Устройство для измерения тока Советский патент 1983 года по МПК G01R19/00 

(5) УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА

/ . 1 .

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве миниатюрных надежных измерителей тока, нечувствительных к механическим вибрациям и ударным нагрузкам.

Известны устройства для измерения TOKBj содержащие п транзисторов, к коллектору каждого из которых подключен катод светоизлучающего диода, ,Q цепочку из п последовательно и сог-, ласно соединенных полупроводниковых диодов, п резистивных сопротивлений и источник питания Cl J.

Эти устройства имеют недостаточ- ,5 иую точность, определяемую нестабильностью работы транзисторов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения тока, содержащее п светодиодов и цепоч-20 ку из п последовательно и согласно включенных полупроводниковых диодов, соединяющую источник измеряемого тока с общей шиной, при этом светодиоды включаются между точками соединения диодов этой цепочки и коллекторами транзисторов, эмиттеры которых через токозадающие резисторы подключены к шине питания, а базы - к ис точнику напряжения смещения 12 3На стабильность показаний параметры светодиодов в этом устройстве влияния практически не оказывают. Точность измерения в нем повышается не только за счет возможного увеличения числа светодиодов шкалы, но и благодаря возможности приближенной оценки величины неуравмовешенного остатка измеряемого тока по яркости свечения последнего светящегося све-. тодиода.

Однако из-за насыщения транзисторов происходит потеря быстродействия, что нежелательно, если устройство применяется в автоматических системах регулирования с гальванической развязкой цепей контроля и управлет ния с помощью оптронов. Режим насыщения транзисторов усложняет построе ние источника напряжения смещения и затрудняет реализацию устройства в микросхемном исполнении. Если в качестве источника смещения (пользовать параметрический стабилизатор напряжения, то изменение тока через стабилитронов широких пределах, вызванное изменением величины измеряемого тока, приводит к нестабильности напряжения смещения и ограничению числа светодиодов, что снижает точность известного устройства. Реализацию устройства в микросхемном исполнении затрудняет также и то, что в нем невозможно использовать светодиодные матрицы, имеющие один из эле тродов анод или катод общий. Цель изобретения - повышение быст родействия и точности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения тока содержащем п светодиодов,,источник измеряемого тока, цепочку из п последовательно и согласно включенных по лупроводниковых диодов и п транзисто ров, эмиттеры которых через резисторы подключены к шине питания, а базы - к параметрическому стабилизатору напряжения смещения, одноименные электроды светодиодов объединены и через источник измеряемого тока подключены к общей шине, а коллекторы транзисторов совместно с вторыми электродами этих светодиодов подключены непосредственно к точкам соединения диодов последовательной цепочки, включаемой между общей шиной и коллектором первого транзистора. Кроме того, п транзисторов выполнены в виде многоколлекторного транзистора, эмиттер которого через токо задающий резистор подключен к шине питания, база - к параметрическому стабилизатору напряжения, выполненному на транзисторной структуре, а его коллекторь вместе с катодами светодиодов подключены к точкам соединения последовательно включенных коллекторных либо эмиттерных переходов транзисторных структур, включаемых в качестве диодной..цепочки между первым коллектором многоколлекторного транзистора и общей шиной На фиг. 1 и 2 приведены принципиальные электрические схемы предла1 аемого устройства. 1 64 Аноды всех светодиодов 1-1-1-п объединены и через источник 2 измеряемого тока подключены к общей шине. Катоды светодиодов вместе с коллекторами транзисторов 3 1-3-п подсоединены к точкам соединения полупроводниковых диодов 4-1 - -п последовательной диодной цепочки, включаемой между коллектором первого транзистора 3-1 и общей шиной. Базы транзисторов подключены к источнику 5 напряжения смещения, выполненному на стабилитроне 6 и ограничивающем резисторе 7- Эмиттеры транзисторов через токозадающие резисторы 8-1-8-п соединены с шиной 9 питания. Устройство работает следующим образом. Все транзисторы 3-1-3-Д находятся в активном режиме и имеют одинаковые коллекторные токи - --1 - т - -I VV V v-% -. , где U(v - падение напряжения на стабилитроне 6; 63 J5Э, , ния напряжении на паза-эмиТ терны-х переходах транзисторов . п сопротивления резистров 8-1-8-п. Если измеряемый ток Зу равен нулю/ то коллекторный ток транзистора 3-п протекает через диод -п и замыкается на общую шину, а коллекторные токи транзисторов 3-3, 3-2 и 3-1 замыкаются на общую шину соответствен.но через последовательно включенные диоды -3,...-п; 4-2, 4-3,...4-п и -1, k-2, ,..., t-n. Поэтому катоды светодиодов 1-1-1-п имеют разный потенциал. Пусть измеряемый ток П источника 2 постепенно нарастает. Тогда в первый момент весь ток 3 х 3|спротекает через светодиод 1-1, поскольку на его катоде наиболее отрицательный потенциал, и вызывает свечение этого светодиода. Так как часть коллекторного тока Jv транзистора 3-1 ответвляется через светодиод 1-1, то ток 3, протекающий через диод 4-1, уменьшается. При 3ц коллекторный ток транзистора 3-1 протекает через светодиод 1-1 , диод +-1 запирается. Это прийодит к повышению потенциала точки Q, а следовательно и потенциала на анодах светодиодов, .поскольку падение напряжения на светодиоде 1-1 остается постоянным. Поэтому при дальнейшем увеличении входного тока З избыточный ток3)-Эц начинает протекать через светодиод 1-2, вызывая его свечение. Яркость свечения постепенно нарастает с уаеличением тех пор, пока Зу не ст нет равным Л). При этом через ток диода +-2 ид 23ц - Зх уменьшается до нуля. Диод А-2 запирается а потенциалы точек 10-12 повышаются настолько, что вызывают отпирание св тодиода 1-3. Избыточный ток начинает протекать через светодиод 1-3. Когда ток Зд превысит значение 33, загорится четвертый светодиод и т.д. Таким образом, число загорающихся светодиодов прямо пропорционально ве личине измеряемого тока , При этом по яркости свечения последнего светящегося светодиода можно судить о том, какая часть тока от номинального значения 3 через него протекает. Если в устройстве используются идентичные светодиоды, то путем сравнени яркости свечения последнего светящегося светодиода с номинальной яркостью свечения соседнего светодиода можно оценить величину тока через последний светодиод. Изменение величины измеряемого тока 3)f не приводит в предлагаемом устройстве к изменению коллекторных и базовых токов транзисторов, а следовательно, и величины тока, потребляемого от источника смещения. Это повышает точность и стабильность уст ройства. В процессе работы транзисторы не входят в режим насыщения, так как потенциалы на их коллекторах могут только повышаться, а напряжения и yвeличивatьcя сравнительно с исходным значением Unamin О при . Следовательно, быстродействие устройства повышается. С целью упрощения микросхемного исполнения устройства вместо отдельных транзисторов с токозадающими ре-т зисторами используют многоколлекторный транзистор (фиг.2). Эмиттер многоколлекторного транзистора 13 .через резистор 14 подключен к источнику 9 питания, а его база - к источнику смещения, выполненному на резисторе 8 и транзисторной структуре 15. Коллекторы транзистора 13 подключены к катодам светодиодов 1-1-1-п и точкам соединения коллекторных либо эмиттерных переходов транзисторных структур 16-1-16-п, включенных последовательно между первым коллектором многоколлекторного транзистора 13 и об|де:й шиной. Инжектируемый эмиттером ток, величина которого задается сопротивлением резистора 1k, распределяется между коллекторами многоколлекторного транзистора 4 пропорционально площадям коллекторов. ;Цля того, чтобы погрешность от нелинейности выходной характеристики измерителя из-за разброса коллекторных токов в устройстве на 10 светодйодах не превышала 1,5%, необходимо обеспечить разброс площадей, занимаемых коллекторами транзистора , не более 15%. Реальный разброс коллекторных токов многоколлекторного транзистора микросхем обычно значительно меньше, поэтому замена отдельных изолированных транзисторов на многоколлекторный не приводит к потере точности устройства. Транзисторые структуры 16-1-1б-п выполняют функциюдиод-, ной цепочки. Принцип работы устройства, схема которого приведена на фиг.2, не отличается от принципа работы устройства, схема которого показана на фиг.1. Применение многоколлекторного транзисторл позволяет резко сокра-. тить площадь щита микросхемы, поскольку площади, занимаемые отдельным изолированным транзистором и многоколлекторнь1м, близки по величине. Экономятся также площади,, . которые должны были бы занимать резисторные структуры. Наряду с сокращением числа технологических операций и количества применяемых при этом фотошаблонов это значительно упрощает задачу микросхемного выполнения измерителя тока с оптической шкалой. В предлагаемом устрой- . стве вместо отдельных светодиодов 1-1-1-п можно использовать светодиодную матрицу, имеющую общий анод (либо катод ). .Экономическая эффективность от использования предлагаемого устройства обусловлена возможностью применения его там, где применение стрелочных приборов вызывает затруднениё, например, на объектах с повышенными механическими вибрациями и ударными нагрузками, в качестве малогабаритных индикаторов уровня и настройки в переносных радиотехниче ких приборах, в мнемосхемах диспетчерских пультов и т.п.; упрощением технологии изготовления при серийном выпуске и исключением необходимости их периодической проверки и настройки. Формула изобретения 1. Устройство для измерения тока содержащее п светодиодов, источник измеряемого тока, цепочку из п последовательно и согласно включенных полупроводниковых диодов и п транзисторов, эмиттеры которых через ре зисторы подключены к шине питания, а базы - к параметрическому стабилизатору напряжения смещения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и то ности,одноимённые электроды светодиодов объединены и через источник измеряемого тока подключены к общей шине, а коллекторы транзисторов сов местно с вторыми электродами этих светодиодов подключены непосредст- венно к точкам соединения диодов последовательной цепочки, включаемой между общей шиной и коллектором первого транзистора. 2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что п транзисторов выполнены в виде многоколлекторного транзистора, эмиттер которого через токозадающий резистор подключен к шине питания, база - к параметрическому стабилизатору напряжения, выполненному на транзисторной структуре, а его коллекторы вместе с катодами светодиодов подключены к точкам соединения последовательно включенных коллекторных либо эмиттерных переходов транзисторных структур, включаемых в качестве диодной цепочки между первым коллектором многоколлекторного транзистора и общей шиной, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Приборы и техника эксперимента, 1972, ff 1, с. 1/в. 2.Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 R 19/00, 1976.