увеличивается напряжение U2. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока величина напряжения U2 не станет равной величине промежуточного сигнала S.

С другой стороны, если величина промежуточного сигнала S будет меньше, чем величина напряжения U2, то напряжение на управляющем выводе (127) исполнительного элемента (107) будет закрывать исполнительный элемент (107), ток I0 через него будет уменьшаться, в результате будет уменьшаться напряжение U2. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока величина напряжения U2 не станет равной величине промежуточного сигнала S.

Таким образом, благодаря наличию обратной связи, охватывающей исполнительный элемент (107), измерительный резистор (105) и вычитающее устройство (103), в предлагаемом техническом решении всегда будет выполняться соотношение

S = U2. (4)

Или, подставляя соответствующие значения из (2) и (3),

UС2 * U1 / UС1 = I0 * R. (5)

Причём соотношение (4) устойчиво выполняется при воздействии различных дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры в широких пределах, что обеспечивается глубиной упомянутой обратной связи.

Примем теперь во внимание, что величина сопротивления R0 между высокопотенциальным выводом (10) электронно-управляемого резистора и его низкопотенциальным выводом (12) равна частному от деления напряжения U1 на ток I0, протекающий по цепи: исполнительный элемент (107) – последовательно соединённый с ним измерительный резистор (105):

R0 = U1 / I0. (6)

Из соотношений (5) и (6) получаем формулу (1):

R0 = UС1 * R / UС2.

Следовательно, доказано, что путём формирования промежуточного сигнала на выходе преобразователя (101) напряжения в виде

S = U1* UС2/ UС1,

подачи этого сигнала на первый (неинвертирующий) вход (117) вычитающего устройства (103), подачи на второй (инвертирующий) вход (119) вычитающего устройства (103) напряжения с измерительного резистора U2= I0 * R, и обеспечения равенства S ≈ U2 за счёт вышеописанной обратной связи, величина сопротивления электронно-управляемого резистора R0 становится пропорциональной номиналу измерительного резистора R, включённого последовательно с исполнительным элементом, а коэффициент пропорциональности равен отношению величины первого управляющего напряжения к величине второго управляющего напряжения.

Из соотношения (6) также следует возможность получения малых и сверхмалых значений RО при достаточно большом токе I0, который обеспечивается электронно-управляемым компонентом.

Таким образом, для управления сопротивлением участка электрической цепи используют изменение значений UС1 и/или UС2, получая при этом либо прямо-пропорциональную, либо обратно пропорциональную, либо комбинированную функцию, в зависимости от требований, предъявляемых к электронно-управляемому резистору.

Получение прямо-пропорциональной зависимости сопротивления электронно-управляемого резистора от управляющего напряжения достигается в том случае, если величину UС2 зафиксировать любым технически реализуемым способом и изменять только UС1.

Получение обратно пропорциональной зависимости сопротивления электронно-управляемого резистора от управляющего напряжения достигается в том случае, если величину UС1 зафиксировать любым технически реализуемым способом и изменять только UС2.

Получение комбинированной функции достигается в том случае, когда и UС1, и UС2 изменяются по заранее предустановленному закону.

Электронно-управляемый резистор согласно фиг.2 (второй вариант) работает следующим образом. На выводы (102) и (108) электронно-управляемого резистора подают напряжение питания UСС, и на его же выводы (104) и (106) подают, соответственно, первое и второе цифровые управляющие напряжения UС1-1 и UС2-1, поэтому на первый и второй входы (109) и (111) преобразователя (1) напряжения, подключённые к выводам (104) и (106) соответственно, поступают первое и второе цифровые управляющие напряжения UС1-1 и UС2-1. Одновременно с высокопотенциального вывода (10) электронно-управляемого резистора (1) на третий вход (113) преобразователя (101) напряжения поступает напряжение U1, соответствующее разности потенциалов между высокопотенциальным (10) и низкопотенциальным (12) выводами.

В преобразователе (101) напряжения с помощью аналого-цифрового преобразователя (233) производится перевод аналогового напряжения U1 в цифровую форму U1-1. Соответствующие цифровые коды одновременно с цифровыми управляющими напряжениями UС1-1 и UС2-1 подаются на входы цифрового вычислительного устройства (235) и преобразуются таким образом, что на его соответствующих выходах формируется в цифровом виде промежуточный сигнал S1, значение которого, так же, как и в случае схемы фиг. 1, равно произведению значения напряжения на высокопотенциальном выводе электронно-управляемого резистора в цифровом виде U1-1 на частное от деления значения одного, например второго, управляющего напряжения на другое, например первое, управляющее напряжение и выражается соотношением:

S1 = U1-1* UС2-1 / UС1-1. (7)

Возможен также вариант исполнения преобразователя (101) напряжения с помощью микропроцессора в соответствии с фиг.7, на которой обозначены:

701 – устройство ввода-вывода;

702 - арифметико-логическое устройство;

703 – оперативное запоминающее устройство;

704 – постоянное запоминающее устройство;

233 - аналогично фиг. 2 – аналого-цифровой преобразователь;

237 - так же, как и на фиг. 2 – цифроаналоговый преобразователь.

В таком исполнении и принятых обозначениях преобразователь (101) напряжения работает следующим образом.

На входы устройства (701) ввода-вывода поступают первое и второе цифровые управляющие напряжения UС1-1 и UС2-1. Напряжение U1 с высокопотенциального вывода электронно-управляемого резистора (после его преобразования в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе (233)) также поступает на устройство (701) ввода-вывода в виде цифрового напряжения U1-1. Устройство (701) ввода-вывода передаёт полученные им цифровые напряжения UС1-1, UС2-1 и U1-1 в арифметико-логическое устройство (702), которое по программе, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (704), производит вычисление промежуточного сигнала

S1 = U1-1* UС2-1/UС1-1

в цифровом виде, обмениваясь при этом промежуточными результатами вычислений с оперативным запоминающим устройством (703). Полученный сигнал S1 в цифровом виде из арифметико-логического устройства (702) поступает в устройство (701) ввода-вывода, которое передаёт этот сигнал на входы цифроаналогового преобразователя (237). Цифроаналоговый преобразователь (237) производит перевод сигнала S1 в аналоговую форму S в соответствии с соотношением (2).

Сформированный описанным выше образом промежуточный сигнал S с выхода (115) преобразователя (101) напряжения, так же, как и в первом, аналоговом, варианте, поступает на первый (неинвертирующий) вход (117) вычитающего устройства (103), на второй (инвертирующий) вход (119) которого с первого вывода (121) измерительного резистора (105) поступает напряжение U2, значение которого равно падению напряжения на измерительном резисторе (105), созданному током I0 исполнительного элемента (107). Ток I0 протекает по цепи: высокопотенциальный вывод (10) электронно-управляемого резистора - исполнительный элемент (107) – последовательно соединённый с ним измерительный резистор (105) -низкопотенциальный вывод (12) электронно-управляемого резистора, благодаря наличию разности потенциалов U1 между высокопотенциальным (10) и низкопотенциальным (12) выводами.

Значение напряжения U2, следовательно, как и в случае схемы, представленной на фиг. 1, выражается соотношением:

U2 = I0 * R, (3)

где R – номинал измерительного резистора, который может быть выбран таким малым, как это только возможно с точки зрения технической реализации.

С выхода (123) вычитающего устройства (103) на управляющий вывод (127) исполнительного элемента (107) подаётся напряжение, пропорциональное разности промежуточного сигнала S на первом (неинвертирующем) входе (117) вычитающего устройства (103) и напряжения U2 на втором (инвертирующем) входе (119) вычитающего устройства (103). При этом, если величина промежуточного сигнала S больше, чем величина напряжения U2, то напряжение на управляющем выводе (127) исполнительного элемента (107) открывает исполнительный элемент (107), ток I0 через него увеличивается, в результате увеличивается напряжение U2. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока величина напряжения U2 не станет равной величине промежуточного сигнала S.

С другой стороны, если величина промежуточного сигнала S будет меньше, чем величина напряжения U2, то напряжение на управляющем выводе (127) исполнительного элемента (107) будет закрывать исполнительный элемент (107), ток I0 через него будет уменьшаться, в результате будет уменьшаться напряжение U2. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока величина напряжения U2 не станет равной величине промежуточного сигнала S.

Таким образом, благодаря наличию обратной связи, охватывающей исполнительный элемент (107), измерительный резистор (105) и вычитающее устройство (103), в предлагаемом техническом решении, как и в описанном выше варианте согласно фиг. 1, всегда будет выполняться соотношение

S = U2. (4)

Или, подставляя соответствующие значения,

UС2-1 * U1 / UС1-1 = I0 * R. (5)

Причём соотношение (4) устойчиво выполняется при воздействии различных дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры в широких пределах, что обеспечивается глубиной упомянутой обратной связи.

Рассуждая так же, как и в случае варианта, представленного на фиг. 1, снова получаем формулу (1):

R0 = UС1-1 * R / UС2-1,

где управляющие напряжения представлены в цифровом виде.

Следовательно, доказано, что при использовании в качестве преобразователя напряжения (101) совокупности аналого-цифрового преобразователя, цифрового вычислительного устройства и цифроаналогового преобразователя с соответствующими связями, как и в случае варианта согласно фиг. 1, возможно управлять значением сопротивления электронно-управляемого резистора, которое будет пропорционально номиналу измерительного резистора, включённого последовательно с электронно-управляемым компонентом, а коэффициент пропорциональности будет равен отношению величины первого управляющего напряжения к величине второго управляющего напряжения.

Таким образом, для управления сопротивлением участка электрической цепи используют изменение значений UС1-1 и/или UС2-1, получая при этом либо прямо-пропорциональную, либо обратно пропорциональную, либо комбинированную функцию, в зависимости от требований, предъявляемых к устройству, в котором применяют заявляемый способ.

Получение прямо-пропорциональной зависимости сопротивления электронно-управляемого резистора от управляющего напряжения достигается в том случае, если величину UС2-1 зафиксировать любым технически реализуемым способом и изменять только UС1-1.

Получение обратно пропорциональной зависимости сопротивления электронно-управляемого резистора от управляющего напряжения достигается в том случае, если величину UС1-1 зафиксировать любым технически реализуемым способом и изменять только UС2-1.

Получение комбинированной функции достигается, когда и UС1-1 и UС2-1 изменяются по заранее предустановленному закону.

Из сказанного следует, что технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, заключается в расширении диапазона значений номинального сопротивления электронно-управляемого резистора, преимущественно в сторону малых его значений, при этом может быть достигнуто настолько малое сопротивление участка электрической цепи, как это только возможно с точки зрения технической реализации, при высокой устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов.

Специалистам в данной области ясно, что возможны различные варианты технической реализации преобразователя (101) напряжения. Так, например, операции деления и умножения могут производиться в произвольном порядке:

- или сначала выполняется операция U1*UС2, затем результат делится на UС1;

- или сначала выполняется операция U1/UС1, затем результат умножается на UС2;

- или сначала выполняется операция UС2 / UС1, затем результат умножается на U1;

- или операции UС1 * U1 / UС2 выполняются параллельно, как это реализовано, в частности, в решении, раскрытом в electrono.ru/4-1-analogovyy-peremnozhitel-signalov-micrshema

Операция умножения может быть выполнена самыми разнообразными способами, например, как описано в статье «Аналоговые умножители» (http://digteh.ru/Sxemoteh/mul/, 25.01.2014), или в аналоговом перемножителе сигналов (electrono.ru/4-1-analogovyy-peremnozhitel-signalov-micrshema). Широко используются, например:

- кольцевые умножители на биполярных транзисторах (микросхемы К525ПС2, К525ПС3, AD834 и множество других);

- перемножители импульсные;

- перемножители логарифмические;

- перемножители с переменной крутизной и другие.

Операция деления также может быть выполнена самыми разнообразными способами, например, как описано в статье «Делитель аналоговых сигналов» (electrono.ru/4-2-delitel-analogovyh-signalov-micrshema):

- с помощью обычного инвертирующего усилителя, у которого последовательно с RОС включен перемножитель;

- по методу переменной крутизны;

- по методу логарифмирования и другие.

Если управляющие сигналы поступают в цифровой форме, то преобразователь (101) напряжения может быть выполнен с использованием цифрового вычислительного устройства, как описано выше и представлено на фиг. 2. В этом случае операции деления и умножения могут быть выполнены программным способом с использованием любого подходящего микропроцессора. Кроме того, операции деления и умножения могут быть выполнены и аппаратным способом, например, с использованием комбинационных делителей/умножителей, или с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Специалистам также ясно, что в качестве исполнительного элемента (107) могут быть использованы транзисторы МОП-типа, либо биполярные транзисторы, либо электро-вакуумные приборы и т.п.

Все остальные элементы устройства широко известны и подробно описаны в технической литературе.

Приведенные примеры не ограничивают объем заявленного изобретения.

Так, номинал измерительного резистора может быть выбран, например, но не только, в пределах от нескольких Ом до нескольких миллиОм.

С целью обеспечения защиты исполнительного элемента (107) при переходных процессах в первом варианте может быть использовано параллельное включение дополнительного (337) резистора Rs согласно фиг. 3, выводы (333) и (335) которого подключены, соответственно, к выводам (129) и (125) исполнительного элемента (107). Во втором варианте может быть использовано параллельное включение дополнительного (437) резистора Rs согласно фиг. 4, выводы (433) и (435) которого подключены, соответственно, к выводам (129) и (125) исполнительного элемента (107).

Устройство, реализуемое по первому варианту, может быть выполнено в виде микросхемы, либо микросборки, либо микроплаты, выводами которой являются выводы 102, 104, 106, 108, 10, 12 (см. фиг.1).

Устройство, реализуемое по первому варианту, может быть также выполнено в виде микросхемы, либо микросборки, либо микроплаты, выводами которой являются выводы 102, 104, 106, 108, 10, 12, 123 и 121, при этом исполнительный элемент (107) присоединён своими выводами 125, 127, 129 к выводам 121, 123 и 10 соответственно (см. фиг. 1).

Устройство, реализуемое по второму варианту, может быть выполнено в виде микросхемы, либо микросборки, либо микроплаты, выводами которой являются выводы 102, 104, 106, 108, 10, 12 (см. фиг. 2), при этом выводы 104 и 106 могут быть представлены группой выводов, соответствующих, например, последовательным интерфейсам или параллельным интерфейсам типа IIC, SPI, инкремент-декремент.

Устройство, реализуемое по второму варианту, может быть также выполнено в виде микросхемы, либо микросборки, либо микроплаты, выводами которой являются выводы 102, 104, 106, 108, 10, 12, 123 и 121, при этом выводы 104 и 106 могут быть представлены группой выводов, соответствующих, например, последовательным интерфейсам или параллельным интерфейсам типа IIC, SPI, инкремент-декремент, а исполнительный элемент (107) может быть присоединён своими выводами 125, 127, 129 к выводам 121, 123 и 10 соответственно (см. фиг. 2).

Функциональные возможности заявляемого технического решения по сравнению со всеми известными аналогами значительно шире, так как позволяют создавать преимущественно низкоомный, но не только, электронно-управляемый резистор, который можно применять в устройствах, в которых необходимо управлять сопротивлением как с прямой зависимостью от управляющего напряжения, так и с обратной, а также с зависимостью от двух изменяемых управляющих напряжений. При этом управление сопротивлением может осуществляться как посредством аналоговых управляющих напряжений, так и посредством цифровых управляющих кодов, а токи, протекающие через электронно-управляемый резистор, могут быть до десяти ампер и более.

Примерами таких устройств являются зарядные устройства для аккумуляторов, корректоры коэффициента мощности для источников вторичного электропитания, синхронные электродвигатели и т.д.

Таким образом, заявляемое техническое решение имеет все возможности для широкого применения в различных областях электротехники и электроники с целью управления сопротивлением участка электрической цепи постоянного или переменного тока, а, следовательно, для управления напряжением, током и мощностью полезных электрических сигналов.

Устройство, реализующее заявленное техническое решение, было изготовлено по второму варианту (согласно фиг.2) и испытано при фиксированных значениях UС2-1, а переменным являлось первое управляющее напряжение UС1-1. График зависимости сопротивления RО электронно-управляемого резистора от величины UС1-1 приведён на фиг. 5. Из графика видно, что измеренные значения сопротивления электронно-управляемого резистора RОmeas пропорциональны величине UС1-1 с высокой степенью линейности, независимо от значений U1 (для справки, на графике показаны расчётные значения, RО calc). При этом значения RО meas лежат в диапазоне от 1,045 Ом при UС1-1, равном 0,02 В, до 40 Ом при UС1-1, равном 0,85 В. Никакое другое техническое решение, известное из уровня техники и используемое для электронного управления сопротивлением участка электрической цепи, не обеспечивает такой малой величины RО.

В заключение отметим, что приведённые примеры не ограничивают объём заявленного изобретения. Так, аппаратные части одних элементов, упомянутых в описании, могут отличаться, частично совпадать или полностью совпадать с аппаратными частями других элементов, если иное не указано в явном виде. Кроме того, аппаратные части одних элементов могут располагаться в различных частях других элементов, если иное не указано в явном виде.

Электронно-управляемый резистор (ЭУР), предназначенный для управляемого изменения сопротивления участка цепи. Технический результат - ЭУР даёт возможность получать широкий диапазон значений номинального сопротивления ЭУР, вплоть до предельно малых значений, при этом обеспечивается устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов, включая температуру. ЭУР снабжён выводом для подключения к первому источнику управляющего напряжения и содержит преобразователь напряжения, измерительный резистор и вычитающее устройство. Дополнительно ЭУР содержит вывод для подключения ко второму источнику управляющего напряжения, а также включённый последовательно с измерительным резистором исполнительный элемент с тремя выводами. Первый вывод подсоединён к первому выводу измерительного резистора, второй вывод подсоединён к выходу вычитающего устройства, а третий вывод подсоединён к высокопотенциальному выводу ЭУР. Преобразователь напряжения представляет собой электронный компонент, выполненный с возможностью преобразования входящих управляющих сигналов от источников управляющего напряжения и от высокопотенциального вывода ЭУР в промежуточный сигнал, подаваемый на выход преобразователя напряжения. Значение указанного промежуточного сигнала эквивалентно произведению значения напряжения на высокопотенциальном выводе ЭУР на частное от деления значений управляющих напряжений друг на друга. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электронно–управляемый резистор (1) содержит:

преобразователь напряжения (101),

измерительный резистор (105)

и вычитающее устройство (103),

преобразователь напряжения (101) содержит первый, второй и третий входы (109, 111, 113),

первый вход (109) подсоединён к первому источнику управляющего напряжения,

и третий вход (113) подсоединён к высокопотенциальному выводу (10),

первый вход (117) вычитающего устройства (103) подсоединён к выходу (115) преобразователя напряжения (103),

второй вход (119) вычитающего устройства (103) подсоединён к первому выводу (121) измерительного резистора (105), измерительный резистор (105) соединён с низкопотенциальным выводом (12),

отличающийся тем, что второй вход (111) преобразователя напряжения (101) подсоединён к второму источнику управляющего напряжения,

электронно-управляемый резистор (1) дополнительно содержит исполнительный элемент (107),

первый вывод (125) исполнительного элемента (107) подсоединён к первому выводу (121) измерительного резистора (105),

второй вывод (127) исполнительного элемента (107) подсоединён к выводу (123) вычитающего устройства (103),

и третий вывод (129) исполнительного элемента (107) подсоединён к высокопотенциальному выводу электронно-управляемого резистора (10), и

при этом преобразователь напряжения (101) умножает напряжение на высокопотенциальном выводе (10) на значение второго входа (111) и делит получившееся произведение на значение первого входа (109) для формирования промежуточного сигнала на выводе (115) преобразователя напряжения (101).

2. Электронно-управляемый резистор (1) по п. 1,

отличающийся тем, что преобразователь напряжения (101) содержит:

три параллельно включённых логарифматора (601), (602) и (603),

сумматор (604),

дополнительное вычитающее устройство (605) и

экспоненциальный преобразователь (606),

при этом вход первого логарифматора (603) подсоединён к высокопотенциальному выводу (10) через вход (113),

вход второго логарифматора (602) подсоединён к входу (111),

вход третьего логарифматора (601) подсоединён к входу (109),

выходы первого логарифматора (603) и второго логарифматора (602) подсоединены к входам сумматора (604),

выход сумматора (604) подсоединён к неинвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства (605),

выход третьего логарифматора (601) подсоединён к инвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства (605),

выход дополнительного вычитающего устройства (605) подсоединён к входу экспоненциального преобразователя (606),

выход экспоненциального преобразователя (606) является выходом (115) преобразователя напряжения (101).

3. Электронно-управляемый резистор (1) по п. 1,

отличающийся тем, что преобразователь напряжения (101) содержит:

цифровое вычислительное устройство (235),

аналого-цифровой преобразователь (233)

и цифроаналоговый преобразователь (237),

причём вход аналого-цифрового преобразователя (233) подсоединён к третьему входу (113) преобразователя напряжения (101),

выход аналого-цифрового преобразователя (233) соединён со входом цифрового вычислительного устройства (235),

второй вход цифрового вычислительного устройства (235) соединён с вторым входом (111) преобразователя напряжения (101),

третий вход цифрового вычислительного устройства (235) соединён с первым входом (109) преобразователя напряжения (101),

выход цифрового вычислительного устройства (235) соединён с входом цифроаналогового преобразователя (237), и выход цифроаналогового преобразователя (237) подсоединён к выходу (115) преобразователя напряжения (101),

при этом первый вход (109) преобразователя напряжения (101) представляет собой шину цифровых данных,

а второй вход (111) упомянутого преобразователя напряжения (101) также представляет собой шину цифровых данных.

4. Электронно-управляемый резистор (1) по п. 1, отличающийся тем, что исполнительный элемент (107) выполнен на транзисторе МОП-типа.

5. Электронно-управляемый резистор (1) по п. 1, отличающийся тем, что исполнительный элемент (107) выполнен на биполярном транзисторе с изолированным затвором.

6. Электронно-управляемый резистор (1) по п. 1, отличающийся тем, что исполнительный элемент (107) выполнен на электровакуумном приборе.

7. Схема управления электронно-управляемым резистором (1) содержит:

преобразователь напряжения (101),

вычитающее устройство (103),

преобразователь напряжения (101) содержит первый, второй и третий входы (109, 111, 113),

первый вход (109) подсоединён к первому источнику управляющего напряжения,

и третий вход (113) подсоединён к высокопотенциальному выводу (10),

первый вход (117) вычитающего устройства (103) подсоединён к выводу (115) преобразователя напряжения (103),

второй вход (119) вычитающего устройства (103) подсоединён к первому выводу (121) измерительного резистора (105),

отличающаяся тем, что она также включает в себя

второй вход (111) преобразователя напряжения (101) для подсоединения к второму входу управляющего напряжения,

и выход (123) вычитающего устройства (103) для подсоединения к управляющему входу исполнительного элемента;

при этом преобразователь напряжения (101) умножает напряжение на высокопотенциальном выводе (10) на значение второго входа (111) и делит его на значение первого входа (109), для формирования промежуточного сигнала на выводе (115) преобразователя напряжения (101).

8. Схема управления электронно-управляемым резистором (1) по п. 7,

отличающаяся тем, что преобразователь напряжения (101) содержит:

три логарифматора (601, 602, 603), включенные параллельно,

сумматор (604),

дополнительное вычитающее устройство (605)

и экспоненциальный преобразователь (606),

при этом вход первого логарифматора (603) подсоединён к высокопотенциальному выводу (10) через вход (113),

вход второго логарифматора (602) подсоединён к входу (111),

вход третьего логарифматора (601) подсоединён к входу (109),

выходы первого логарифматора (603) и второго логарифматора (602) подсоединены к входам сумматора (604),

выход сумматора (604) подсоединён к неинвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства (605),

выход третьего логарифматора (601) подсоединён к инвертирующему входу дополнительного вычитающего устройства (605),

выход дополнительного вычитающего устройства (605) подсоединён к входу экспоненциального преобразователя (606),

выход экспоненциального преобразователя (606) является выходом (115) преобразователя напряжения (101).

9. Схема управления электронно-управляемым резистором (1) по п. 7, отличающаяся тем, что преобразователь напряжения (101) содержит:

цифровое вычислительное устройство (235),

аналого-цифровой преобразователь (233)

и цифроаналоговый преобразователь (237),

при этом вход аналого-цифрового преобразователя (233) подсоединён к третьему входу (113) преобразователя напряжения (101),

цифровое вычислительное устройство (235) подсоединено к выходу аналого-цифрового преобразователя (233),

второй вход цифрового вычислительного устройства (235) присоединён к второму входу (111) преобразователя напряжения (101),

третий вход цифрового вычислительного устройства (235) присоединён к первому входу (109) преобразователя напряжения (101),

цифроаналоговый преобразователь (237) подсоединён к выходу цифрового вычислительного устройства (235),

цифроаналоговый преобразователь (237) подсоединён к выходу (115) преобразователя напряжения (101),

и при этом первый вход (109) преобразователя напряжения (101) представляет собой шину цифровых данных,

при этом второй вход (111) преобразователя напряжения (101) также представляет собой шину цифровых данных.