ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ТОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, может быть применено в устройствах формирования импульсов тока и предназначено для получения импульсов выходного тока заданной амплитуды, частоты следования и длительности в целях импульсного подвода энергии к источникам оптической накачки лазеров.

Известен формирователь импульсов тока, описанный в авторском свидетельстве на изобретение №1091321, опубл. 07.05.1984 г., МПК H03K 3/53, под названием «Формирователь импульсов тока», содержащий регулирующий транзистор, включенный по схеме эмиттерного повторителя, в эмиттерную цепь которого включен эталонный резистор, один вывод которого соединен с инверсным входом компаратора, а другой - с общей шиной источника питания и первым выходом программируемого источника опорного напряжения, и второй выход которого соединен с неинверсным входом компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения крутизны фронтов, в формирователь введены блок линейно изменяющегося напряжения, длительности импульсов и ключ, выход которого соединен с управляющим электродом регулирующего транзистора, а входы ключа соединены с выходами блока линейно изменяющегося напряжения и первым выходом блока формирования длительности импульсов, второй выход которого соединен с входом стробирования импульсов компаратора, вход блока формирования длительности импульсов соединен с вторым выходом блока линейно изменяющегося напряжения, вход которого соединен с выходом компаратора

К недостаткам технического решения следует отнести:

- отсутствие регулятора, обеспечивающего требуемую стабилизацию выходного импульса тока.

Известен «Формирователь импульсов тока», описанный в патенте на изобретение РФ №2 074 510, МПК H03K 3/53, опубл. 27.02.1997 г., содержащий разрядный контур, в который входит токовый ключ, выполненный по схеме Дарлингтона с параллельным соединением нескольких выходных биполярных транзисторов и балластных резисторов, токовый ключ выполнен в виде кремниевого кристалла с металлическими столбиковыми выводами от каждого из эмиттеров выходных транзисторов и с металлизированной обратной стороной кристалла, причем балластные резисторы и межэлементные соединительные проводники расположены на керамической плате в виде металлических дорожек, столбиковые выводы ключа соединены металлическим припоем с балластными резисторами, а коллектор ключа - металлической проволокой с соответствующей проводниковой дорожкой.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- невозможность увеличения внешнего напряжения питания выше 50 В;

- отсутствие формирователя опорного сигнала.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство, описанное в авторском свидетельстве RU №1174910, МПК G05F 1/56, опубл. 23.08.1985 г. под названием «Стабилизатор импульсов тока», включающий формирователь импульсного опорного напряжения, соединенный с ним стабилизатор импульсов тока, состоящий из токового датчика, один вывод которого через первый резистор подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента, другой - к общей шине устройства, формирователь импульсного опорного напряжения, регулирующий элемент, включенный последовательно с нагрузкой, источником питания и токовым датчиком, интегратор, один вход которого подсоединен к выходу формирователя импульсного опорного напряжения.

К недостаткам технического решения следует отнести:

- реализацию источника опорного напряжения на дискретных радиоэлементах (диодах, транзисторах и т.п.), оказывающих влияние на температурную стабильность опорного сигнала;

- невозможность получения импульсов тока большой амплитуды и

- невозможность регулировки амплитуды выходного тока. Задачей заявляемого изобретения является улучшение основных

характеристик формирователя импульсов тока, а именно обеспечение заданной амплитуды выходного тока, повышение временной и температурной стабильности устройства и возможность регулировки амплитуды импульса выходного тока.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в усовершенствовании конструкции формирователя за счет использования N-канального стабилизатора тока и использования формирователя стабильного опорного сигнала и операционных усилителей; использование коммутатора для разнесения во времени циклов заряда и разряда емкостного накопителя, а также осуществление регулировки амплитуды импульса выходного тока при помощи регулирующего коммутатора с внешним управлением.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что формирователь импульсов тока, содержащий формирователь импульсного опорного напряжения, соединенный с ним стабилизатор импульсов тока, состоящий из токового датчика, один вывод которого через первый резистор подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента, другой - к общей шине устройства, формирователь импульсного опорного напряжения, регулирующий элемент, включенный последовательно с нагрузкой, источником питания и токовым датчиком, интегратор, один вход которого подсоединен к выходу формирователя импульсного опорного напряжения, согласно изобретению, снабжен коммутатором, силовой вход которого соединен с источником питания, оборудован не менее чем одним стабилизатором импульсов тока, к выходу которого подключена нагрузка, один вход интегратора соединен через третий резистор с выходом измерительно-усилительного элемента, при этом выход интегратора соединен через четвертый резистор с управляющим входом регулирующего элемента, один из выходов измерительно-усилительного элемента через второй резистор соединен с общей шиной стабилизатора импульсов тока, и конденсаторным накопителем энергии, вход которого соединен с выходом источника питания.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что формирователь импульсов тока, содержащий формирователь импульсного опорного напряжения, соединенный с ним стабилизатор импульсов тока, состоящий из токового датчика, один вывод которого через первый резистор подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента, другой - к общей шине устройства, формирователь импульсного опорного напряжения, регулирующий элемент, включенный последовательно с нагрузкой, источником питания и токовым датчиком, интегратор, один вход которого подсоединен к выходу формирователя импульсного опорного напряжения, согласно изобретению, снабжен коммутатором, силовой вход которого соединен с источником питания, оборудован не менее чем одним стабилизатором импульсов тока, к выходу которого подключена нагрузка, один вход интегратора соединен через третий резистор с выходом измерительно-усилительного элемент, при этом выход интегратора соединен через четвертый резистор с управляющим входом регулирующего элемента, один из выходов измерительно-усилительного элемента через второй резистор соединен с общей шиной стабилизатора импульсов, конденсаторным накопителем энергии, вход которого соединен с выходом источника питания, и регулирующим коммутатором на электрическом реле, вход которого соединен с выходом формирователя импульсного опорного напряжения, а выходы соединены с входом интегратора каждого из стабилизаторов импульсов тока.

Достигаемый технический результат по второму варианту формирователя импульсов тока такой же, как при осуществлении формирователя импульсов тока по первому варианту.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение проиллюстрировано на чертежах, где

- на фиг. 1 представлена конструкция формирователя импульсного тока по первому варианту исполнения;

- на фиг. 2 представлена конструкция формирователя импульсного тока по второму варианту исполнения.

На чертежах введены следующие обозначения:

1 - токовый датчик;

2 - первый резистор;

3 - измерительно-усилительный элемент;

4 - формирователь импульсного опорного напряжения;

5 - коммутатор;

6 - регулирующий элемент;

7 - нагрузка;

8 - источник питания;

9 - интегратор;

10 - конденсаторный накопитель энергии;

11 - общая шина стабилизатора;

12 - третий резистор;

13 - четвертый резистор;

14 - второй резистор;

15 - стабилизатор импульсов тока N=1;

16 - регулирующий коммутатор;

17 - стабилизатор импульсов тока N;

18 - пятый резистор.

Формирователь импульсов тока по первому варианту состоит из формирователя импульсного опорного напряжения 4, с ним соединен стабилизатор импульсов тока 15, состоящий из токового датчика 1, один вывод которого через первый резистор 2 подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента 3, а другой к общей шине 11, регулирующего элемента 6, включенного последовательно с нагрузкой 7, источником питания 8 и токовым датчиком 1, интегратора 9, один вход которого подсоединен к выходу формирователя импульсного опорного напряжения 4. Формирователь импульсов тока снабжен коммутатором 5, силовой вход которого соединен с источником питания 8, оборудован не менее чем одним (N=1) стабилизатором импульсов тока 15 или несколькими (N) стабилизаторами импульсов тока 17, к выходу которых подключена нагрузка 7, один вход интегратора 9 соединен через третий резистор 12 с выходом измерительно-усилительного элемента 3, при этом выход интегратора 9 соединен через четвертый резистор 13 с управляющим входом регулирующего элемента 6. Один из выходов измерительно-усилительного элемента 3 через второй резистор 14 соединен с общей шиной 11 стабилизатора импульсов тока 15 и конденсаторным накопителем энергии 10, вход которого соединен с выходом источника питания 8.

Формирователь импульсов тока по второму варианту состоит из формирователя импульсного опорного напряжения 4, с ним соединен стабилизатор импульсов тока 15, состоящий из токового датчика 1, один вывод которого через первый резистор 2 подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента 3, а другой к общей шине 11, регулирующего элемента 6, включенного последовательно с нагрузкой 7, источником питания 8 и токовым датчиком 1, интегратора 9, один вход которого подсоединен к выходу формирователя импульсного опорного напряжения 4. Формирователь импульсов тока снабжен коммутатором 5, силовой вход которого соединен с источником питания 8, оборудован не менее чем одним (N=1) стабилизатором импульсов тока 15 или несколькими стабилизаторами импульсов тока N, к выходу которых подключена нагрузка 7, один вход интегратора 9 соединен через третий резистор 12 с выходом измерительно-усилительного элемента 3, при этом выход интегратора 9 соединен через четвертый резистор 13 с управляющим входом регулирующего элемента 6. Один из выходов измерительно-усилительного элемента 3 через второй резистор 14 соединен с общей шиной 11 стабилизатора импульсов тока 15, и конденсаторным накопителем энергии 10, вход которого соединен с выходом источника питания 8. Формирователь импульсов тока по второму варианту исполнения снабжен регулирующим коммутатором 16 на электрическом реле (либо на аналогово-цифровых переключателях), вход которого соединен с выходом формирователя импульсного опорного напряжения 4, а выходы соединены с входом интегратора 9 каждого из N стабилизаторов импульсов тока 15 и 17.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

При подаче питания на формирователь импульсов тока и отсутствии сигнала на входе формирователя импульсного опорного напряжения 4, коммутатор 5 находится во включенном состоянии, происходит заряд конденсаторного накопителя энергии 10 от источника питания 8, при этом регулирующий элемент 6 находится в выключенном состоянии, и ток через токовый датчик 1 и нагрузку 7 отсутствует.

Управляющий сигнал запуска прямоугольной формы и заданной длительности поступает на вход формирователя импульсов тока и соответственно поступает на вход коммутатора 5, переводя его в выключенное состояние, и на вход формирователя импульсного опорного напряжения 4. На выходе формирователя импульсного опорного напряжения 4 формируется прямоугольный импульс опорного напряжения заданной амплитуды и длительности, поступающий на вход стабилизатора импульсов тока 15 (при одном канале стабилизации) и стабилизаторов импульсов тока N 17 (при N каналах стабилизации). В каждом стабилизаторе импульсов тока 15 сигнал с выхода формирователя импульсного опорного напряжения 4 поступает на неинвертирующий вход интегратора 9, при этом на инвертирующем входе отсутствует сигнал от усилительно-измерительного элемента 3. Наличие напряжения рассогласования между входами интегратора 9 формирует на его выходе напряжение, поступающее через четвертый резистор 13 на вход регулирующего элемента 6. Регулирующий элемент 6 включается и происходит разряд конденсаторного накопителя энергии 10 через регулирующий элемент 6, через токовый датчик 1 на нагрузку 7. Сигнал, формирующийся на токовом датчике 1 относительно общей шины стабилизатора 11, поступает на вход усилительно-измерительного элемента 3 через первый резистор 2. На выходе усилительно-измерительного элемента 3 формируется напряжение, пропорциональное отношению сопротивлений пятого резистора 18 и второго резистора 14, поступающее на инвертирующий вход интегратора 9 через третий резистор 12. При достижении на инвертирующем входе интегратора 9 напряжения равного поступающему с формирователя импульсного опорного напряжения 4, сигнал рассогласования напряжения между входами интегратора 9 уменьшается и соответственно уменьшается сигнал на выхода интегратора 9, поступающего на вход регулирующего элемента 6. Регулирующий элемент 6 начинает закрываться, что ведет за собой ограничение протекающего тока от конденсаторного накопителя энергии 10 к нагрузке 7 и уменьшению сигнала на токовом датчике 1 и на выходе усилительно-измерительного элемента 3. Что в свою очередь ведет к увеличению рассогласования между входами интегратора 9, и к последующему увеличению напряжения на входе регулирующего элемента 6. Происходит стабилизация амплитуды выходного тока, протекающего через нагрузку 7 в момент прихода прямоугольного импульса на вход формирователя импульсного опорного напряжения 4. При этом выходной ток формирователя импульсов тока определяют следующими соотношениями:

I_ВЫХ=I_CT⋅N,

где I_ВЫХ - выходной тока формирователя импульсов тока, I_СТ - выходной тока одного стабилизатора импульсов тока, N - количество стабилизаторов импульсов тока, входящих в состав формирователя импульсов тока.

По спаду прямоугольного сигнала на входе формирователя импульсного опорного напряжения 4 схема переходит в изначальное состояние. Регулирующий элемент 6 закрывается, ток через нагрузку 7 и токовый датчик 1 прекращается. Коммутатор 5 включается и происходит подзарядка конденсаторного накопителя энергии 10.

Формирователь импульсного тока по второму варианту работает следующим образом.

При подаче питания на формирователь импульсов тока и отсутствии сигнала на входе формирователя импульсного опорного напряжения 4, коммутатор 5 находится во включенном состоянии, происходит заряд конденсаторного накопителя энергии 10 от источника питания 8, при этом регулирующий элемент 6 находится в выключенном состоянии, и ток через токовый датчик 1 и нагрузку 7 отсутствует. При помощи регулирующего коммутатора 16 включается требуемое количество К стабилизаторов тока 17 (от 1 до N).

Управляющий сигнал запуска прямоугольной формы и заданной длительности поступает на вход формирователя импульсов тока и соответственно поступает на вход коммутатора 5, переводя его во выключенное состояние, и на вход формирователя импульсного опорного напряжения 4. На выходе формирователя импульсного опорного напряжения 4 формируется прямоугольный импульс опорного напряжения заданной амплитуды и длительности, поступающий на вход выбранных регулирующим коммутатором 16 стабилизаторов импульсов тока 17. В каждом выбранном стабилизаторе импульсов тока 15 сигнал с выхода формирователя импульсного опорного напряжения 4 поступает на неинвертирующий вход интегратора 9, при этом на инвертирующем входе отсутствует сигнал от усилительно-измерительного элемента 3. Наличие напряжения рассогласования между входами интегратора формирует на его выходе напряжение, поступающее через четвертый резистор 13 на вход регулирующего элемента 6. Регулирующий элемент 6 включается и происходит разряд конденсаторного накопителя энергии 10 через регулирующий элемент 6, через токовый датчик 1 на нагрузку 7. Сигнал, формирующийся на токовом датчике 1 относительно общей шины стабилизатора 11, поступает на вход усилительно-измерительного элемента 3 через первый резистор 2. На выходе усилительно-измерительного элемента 3 формируется напряжение, пропорциональное отношению сопротивлений пятого резистора 18 и второго резистора 14, поступающее на инвертирующий вход интегратора 9 через третий резистор 12. При достижении на инвертирующем входе интегратора 9 напряжения равного поступающему с формирователя импульсного опорного напряжения 4, сигнал рассогласования напряжения между входами интегратора 9 уменьшается и соответственно уменьшается сигнал на выхода интегратора 9, поступающего на вход регулирующего элемента 6. Регулирующий элемент 6 начинает закрываться, что ведет за собой ограничение протекающего тока от конденсаторного накопителя энергии 10 к нагрузке 7 и уменьшению сигнала на токовом датчике 1 и на выходе усилительно-измерительного элемента 3. Что в свою очередь ведет к увеличению рассогласования между входами интегратора 9, и к последующему увеличению напряжения на входе регулирующего элемента. Происходит стабилизация амплитуды выходного тока, протекающего через нагрузку 7 в момент прихода прямоугольного импульса на вход формирователя импульсного опорного напряжения 4. При этом выходной ток формирователя импульсов тока определяют следующими соотношениями:

I_ВЫХ=I_CT⋅K,

где I_ВЫХ - выходной тока формирователя импульсов тока, I_СТ - выходной одного стабилизатора тока, K=1…N - количество выбранных стабилизаторов импульсов тока 17 при помощи регулирующего коммутатора 16.

По спаду прямоугольного сигнала на входе формирователя импульсного опорного напряжения 4 схема переходит в изначальное состояние. Регулирующий элемент 6 закрывается, ток через нагрузку 7 и токовый датчик 1 прекращается. Коммутатор 5 включается и происходит подзарядка конденсаторного накопителя энергии 10.

Примером конкретного выполнения может являться устройство, в котором в качестве токового датчика 1 может использоваться один резистор, либо параллельно соединенные резисторы. В качестве резисторов 2, 12, 13, 14 и 18 могут использоваться любые выводные или чип-резисторы. Для реализации усилительно-измерительного элемента 3 и схемы интегратора 9 можно использовать операционные усилители, как с однополярным, так и с двухполярным питанием. Формирователь импульсного опорного напряжения 4 может быть реализован как с использованием отдельной интегральной микросхемы опорного напряжения, так в виде электрической схемы на отдельных дискретных элементах. В качестве коммутатора 5 и регулирующего элемента 6 может быть использован транзистор с требуемым выходным током и рабочим напряжением. Конденсаторный накопитель 10 энергии может быть реализован на керамических, пленочных, танталовых и электролитических конденсаторах. В качестве регулирующего коммутатора 16 могут быть использованы электрические реле, аналого-цифровые схемы (микросхемы) переключения сигналов, механические переключатели и тумблеры.

По первому варианту была проверена работоспособность формирователя импульсов тока, с использованием N=4 стабилизаторов импульсов тока 17.

Тем самым благодаря предложенному устройству достигается улучшение основных характеристик формирователя импульсов тока, а именно обеспечение заданной амплитуды выходного тока, повышение временной и температурной стабильности устройства и возможность формирования требуемой амплитуды импульса выходного тока.

По второму варианту была проверена работоспособность формирователя импульсов тока с регулирующим коммутатором 16, с использованием N=4 стабилизаторов импульсов тока 17 с поочередным подключением К=1…4.

Тем самым благодаря предложенному второму варианту устройства, достигается улучшение основных характеристик формирователя импульсов тока, а именно обеспечение заданной амплитуды выходного тока, повышение временной и температурной стабильности устройства и возможность формирования требуемой амплитуды импульса выходного тока, а также реализована регулировка выходного тока с заданным шагом при помощи регулирующего коммутатора.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- формирователь импульсов тока, воплощенный в заявленном изобретении при его осуществлении, способен обеспечить достижение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к импульсной технике. Технический результат заключается в усовершенствовании конструкции формирователя за счет использования N-канального стабилизатора тока, использования коммутатора для разнесения во времени циклов заряда и разряда емкостного накопителя, а также осуществления регулировки амплитуды импульса выходного тока. Для этого предложен формирователь импульсов тока по первому варианту, который снабжен коммутатором 5, силовой вход которого соединен с источником питания 8, оборудован не менее чем одним (N=1) стабилизатором импульсов тока, к выходу которого подключена нагрузка 7, один вход интегратора 9 соединен через третий резистор 12 с выходом измерительно-усилительного элемента 3, при этом выход интегратора 9 соединен через четвертый резистор 13 с управляющим входом регулирующего элемента 6. Один из выходов измерительно-усилительного элемента 3 через второй резистор 14 соединен с общей шиной 11 стабилизатора импульсов тока 15 и конденсаторным накопителем энергии 10. Формирователь импульсов тока по второму варианту выполнен аналогично первому варианту и дополнительно оборудован регулирующим коммутатором 16 на электрическом реле. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Формирователь импульсов тока, содержащий формирователь импульсного опорного напряжения, соединённый с ним стабилизатор импульсов тока, состоящий из токового датчика, один вывод которого через первый резистор подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента, другой – к общей шине устройства, регулирующий элемент, включенный последовательно с нагрузкой, источником питания и токовым датчиком, интегратор, один вход которого подсоединён к выходу формирователя импульсного опорного напряжения, отличающийся тем, что он снабжен коммутатором, силовой вход которого соединён с источником питания, оборудован не менее чем одним стабилизатором импульсов тока, к выходу которого подключена нагрузка, один вход интегратора соединен через третий резистор с выходом измерительно-усилительного элемента, при этом выход интегратора соединен через четвертый резистор с управляющим входом регулирующего элемента, один из выходов измерительно-усилительного элемента через второй резистор соединен с общей шиной стабилизатора импульсов тока и конденсаторным накопителем энергии, вход которого соединен с выходом источника питания.

2. Формирователь импульсов тока, содержащий формирователь импульсного опорного напряжения, соединённый с ним стабилизатор импульсов тока, состоящий из токового датчика, один вывод которого через первый резистор подключен к первому входу измерительно-усилительного элемента, другой – к общей шине устройства, регулирующий элемент, включенный последовательно с нагрузкой, источником питания и токовым датчиком, интегратор, один вход которого подсоединён к выходу формирователя импульсного опорного напряжения, отличающийся тем, что он снабжен коммутатором, силовой вход которого соединён с источником питания, оборудован не менее чем одним стабилизатором импульсов тока, к выходу которого подключена нагрузка, один вход интегратора соединен через третий резистор с выходом измерительно-усилительного элемента, при этом выход интегратора соединен через четвертый резистор с управляющим входом регулирующего элемента, один из выходов измерительно-усилительного элемента через второй резистор соединен с общей шиной стабилизатора импульсов тока, конденсаторным накопителем энергии, вход которого соединен с выходом источника питания, и регулирующим коммутатором на электрическом реле, вход которого соединен с выходом формирователя импульсного опорного напряжения, а выходы соединены с входом интегратора каждого из стабилизаторов импульсов тока.