Генератор импульсного тока Советский патент 1990 года по МПК H03K3/23 

Фаг. 1

i Изобретение относится к импульсно гекнике и может быть использовано в измерительной технике в качестве ис точника питания индуктивных тензоре- зистивных и пьезорезистивных датчиков, а также может быть использовано в аналоговых устройствах автоматики, радиотехники, вычислительной и медицинской техники.

Целью изобретения является повышение стабильности амплитуды выходных пр|ямоугольных импульсов тока при из- меиении величины нагрузки за счет исключения зависимости тока нагрузки от ее сопротивления.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема генератора импульсов то- -ка; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу генератора.

Генератор импульсов тока содержит последовательную RC-цепь, состоящую из конденсатора 1 и резистора 2, двусторонний стабилитрон 3, делитель напряжения, выполненный на последовательно включенных резисторах 4 и 5, операционный усилитель (ОУ) 6, сопротивление 7 нагрузки, датчик 8 тока и дифференциальный усилитель 9, выполненный на резисторах 10-13 и операционном усилителе 14, при этом инвертирующий вход операционного усилителя 6 подключен к выходу делителя напряжения на резисторах 4 и 5, первый вход которого соединен с общей шиной, к неинвертирующему входу операционного усилителя 6 подключен первый вывод последовательной RC-цепи, состоящей из конденсатора 1 и резистора 2, а первый вывод сопротивления 7 нагрузки соединен с общей шиной, при этом первый вывод двустороннего стабилитрона 3 подключен к неинвер- тНрующему входу операционного усилителя 6, а второй - к общей шине, пер вий вывод датчика 8 тока подключен к выходу операционного усилителя 6, а второй - ко второму выводу сопротиления 7 нагрузки, неинвертирующий вход дифференциального усилителя 9 подключен к выходу операционного усилителя 6, а инвертирующий, вход - ко второму выводу датчика 8 тока, приче выход дифференциального усилителя подключен ко второму входу делителя напряжения и второму выводу последовательной RC-цепи.

Работа генератора основана на непрерывном действии отрицательной

обратной связи (ООС) и периодическом прерывании превосходящей ее положительной обратной связи (ПОС), которое происходит при открывании стабилитрона. На временных диаграммах (фиг. 2) показаны напряжение на выходе ОУ 6 (сплошная линия) и напряжение, падающее на датчике тока (пунктирная линия), дифференциальное напряжение между входами ОУ 6, напряжение на неинвертирующем входе ОУ 6 (сплошная линия) и на инвертирующем входе ОУ 6 (пунктирная линия), ток

5 стабилитрона 3 (сплошная линия) и напряжение на конденсаторе 1 (пунктирная линия), ток нагрузки (сплошная линия) и сопротивление нагрузки (пунктирная линия).

0 Генератор работает следующим образом.

Напряжение с выхода дифференциального усилителя 9 передается на инвер5 тирующий вход ОУ 6 через делитель напряжения с ослаблением, равным коэффициенту деления этого делителя, а на неинвертирующий вход изменения того же напряжения передаются через последовательную RC-цепь без ослабления благодаря тому, что ток входа ОУ 6 и ток закрытого стабилитрона равны нулю и падение напряжения на RC-цепи отсутствует. В результате преобладания ПОС над ООС изменение выходного напряжения дифференциального усилителя 9 передается на входы ОУ 6, увеличивает выходное напряжение ОУ 6, что приводит к увеличению тока через датчик 8 тока, а следовательно, и к /Јсличению входного и выходного напр«кения дифференциального усилителя 9. Эти напряжения взаимно увеличивают друг друга до тех пор, пока напряжение на неинвертирующем входе ОУ 6 не прекратит возрастать, достигнув в момент времени t4 уровня напряжения стабилизации стабилитрона 3. В этот момент прерывается действие ПОС. Напряжение на выходе ОУ б и напряжение на выходе дифференциального усилителя 9 продолжают возрастать до тех пор , пока напряжение на инвертирующем входе ОУ 6 не сравняется с напряжением на неинвертирующем входе ОУ 6 (в момент времени t3), после чего генератор переходит в режим стабилизации тока нагрузки.

0

5

0

5

0

Напряжение на выходе дифференциального усилителя 9 определяется

выражением

tux ЛУ

и

R

R«J

11

где 1ц - ток нагрузки;

R« - сопротивление нагрузки;

ff nf5

ewx

тернстнки (ВАХ) стабилитрона, напря- на стабилитроне начинает уменьшаться. Уменьшение напряжения на не- , инвертирующем входе ОУ 6 вызывает (1) уменьшение его выходного напряжения, тока нагрузки, напряжения на выходе дифференциального усилителя 9, напряжение на RC-цепи, что ще более уско- значенне сопротивления дат- JQ ряет уменьшение на стабилитроне и чика в тока;снижение его тока до нуля Восстанавливается действие 100% ПОС, причем в тот момент, когда глубина ПОС превысит глубину ООС, процесс умень- 15 шення выходного напряжения ОУ 6 и

выходного напряжения дифференциального усилителя 9 приобретает лавинообразный характер и между входами ОУ 6 начинает увеличиваться дифференциаль- 20 ное напряжение. Когда выходное на- „пряжение уменьшается до нуля, напрягу и-Г (R 4 + j) жение, до которого успел зарядиться

ТГПЫГТРМГ .ЯТОП 1r b QLftailO T r1 anr4l rt/T -Qtle

значения сопротивлений прямой и обратной связей операционного усилителя 14, выбираются исходя из условий Rf, R|, R ,3 у Rj ,

R « y R R f3 R н R13 Rir

(HA A3 можно определить в режиме стабилизации тока нагрузки:

конденсатор 1, оказывается приложенным между входами ОУ 6. Это вызывает 25 смену полярности выходного напряжения ОУ 6 и дифференциального усилите- ля 9 и возрастание его значения в изменившейся полярности. В момент времени напряжение на неннвертирую- 30 тем входе ОУ 6 достигает уровня напряжения стабилизации стабилитрона, прерывается действие ПОС и схема переходит в режим стабилизации тока нагрузки. В этот момент дифференциальное напряжение между входами ОУ 6 принимает наибольшее значение. Выходное напряжение ОУ 6 и дифференциаль- tl кого усилителя 9 возрастает под действием ООС до момента t/, когда нагде V

СТ Re

-напряжение стабилизации стабилитрона;

-значения величин сопротивлений резисторов А и 5 соответственно.

Приравнивая выражения (1) и (2), получим

VcT(R4 + R5)-Rfl

г«

т.е. величина тока нагрузки определяется напряжением стабилизации стабилитрона VCT, параметрами реэистивного делителя напряжения R4 и R St значением сопротивления датчика тока R

tl

конденсатор 1, оказывается приложенным между входами ОУ 6. Это вызывает 25 смену полярности выходного напряжения ОУ 6 и дифференциального усилите- ля 9 и возрастание его значения в изменившейся полярности. В момент времени напряжение на неннвертирую- 30 тем входе ОУ 6 достигает уровня напряжения стабилизации стабилитрона, прерывается действие ПОС и схема переходит в режим стабилизации тока нагрузки. В этот момент дифференциальное напряжение между входами ОУ 6 принимает наибольшее значение. Выходное напряжение ОУ 6 и дифференциаль- tl кого усилителя 9 возрастает под действием ООС до момента t/, когда назначением сопротивлений прямой и обратной связи R „ и R 14 дифференциаль- йр;ж „иГна йнвертирующем входе ОУ 6

ного усилителя 9 и не зависит от со- ггя„пп;,-гя пяяным я™Пж„„н,л нестановится равным напряжению на неин- вертирующем входе ОУ 6. К резистору 2 прикладывается сумма напряжения на резистор 4 и напряжения между обпротивления нагрузки.

Значение тока, протекающего через стабилитрон, задается RC-цепью. Напряжение на RC-цепи равно падению на резисторе А и стабилизировано. В момент времени t3 конденсатор 1 не заряжен и все это напряжение полностью прикладывается к резистору 2. Ток стабилитрона принимает максимальное значение, после чего убывает по экспоненциальному закону по мере за- .ряда конденсатора и уменьшения напряжения на резисторе 2. В момент времени t. ток стабилитрона уменьшается

до значения минимального тока стаби- лизации 1СТ мии , рабочая точка пе-. реходит с вертикального на горизонтальный участок вольт-амперной харак

жение, до которого успел зарядиться

ТГПЫГТРМГ .ЯТОП 1r b QLftailO T r1 anr4l rt/T -Qtle

конденсатор 1, оказывается приложенным между входами ОУ 6. Это вызывает 25 смену полярности выходного напряжения ОУ 6 и дифференциального усилите- ля 9 и возрастание его значения в изменившейся полярности. В момент времени напряжение на неннвертирую- 30 тем входе ОУ 6 достигает уровня напряжения стабилизации стабилитрона, прерывается действие ПОС и схема переходит в режим стабилизации тока нагрузки. В этот момент дифференциальное напряжение между входами ОУ 6 принимает наибольшее значение. Выходное напряжение ОУ 6 и дифференциаль- кого усилителя 9 возрастает под действием ООС до момента t/, когда на35

йр;ж „иГна йнвертирующем входе ОУ 6

ггя„пп;,-гя пяяным я™Пж„„н,л нестановится равным напряжению на неин- вертирующем входе ОУ 6. К резистору 2 прикладывается сумма напряжения на резистор 4 и напряжения между об5 кладками конденсатора 1, и ток стабилитрона 3 принимает максимальное значение, после чего начинает убывать по мере перезаряда конденсатора 1. После этого периодически происходят

0 восстановление ПОС и переключение полярностей токов и напряжений в схеме. Действие ПОС прерывается на время, за которое происходит перезаряд и ток стабилитрона убывает от своего максимального значения до минчт тально- го значения тока стабилизации:

V 5J

V,

ст

5i - ТR

Rr Acr. «мн лг

R;

-v«

1

cr.Mtaf

де R и R4 t«

С- R2C

ст. /иин

R-4 ff

-сопротивление резисторов 2 и 4;

-длительность перезаряда конденсатора 1; .

-постоянная времени RC-цепи, С - емкость Конденсатора 1;

-минимальный ток to стабилизации стабилитрона 3:

-стабилизированное значение напряжения на резисторе 4 и на 15 RC-цепи;

R4

г- - L..... максимальное значеК тЧМ

ние напряжения на

конденсаторе 1

(Ч

ст./лак

максимальное значение тока через ста- билитронЗ(ТСТ(Ммк)

1ат мин R«

з этого соотношения можно определить ериод повторения импульсов Т, если ренебречь длительностью фронтов:

30

2V Ст R . Т - 2R4Cln-J-1 ст. мин 1

На временной диаграмме показано как генератор реагирует, например, на 35 уменьшение сопротивления нагрузки RM - в момент времени t7 напряжение на выходе ОУ 6 пропорционально уменьшается и ток нагрузки остается неизменным.

Для того, чтобы ООС не прерывалась, выходное напряжение ОУ 6 не должно достигать уровня ограничения

Vorf. 6 т еIM (Rt+ R7) vorp, ov , (3)

40

45

где R -j - значение сопротивления нагрузки.

Выходное напряжение дифференциаль- ного усилителя не должно достигать уровня ограничения Vorp .« дифференциального усилителя 9, т.е.

.Ria. Rii

VOrp А у

или

.v.)RXRJL

R7 R,f

VpAy 4)

.

o

5

0

5

0

5

0

5

5

0

Из неравенств (3) и (4) следует, что сопротивление нагрузки может изменяться в пределах

)RtR«

R11 . А У

,

Нч

что доказывает достижение цели изобретения.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого генератора импульсов тока по сравнению с известным является стабилизация амплитуды импульсов тока за счет исключения зависимости тока нагрузки от ее сопротивления .

Формула изобретения

Генератор импульсов тока, содержащий операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключен выход делителя напряжения, первый вход которого соединен с общей шиной, к неинвертирующему входу операционного усилителя - первый вывод последовательной RC-цепи, а первый вывод сопротивления нагрузки соединен с общей шиной, отличающий- с я тем, что, с целью повышения стабильности амплитуды выходных прямоугольных импульсов тока при изменении величины нагрузки, введены двусторонний стабилитрон, датчик тока и. дифференциальный усилитель, при этом первый вывод двустороннего стабилитрона подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а второй - к общей шине, первый вывод датчика тока подключен к выходу операционного усилителя, а второй - к второму выводу сопротивления нагрузки, неинвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу операционного усилителя, а инвертирующий вход - к второму выводу датчика тока, причем выход дифференциального усилителя подключен к второму входу делителя напряжения и к второму выводу последовательной RC-цепи.

fca

«И

ОУ W

em

4m jjcmtkn

ICID пак

Фиг. 2

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в измерительной технике в качестве источников питания тензорезистивных и пьезорезистивных датчиков в аналоговых устройствах. Цель изобретения - повышение стабильности амплитуды выходных прямоугольных импульсов тока при изменении величины нагрузки. Генератор импульсов тока обеспечивает достижение поставленной цели за счет исключения зависимости тока нагрузки от ее сопротивления. Введенные дифференциальный усилитель 9 и двусторонний стабилитрон 3 обеспечивают коррекцию режима работы операционного усилителя 6 за счет обеспечения питания делителя напряжения и последовательной RC-цепи с учетом тока датчика 8 тока. 2 ил.