Трехпозиционное реле Советский патент 1988 года по МПК H03K5/24 G05B1/01 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для построения устройств трехпозиционного регулирования и сигнализации техноло- Гических параметров.

Целью изобретения является повышение точности за счет повышения точности его трехпозиционной характеристики и симметричности ее границ от- ю носительно нулевого аначения входного напряжения за счет уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.

На ч.ертеже представлена структур- - Ная схема трехпозиционного реле, 15 Трехпозиционное реле содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, неинвертирующий вход вого операционного усилителя 1 соединен через первый резистор 3 с источником 4 входного напряжения, через второй резистор 5 - с шиной 6 пита- Ния, через третий резистор 7 - со своим выходом, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 2 - соединен с общей шиной устройства, первый и второй выходные транзисторы 8 и 9 с открытыми коллекторами, соединенными с первой и второй выход терный переход третьего транзистора I9 соединен параллельно база-эмиттер ному переходу первого выходного тран зистора 8.

Трехпозиционное реле работает сле дующим образом.

Напряжение входного сигнала через резистор 15 приложено к инвертирующи входам операционных усилителей 1 и 2 (в дальнейшем порядковые числительные элементов, выраженные словесно, например второй, опущены, а элементы охарактеризованы лишь номерами соответствующими чертежу). Операцион ный усилитель 2 инвертирует входной сигнал, изменяя его полярность на своем выходе на противоположную.В зависимости от этого диод 16 либо про- 20 водит (при положительном входном сигнале) ,либо заперт (при отрицательном). В первом случае отрицательная обратная связь операционного усилителя 2 замкнута, а во втором - разом нута. Первый случай характеризуется тем, что отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя 2 рав но падению напряжения на открытом диоде 1 6, а напряжение между входами опе25

ными шинами 1 О и 11 устройства соот- 30 рационного усилителя 2 равно напряже

терный переход третьего транзистора I9 соединен параллельно база-эмиттер- ному переходу первого выходного транзистора 8.

Трехпозиционное реле работает следующим образом.

Напряжение входного сигнала через резистор 15 приложено к инвертирующим входам операционных усилителей 1 и 2 (в дальнейшем порядковые числительные элементов, выраженные словесно, например второй, опущены, а элементы охарактеризованы лишь номерами, соответствующими чертежу). Операционный усилитель 2 инвертирует входной сигнал, изменяя его полярность на своем выходе на противоположную.В зависимости от этого диод 16 либо про- 0 водит (при положительном входном сигнале) ,либо заперт (при отрицательном). В первом случае отрицательная обратная связь операционного усилителя 2 замкнута, а во втором - разомкнута. Первый случай характеризуется тем, что отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя 2 рав-. но падению напряжения на открытом диоде 1 6, а напряжение между входами опе5

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для построения устройств трехпозиционного регулирования и сигнализации технологических параметров. Цель изобретения - повьтение точности - достигается за счет повьппения точности трехпозиционной характеристики и симметричности ее границ относительно нулевого значения входного напряжения и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.Устройство содержит операционные усилители 1 и 2,источник 4 входного напряжения,шину 6 питания, выходные транзисторы 8 и 9 с открытыми коллекторами, выходные шины 10 и 11, резистивные делители 12 и 13, транзистор -19, диоды и резисторы, показанные на чертеже. 1 ил. в ВЫХ. f W (С (Л С

ветственно, первый и второй резистив- ные делители 12 и 13, вьЬсоды которых соединены параллельно база-эмиттер- ным переходом соответствующих выходных транзисторов 8 и 9, эмиттеры которых подключены к общей шине устройства, неинвертирующий вход перв.ого операционного усилителя соединен через четвертый резистор 14 с общей шиной устройства, а его инвертирующий вход соединен непосредственно с инвертирующим входом второго операцион- Ного усилителя 2, через пятый резис,- тор 15 - с источником 4 входного напряжения,через первьй диод 16 - с выходом второго операционного усилителя , выход первого операционного усилителя 1 соединен через второй диод 17 с входами первого и второго резис- тивных делителей 12 и 13 согласно с база-эмиттерными переходами первого и второго вькодных транзисторов 8 и 9 выход второго операционного усилителя 2 соединен через шестой резистор 18 с

базой третьего транзистора 19, через „ общей шиной устройства, при этом ретретий диод 20 - с базой второго выходного транзистора 9 встречно его ба- за-эмиттерному переходу и встречно первому диоду 16, коллекторно-эмитзистор 15 является пассивной нагрузкой для источника входного сигнала, на выходе операционного усилителя 2 присутствует напряжение минус 0,6 В.

нию смещения,близкому к нулю.Таким об разом, потенциал инвертирующих входов операционных усилителей 1 и 2 в этом случае отличается от нулевого потенциала общей шины устройства на величину малого напряжения смещения операционного усилителя 2, что соответствует известному понятию виртуальная земля. Во втором случае напряжение на выходе операционного усилителя 2 равно максимальному положительному выходному напряжению около 12 В. Из-за того, что диод 16 заперт, напряжение между входами операционного усилителя 2 равно входному (ток смещения входов операционного усилителя 2 незначителен). Основным для дальнейшего описания является следующее.

При положительном входном сигнале трехпозиционного реле инвертирующий вход операционного усилителя 1 соединен через операционный усилитель 2 с его связями (в дальнейшем ключ 21) с

зистор 15 является пассивной нагрузкой для источника входного сигнала, на выходе операционного усилителя 2 присутствует напряжение минус 0,6 В.

При отрицательном входном сигнале трехпозиционного реле на инвертирующий вход операционного усилителя 1 через резистор 15 приложено полное напряжение входного .сигнала, напряжение на выходе операционного усилителя 2 равно около плюс 12 В, На операционном усилителе 1 собран триггер Шмитта с переменной структурой (в дальнейшем - триггер). При положительном входном напряжении триггер работает как неинвертирующий, а при отрицательном является инвертирующим. В том или другом случае переключение триггера происходит при напряжении между входами операционного усилителя 1 близко к нулю. В первом случае оказьюаются эквипотенциальными вьшоды резистора 14,- а во втором - резисторов 3 и 15. Таким образом, резистор 14 можно-исключить из рассмотрения при положительном входном сигнале (мысленно отключив этот резистор от схемы), резистор 3 можно исключить из рассмотрения при отрицательном входном сигнале (мысленно отключив этот резистор от схемы } и, напротив, во втором,, случае вывод резистора 15 считать закороченными. При увеличении входного напряжения от нуля в сторону положительных значений ключ 21 замкнут. Под действием отрицательного напряжения смещения, прикладьшаемого от соответствующей щины питания через резистор 5 к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, на этом входе действует пока результирующее отрицательное напряжение, что приводит к максимальному отрицательному напряжению (около минус 12В) на выходе операционного усилителя 1. В общую точку резисторов 3, 5, 7 втекает ток

через резистор 3 (под действием поло-,с ет на резисторе 14 падение напряже«V . . . ы

житель юго входного сигнала) и вытекают два тока: один через резистор 5 на шину питания устройства, второй через резистор 7 на выход операционного усилителя 1. Когда возрастающий втекающий ток станет равен сумме двух упомянутых вытекающих токов, что соответствует нулевому напряжению в общей точке резисторов 3, 5, 7, произойдет первое прямое переключение триггера.

50

ния отрицательной полярности. Когда увеличивающееся в отрицательном направлении входное напряжение станет равным падению напряжения на резисторе 14, напряжение между входами операционного усилителя 1 станет рав ным нулю, произойдет второе релейное (под действием положительной обратной связи через резистор 7) переключение триггера. Напряжение

. , 55

Оно будет релейным под действием по- на выходе операционного усилителя ложительной обратной связи через резистор 7 . Это приведет к максимальному положительному напряжению (около плюс

I станет равньи около плюс 12 В. Ток через резистор 7 после этого также станет втекающим в общую точку резнс

0

5

0

5

0

5

0

12 В) на выходе операционного усилителя 1. После этого ток через резистор 7 будет также втекающим в общую точку резисторов 3,5,7, что приводит в дальнейшем к точке первого обратного (инверсного) переключения триггера, отстоящей от точки первого прямого переключения в сторону нуля на величину зоны возврата /JB (гистерезиса) трехпозиционного реле. После этого начнем плавное уменьшение входного напряжения. Когда сумма втекающего (в общую точку резисторов 3,5,7) тока через резистор 3 (под действием входного сигнала) и втекающего тока через резистор 7 (под действием выходного напряжения операционного усилителя 1) будет равна вытекающему току через резистор 5 (под действием напряжения смещения шины питания), т.е. в момент, когда потенциал общей точки резисторов 3,5,7 станет равным (близким) нулю, произойдет первое инверсное (обратное) переключение триггера. Оно будет соответствовать меньшему значению входного сигнала. Выходное напряжение операционного усилителя 1 станет равным около минус 12 В. Затем при изменении полярности выходного сигнала на отрицательную выключается электронный ключ 21. Будем далее плавно увеличивать входной сигнал от нуля в отрицательном направлении. Теперь необходимо рассматривать общую точку резисторов 5,7,14. Под действием вытекающих из общей точки резисторов 5,7,14 двух токов; тока через резистор 5 и тока через резистор 7 возникает равный сумме двух-упомянутых токов втекающий в эту точку ток с общей шины устройства через резистор I4. Это вызьша . . . ы

ния отрицательной полярности. Когда- увеличивающееся в отрицательном направлении входное напряжение станет равным падению напряжения на резисторе 14, напряжение между входами операционного усилителя 1 станет равным нулю, произойдет второе релейное (под действием положительной обратной связи через резистор 7) переключение триггера. Напряжение

на выходе операционного усилителя

I станет равньи около плюс 12 В. Ток через резистор 7 после этого также станет втекающим в общую точку резнсу

торов 5,7,1 4,что вызьшает снижение падения напряжения на резисторе 14 на величину зоны возврата /)В (гистерезиса) трехпозиционного реле. При плавном снижении входного напряжения в направлении нуля в момент, когда входное напряжение будет равно новому значению падения напряжения на резисторе 14, т.е. опять при нулевом напряжении между входами операционного усилителя 1, произойдет скачкообразно второе инверсное переключение триггера и напряжение на выходе операционного усилителя станет равным около минус 12 В. Состояние трехпозиционного реле, когда на выходе операционного усилителя 1 напряжение отрицательно, называют состояние норма, Протинопо- ложное состояние выхода операционно- го усилителя 1 соответствует включению одного из выходных транзисторов 8 или 9 в зависимости от полярности входного сигнала. Состояние трехпо- зиционного реле, соответствующее включению одного из выходов (одного из выходных транзисторов 8 или 9) назьгаают подачей соответственно первой или второй команд примени- тельно к трехпозиционным регуляторам.

Обозначим значения входного напряжения, соответствующие первому прямом переключению триггера, через U , первому инверсному - через U , второьгу прямому переключению - через U, второму инверсному переключению - через и . С учетом этого параметры трепозиционного реле можно выразить следующим образом.

Зона нечувствительности Л ц трех- ,позиционного реле равна:

и вх - lu iJ(1)

ITT I

где lUgx I модуль соответствующего значения входного напряжения .

Первая и вторая зоны возврата g, /) J (гистерезис) трехпозиционного

реле равны:

и - if ,

(2)

Л в - .

(3)

Рассмотрим далее условия включения выходных транзисторов 8 и 9, т.е.

Q г 0 5 о

0

5

работу выходной части устройства. При отрицательном напряжении на выходе операционного усилителя диод 17 заперт, база-эмиттерные переходы транзисторов 8 и 9 зашунтированы соответственно нижними плечами резистивных делителей 12 и 13.. Базовые токи транзисторов 8 и 9 равны нулю. Транзисторы 8 и 9 заперты. Положительное напряжение на выходе операционного усилителя 1 отпирает диод 17 и вызьшает через резистивные делители 12 и 13 токи баз транзисторов 8 и 9. При отсутствии транзистора 19 и диода 20 выходные транзисторы 8 и 9 открылись бы одновременно. Однако при положительном входном сигнале на выходе операционного усилителя 2 присутствует напряжение минус 0,6 В. Оно воздействует через диод 20 и приводит к нулевому напряжению на базе выходно- , го транзистора 9, что вызывает закрытие этого транзистора.При отрицательном входном напряжении на выходе операционного усилителя 2 напряжение равно плюс 12 В. Оно открьгоает транзистор 19, который шунтирует база-эмит- терный переход транзистора 8, запирая его. Таким образом, при положительном входном сигнале и при условии и открыт транзистор 8, ко- торьм закрьшается при выполнении условия и gj и . При отрицательном входном сигнале и при условии и бх и открыт транзистор 9, который закрыв ается при выполнении условия и gx и . Для вьшода расчетных выражений трехпозиционного реле введем следующие обозначения. Сопротивление резисторов будем обозначать буквой R с индексом, срответствую- щим номеру резистора на чертеже. Положительное максимальное напряжение на выходе операционного усилителя обозначим и, отрицательное U . После этого можно записать следующие выражения:

и

и

-,(-i--S-).

R, 1

R7

(А) (5)

i: r:i: i:

J

R

M

,E U,

(.д- 5)

Rj RT

(6)

U

-1 + i + -1 R, RT R

-).

о

R

т (7)

7U1371

В выражениях 4-7 величины напряжений следует считать алгебраическими, а именно:

и- - , и- Е - IEI .

- |и(в соответствии с чертежом). Величины и , и будут иметь положитель ный знак и величины u, U - отрицательный. Из выражений 4-7 следует, что для обеспечения симметричности работы трехпозйционного реле, т.е. выполнения равенств U « (, U I и I ,требуется выполнить следующее равенство:

4- + -I- + -i(8)

RR

14

Вьтолнение равенства 8 не представляет практических затруднений. Точность и симметричность предложен- ного трехпозйционного реле повышена структурными методами. На симметричность не влияет ни разброс опорного напряжения шины питания Е, ни разброс величин и , и , а также взаимное отклонение величин U, U, так как величина U входит одинаковым образом в выражения 4 и б и величина и входит одинаковым образом в выражения 5 и 7.

Формула изобретения

Трехпозиционное реле, содержащее первый и второй операционные усилите- ли, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через первый резистор с источником

0

5

0

5

0

5

.Q

38

входного напряжения, через второй резистор - с гаиной питания реле, через третий резистор - с своим выходом, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной реле, первый и второй выходные транзисторы с открытыми коллекторами, соединенными с первым и вторым выходами реле соответственно, первый и второй резистивные делители, выходы которых подсоединены параллельно база-змиттерным переходом соответствующих выходных транзисторов, змиттеры которых подключены к общей шине реле, отличающееся тем, что, с целью повьштения точности, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через четвертый резистор с общей шиной реле, а его инвертирующий вход соединен непосредств.енно с инвертирукицим входом второго операционного усилителя и подключен через пятый резистор к источнику входного напряжения, через перрый диод - с выходом второго операционного усилителя, при этом выход первого операционного усилителя соединен через второй диод с входами первого и второго резистивных делителей согласно с база-эмиттерными перехода - ми первого и второго выходных транзисторов, выход второго операционного усилителя соединен через шестой резистор с базой третьего транзистора через третий диод - с базой второго выходного транзистора встречно его база-змиттерному переходу и встречно первому диоду, а коллекторно-эмиттер- ный переход третьего транзистора подсоединен параллельно база-эмиттерно- му переходу первого выходного транзистора.