Управляемый источник тока для заземленной нагрузки



Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки
Управляемый источник тока для заземленной нагрузки

 


Владельцы патента RU 2549252:

Морской гидрофизический институт (RU)

Изобретение относится к области автоматики и электроники как средство для управления физическими процессами и может быть использовано в технологиях электрохимических измерений при экологических и океанографических исследованиях.

Технический результат - уменьшение искажения сигнала, снимаемого с заземленной нагрузки при контроле управляемого тока, что повышает точность преобразования входного напряжения в выходной ток. Дополнительный технический результат - упрощение устройства.

Сущность: устройство содержит первый резистор R1, первый вывод которого является входом устройства. Второй вывод R1 подключен к первому выводу второго резистора R2 и к инверсному входу операционного усилителя ОУ. Выход ОУ подключен ко второму выводу R2 и к первому выводу третьего резистора R3. Второй вывод R3 подключен к первому выводу четвертого резистора R4, второй вывод которого заземлен. Устройство содержит опорный резистор Roп, первый вывод которого является выходом устройства и к этому выводу подключен неинверсный вход ОУ. Второй вывод Rоп через элемент-повторитель Π подключен ко второму выводу R3. 4 ил.

 

Изобретение относится к области автоматики и электроники как средство для управления физическими процессами и может быть использовано в технологиях электрохимических измерений при экологических и океанографических исследованиях.

В управляемых источниках тока для заземленной нагрузки выходной ток, как правило, контролируется на опорном резисторе, включенном последовательно с выходной цепью устройства, и преобразуется в сигнал обратной связи, необходимый для управления выходным током. Основное требование к средству контроля при этом заключается в том, чтобы его контролирующие цепи были весьма высокоомны и ответвляли от выходного тока устройства как можно меньшую часть, чтобы не уменьшить точность управления током.

Измерители, используемые для исследований среды, должны быть не только точны, но и малогабаритны, чтобы чувствовать тонкую структуру этой среды, т.е. устройство должно содержать как можно меньше элементов.

Известны управляемые источники тока для заземленной нагрузки с дифференциальным усилителем [1, с. 134, рис. 7.14]. Для удовлетворения вышеизложенного требования к средству контроля выходного тока можно применить в качестве дифференциального усилителя инструментальный усилитель, что удорожает устройство, либо применить промежуточный усилитель-повторитель, что усложняет схему и создает дополнительную аддитивную погрешность.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является управляемый источник тока, приведенный в [1, с. 134, рис.7.15.а)].

Прототип, подключенный к заземленной нагрузке Rн, изображен на фиг. 1 и содержит первый резистор 1 (R1), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение Uвх. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R2) и к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1), выход которого подключен ко второму выводу второго резистора 2. Неинверсный вход первого операционного усилителя 3 заземлен. Устройство содержит второй операционный усилитель 4 (ОУ2), выход которого через третий резистор 5 (R3) подключен к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1). Выходом устройства является первый вывод опорного резистора 6 (Roп), который подключается к заземленной нагрузке - сопротивлению Rн. Второй вывод опорного резистора 6 подключен к выходу первого операционного усилителя 3. Выход устройства через четвертый резистор 7 (R4) подключен к инверсному входу второго операционного усилителя 4, неинверсный вход которого заземлен. Инверсный вход второго операционного усилителя 4 и его выход подключены между собой посредством пятого резистора 8(R5).

В схеме прототипа [1, с. 134, рис.7.15.а)] показано, что неинверсные входы операционных усилителей подключаются в цепь через балансировочные резисторы, которые уравнивают токи утечки входов этих усилителей. Однако современные микросхемы имеют пренебрежимо малые входные токи, например, с полевыми транзисторами на входе, и достаточно прецизионны [2, с. 351], поэтому балансировочные резисторы на фиг. 1 не показаны.

Первый R1 и второй R2 резисторы определяют коэффициент усиления (Кyc1.1) первого усилителя ОУ1 по управляющему напряжению Uвх. Пятый R5 и четвертый R4 резисторы определяют коэффициент усиления (Кус2) второго усилителя ОУ2 по напряжению, снимаемому с нагрузки Rн. Второй R2 и пятый R5 резисторы определяют коэффициент усиления (Кyc1.2) первого усилителя ОУ1 по напряжению обратной связи. Коэффициент усиления (Кyc1.2·Кус2) обратной связи, образованной операционными усилителями ОУ1 и ОУ2, устанавливают равным единице. Эта обратная связь является положительной. Опорный резистор Roп, включаемый последовательно с заземленной нагрузкой Rн, определяет величину выходного тока Iвых устройства как отношение Uвх/Roп.

Такие признаки прототипа, как первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, совпадают с существенными признаками заявленного устройства.

Поясним работу прототипа с помощью его структурной схемы, изображенной на фиг. 2.

Входное управляющее напряжение Uвх с учетом коэффициента усиления первого операционного усилителя ОУ1 по этому входу, Кyc1.1, определяемого соотношением значений первого R1 и второго R2 резисторов поступает на первый суммирующий вход управляемого источника тока, представляющий собой инвертирующий сумматор, построенный на первом операционном усилителе ОУ1 и первом R1, втором R2, и третьем R3 резисторах. Напряжение с выхода первого операционного усилителя ОУ1 преобразуется в выходной ток Iвых устройства с помощью опорного резистора Roп и сопротивления нагрузки Rн. Падение напряжения на нагрузке Rн, вызванное выходным током Iвых, поступает на инвертирующий усилитель, с коэффициентом усиления Кус2, который построен на втором операционном усилителе ОУ2 и четвертом R4 и пятом R5 резисторах. Преобразованное таким образом падение напряжение на нагрузке в напряжение обратной связи поступает на второй суммирующий вход управляемого источника тока, компенсируя влияние нагрузки. При этом произведение коэффициента усиления Кyc1.2 первого операционного усилителя ОУ1 по этому второму суммирующему входу, определяемого третьим R3 и вторым R2 резисторами, на коэффициент усиления Кус2 второго усилителя ОУ2, определяемый четвертым R4 и пятым R5 резисторами, устанавливают равным единице.

С учетом приведенной структурной схемы прототипа можно представить его коэффициент преобразования Кпр следующим образом, учитывая, что Кyc1.2·Кус2=1:

Из полученного выражения видно, что выходной ток прототипа определяется лишь управляющим входным напряжением Uвх и опорным резистором Roп. Коэффициент усиления Кyc1.1 для простоты расчета схемы устанавливают равный единице.

Недостатком прототипа является то, что в случае высокоомной нагрузки и при малом значении управляемого тока входное сопротивление усилителя обратной связи ограничено, что приводит к ответвлению части управляемого тока, а, значит, и к ошибке управления. Это свойство особенно проявляется при использовании в качестве заземленной нагрузки электродной системы, которая работает в низкопроводящем растворе [3]. Управление током, проходящим через эту систему, осуществляют, контролируя падение напряжения на электродах. Чтобы не снизить точность управления, необходимо увеличить входное сопротивление усилителя обратной связи, т.е. увеличить номиналы четвертого R4 и пятого R5 резисторов. Но при этом увеличится аддитивная погрешность второго операционного усилителя ОУ2. (Эта зависимость известна, например, в работе [4, с. 22] сказано, что для уменьшения аддитивной погрешности инверсного усилителя следует уменьшать сопротивление обратной связи и его входное сопротивление) А увеличение аддитивной погрешности ОУ2 снижает точность управления током. В этом заключается техническое противоречие, свойственное прототипу при его работе в таком режиме.

В основу изобретения поставлена задача создания управляемого источника тока для заземленной нагрузки, который обеспечивал бы высокоомный съем сигнала с этой нагрузки, причем без привлечения дополнительных элементных ресурсов, например, согласующего устройства.

Поставленная задача решается тем, что в управляемом источнике тока для заземленной нагрузки, содержащем первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, согласно изобретению первый вывод опорного резистора подключен к неинверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен, при этом второй вывод опорного резистора через элемент-повторитель подключен ко второму выводу третьего резистора.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает новое техническое свойство - возможность подачи падения напряжения на заземленной нагрузке непосредственно на неинверсный вход операционного усилителя, который высокоомен из-за наличия глубокой отрицательной связи, причем без привлечения дополнительного усилителя с глубокой отрицательной связью, как выполнено в известных технических решениях [5], [1, с. 134, рис.7.15, б)].

Это новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - уменьшение искажения сигнала, снимаемого с заземленной нагрузки, за счет увеличения входного сопротивления средства контроля управляемого тока.

Указанный технический результат повышает точность преобразования входного напряжения в выходной ток устройства.

Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение устройства за счет исключения одного из резисторов.

Заявленный управляемый источник тока, подключенный к заземленной нагрузке Rн, изображен на фиг. 3 и содержит первый резистор I (R1), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение Uвх. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R2) и к инверсному входу операционного усилителя 3 (ОУ). Выход операционного усилителя 3 подключен ко второму выводу второго резистора 2 и к первому выводу третьего резистора 4 (R3). Второй вывод третьего резистора 4 подключен к первому выводу четвертого резистора 5 (R4), второй вывод которого заземлен. Устройство содержит опорный резистор 6 (Roп), первый вывод которого является выходом устройства и к которому подключен неинверсный вход операционного усилителя 3. Второй вывод опорного резистора 6 через элемент-повторитель 7 (П) подключен ко второму выводу третьего резистора 4.

Поясним работу предложенного устройства с помощью его структурной схемы, приведенной на фиг. 4.

Входное управляющее напряжение Uвх с учетом коэффициента усиления Кyc1.1 операционного усилителя ОУ по этому входу, определяемого соотношением номиналов первого R1 и второго R2 резисторов, поступает на суммирующий вход устройства, который представляет собой усилитель с двумя входами - инвертирующий с коэффициентом усиления Кyc1.1, определяемым соотношением номиналов первого R1 и второго R2 резисторов, и неинвертирующий с коэффициентом усиления Кyc1.2, определяемым отношением номинала второго R2 резистора к номиналу первого R1 резистора плюс единица. Сигнал с ОУ поступает на делитель, выполненный на третьем R3 и четвертом R4 резисторах. Соотношение их номиналов выбирают так, чтобы коэффициент передачи этого делителя, умноженный на коэффициент усиления Кyc1.2, был равен единице. Например, при равенстве номиналов первого R1 и второго R2 резисторов номиналы третьего R3 и четвертого R4 резисторов должны быть тоже равны. Напряжение с делителя поступает на вход элемента-повторителя П. Напряжение с выхода Π преобразуется в выходной ток Iвых устройства с помощью опорного резистора Roп и нагрузки Rн. Падение напряжения на заземленной нагрузке Rн, вызванное выходным током Iвых поступает на неинверсный вход операционного усилителя ОУ, компенсируя влияние этой нагрузки.

С помощью приведенной структурной схемы предложенного управляемого источника тока можно представить его коэффициент преобразования Кпр следующим образом:

где R3 и R4 - номиналы соответственно третьего и четвертого резисторов.

С учетом того, что коэффициент деления делителя, образованного третьим и четвертым резисторами, подбирают так, чтобы его коэффициент деления и коэффициент усиления Кyc1.2 операционного усилителя по неинверсному входу образовали единичную положительную обратную связь, выражение (2) в конечном счете примет вид:

откуда видно, что выходной ток предложенного управляемого источника тока определяется лишь управляющим входным напряжением Uвх и опорным резистором Roп. Некоторое уменьшение коэффициента передачи предложенного устройства по сравнению с прототипом, вызванное коэффициентом передачи делителя, легко компенсируется соотношением значений Кyc1.1 и Roп.

Элемент-повторитель 7 может быть реализован на базе второго операционного усилителя, неинверсный вход которого является входом повторителя. При этом выход этого операционного усилителя подключен к его инверсному входу и является выходом элемента-повторителя 7.

Достоинство заявленного управляемого источника тока заключается также в том, что в случае использования в качестве заземленной нагрузки электродной системы повторитель 7 может быть выполнен в виде простого проводника, без привлечения в устройство для выполнения этой функции элементных ресурсов и свойственной им аддитивной погрешности! Это поясняется следующим. При построении измерителей концентраций растворенных веществ с передаточной функцией, использующей основное уравнение электрохимической кинетики, рабочий электрод поляризуют током, близким к токам обмена, который может иметь порядок от 10-8 до 10-13А [6, с. 212]. Например, ионоселективные стеклянные электроды имеют электрическое сопротивление более 100 МОм [7, с. 71]. Это значит, что выходной ток, протекающий через нагрузку, значительно меньше тока Iд, протекающего через делитель, образованный третьим R3 и четвертым R4 резисторами (Iвых<<Iд). Поэтому при такой заземленной нагрузке второй операционный усилитель в качестве элемента-повторителя не нужен.

Для управления электрохимической реакцией на электродах [8. 9] предложенный управляемый источник тока эффективен и удобен.

Он может быть выполнен, например, на прецизионной микросхеме ОРА2107 фирмы Burr-Brown с полевыми транзисторами на входе [10].

Использованные источники:

1. Щербаков В.И., Грездов Г.И. "Электронные схемы на операционных усилителях". Справочник, Киев, "Технiка", 1983.

2. Достал И. "Операционные усилители". Пер. с англ. - М.: Мир, 1982.

3. Патент Украины № 74422 на изобретение, МПК 7 G01N27/28, G01N27/48. Цифровий перетворювач концентрацii розчиненого кисню полярографiчного типу. Автор Кирющенко И.Г. Заявка № 2003098113, дата подачи 01.09.2003. Опубл.15.12.2005, бюл. № 12.

4. Гутников B.C. "Интегральная электроника в измерительных устройствах". 2-е изд., Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988.

5. William W. Goldsworthy and Ray G. Clem. Bipolar Digipotentiogrator for Electroanalytical Uses. Direct Conversion of Charge to a Digital Number.// Analytical Chemistry, Vol. 44, No. 8, July 1972.

6. Антропов Л.И. "Теоретическая электрохимия". 2-е изд., Москва, Изд-во "Высшая школа", 1969.

7. Камман К. Работа с ионселективньгмй электродами / Пер. с нем., под ред. док. хим. наук О.М.Петрухина - М.: Мир, 1980.

8. Кирющенко И.Г. Обоснование режима работы сульфидселективных электродов в зондирующих приборах для измерения показателя активности сульфид-ионов рS-2/И.Г.Кирющенко//Сборник научных трудов СНИЯЭиП.-Севастополь: Изд-во СНИЯЭиП, 2006. - Вып. 14 - С.61.

9. Кирющенко И.Г. Методы потенциометрии с компенсацией влияния электрода сравнения/И.Г.Кирющенко//Матёриалы XIV международной конференции ученых Украины, Белоруссии, России - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 11-15 сентября 2006 г. - С. 173.

10. Linear Products, Вurr - Brown, 1999.

Управляемый источник тока для заземленной нагрузки, содержащий первый резистор, первый вывод которого является входом управляемого источника тока, а второй вывод подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом управляемого источника тока, отличающийся тем, что первый вывод опорного резистора подключен к неинверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен, при этом второй вывод опорного резистора подключен к выходу элемента-повторителя, вход которого подключен ко второму выводу третьего резистора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к емкостным преобразователям энергии и может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с достаточным периодическим перепадом температур.

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к емкостным преобразователям энергии, и может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с периодическим перепадом температур, например дневных и ночных.

Изобретение относится к области электротехники. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Конвертор // 1347129
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для гальванического разделения сигналов управления применительно к исполнительным механизмам промьшшенной автоматики.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в устройствах втоцичных источников электропитания. .

Изобретение относится к области магнитогидродинамической техники, в частности к системам нагружения МГД-генераторов и может быть использовано в энергетических МГД-установках промышленного масштаба.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления преобразователями постоянного напряжения. .

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к емкостным преобразователям энергии, и может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с достаточным периодическим перепадом температур. Технический результат - увеличение числа срабатываний в несколько раз. Устройство имеет электронный блок управления, исполнительное устройство, две пластины емкости, одна из которых закреплена к приводу исполнительного устройства, а вторая подвижная прикреплена к одному концу бруска из пластика (или из другого диэлектрического материала, имеющего большое изменение своих линейных размеров при изменении внешней температуры). Второй конец бруска из пластика жестко закреплен на неподвижном основании. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к емкостным преобразователям энергии, и может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с достаточным периодическим перепадом температур, например дневных и ночных, либо в полете искусственного спутника Земли на орбите при вхождении в тень планеты и выходе из нее. Технический результат состоит в повышении удельной мощности. Устройство преобразует энергию перепада температур, например, между днем и ночью, в электрическую энергию. Электрическая прочность элегаза в несколько раз больше электрической прочности воздуха, что позволяет получить более высокие напряжения на выходе, чем в среде воздуха. При этом разряд повышенного напряжения происходит в среде элегаза под давлением. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в устройствах коммутации нагрузки с импульсным потреблением тока от источника постоянного напряжения. Технический результат - увеличение надежности аппаратуры управления, ресурса его работы, снижение уровня помех по цепям питания путем исключения экстремальных пусковых токов, а также упрощение технической реализации устройства. Решение этой задачи по первому варианту достигается тем, что коммутатор цепи питания содержит ключ (2), включенный в цепь источника питания (1) последовательно с нагрузкой (3), накопительный конденсатор (4) и полевой транзистор (5), включенные последовательно и подключенные к цепям питания параллельно нагрузке (3), стабилитрон (8), первый резистор (7) и второй конденсатор (6), образующие последовательную интегрирующую RC-цепочку, подключенную параллельно нагрузке, при этом второй конденсатор (6) интегрирующей RC-цепочки и стабилитрон (8) подключены к управляющему входу полевого транзистора. Решение этой задачи по второму варианту достигается тем, что коммутатор цепи питания содержит ключ (2), включенный в цепь питания последовательно с нагрузкой (3), накопительный конденсатор (4) и полевой транзистор (5), включенные последовательно и подключенные к цепям питания параллельно нагрузке (3), стабилитрон (8), два резистора (10, 7) и второй конденсатор (6), соединенные последовательно и подключенные параллельно нагрузке (3), при этом первый резистор (7) и второй конденсатор (6) образуют последовательную интегрирующую RC-цепочку, второй конденсатор (6) интегрирующей RC-цепочки подключен к управляющему входу полевого транзистора (5), стабилитрон (8) подключен параллельно интегрирующей RC-цепочке. Кроме того, в коммутатор цепи питания по первому и по второму вариантам введен дополнительный резистор (9), подключенный параллельно полевому транзистору (5) последовательно с накопительным конденсатором (4). Кроме того, в коммутатор цепи питания по первому и по второму вариантам введен диод (11), подключенный встречно параллельно накопительному конденсатору 6 - С1. 2н. и 4з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх