Управляемый коммутатор элементов электрической сети
CONTROLLED MAINS ELEMENT SWITCH

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Оно может быть использовано, в частности, для коммутации резисторов в цифроаналоговых преобразователях и в мостовых цепях для определения параметров двухполюсников и параметров схем замещения датчиков.
Известна схема компенсированного ключа (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – М.: Высшая школа, 2004, рис. 7.16, в, стр. 558), содержащая последовательно соединённые источник входного напряжения, резистор и два транзистора, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединён с общим выводом коллекторов двух транзисторов, другой вывод её через резистор соединён с базой первого транзистора, а также этот вывод через другой резистор соединён с базой второго транзистора.
Недостатком его является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время. Это связано с наличием трансформатора в цепи управления транзисторами. Трансформатор не трансформирует напряжения постоянного тока. А трансформация длительных напряжений приводит к таким большим габаритным размерам и весу трансформатора, что он становится конструктивно  несовместим с остальной схемой и элементами изделия.
Известна измерительная схема моста узкого диапазона (Малиновский В.Н. Цифровые мосты. – М.: Энергия, 1976, рис. 3-7, стр. 106), содержащая электрический четырёхплечий мост, две клеммы для подключения формирователя питающего напряжения моста, две клеммы выходного напряжения моста и требующееся число параллельно включённых цепей из последовательно соединённых резистора и ключа, эти цепи включаются параллельно резистору плеча с уравновешивающими элементами мостовой цепи.
Недостатком его является понижение точности измерения из-за составляющих погрешности от реального прямого сопротивления ключа (сопротивление ключа в замкнутом состоянии), от реального обратного сопротивления ключа (сопротивление ключа в разомкнутом состоянии) и от остаточного напряжения ключа (напряжение на ключе в замкнутом состоянии).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа управляемый коммутатор элементов цепи (Патент РФ № 2510571, H03K 17/16. Управляемый коммутатор элементов цепи. /Г.И. Передельский – опубл. в Бюл., 2014, № 9), содержащий коммутируемую электрическую цепь,  формирователь питающего её напряжения, операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключён коммутируемый элемент, два источника постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, которые через два управляемых электронных ключа питают операционный усилитель, формирователь управляющих напряжений для электронных ключей, на который подаются входные сигналы.
Недостатком его является то, что, в принципе, не удаётся получить идеальное (нулевое) значение прямого сопротивления ключа и идеальное (нулевое) значение его остаточного напряжения. Имеется возможность реально получать названные значения приведённых двух параметров.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении возможности получать нулевое значение остаточного напряжения управляемого коммутатора элементов электрической цепи, а также в обеспечении возможности получать нулевое значение его прямого сопротивления.
Это достигается тем, что в управляемый коммутатор элементов электрической цепи, содержащий электрическую цепь с коммутируемым элементом, формирователь питающего электрическую цепь напряжения, операционный усилитель, два источника питающих постоянных напряжений положительной и отрицательной полярности, два электронных управляемых ключа, формирователь управляющих напряжений для этих ключей и входной (управляющий) сигнал для последнего формирователя, электрическая цепь состоит из последовательно соединённых первого и второго резисторов, к их общему выводу подключён третий резистор, свободный вывод которого соединён с «землёй», свободный вывод первого резистора подключён к формирователю питающего электрическую цепь напряжения, общая шина которого заземлена, свободный вывод второго резистора соединён с инвертирующим входом операционного усилителя, между выходом его и общим выводом инвертирующего входа и второго резистора включён четвёртый резистор, первый вывод операционного усилителя для отрицательного постоянного напряжения через  первый электронный управляемый ключ соединён с первым выводом напряжения отрицательной полярности первого источника постоянного напряжения, второй вывод операционного усилителя для положительного постоянного напряжения через второй электронный управляемый ключ соединён с первым выводом положительной полярности второго источника постоянного напряжения, вторые выводы первого и второго источников постоянного напряжения для питания операционного усилителя заземлены, вход управления первого электронного управляемого ключа соединён с первым выводом формирователя управляющих напряжений для электронных ключей, второй выход этого формирователя соединён с входом управления второго электронного управляемого ключа, общая шина формирователя управляющих напряжений для электронных ключей заземлена, а на вход его подаётся входной управляющий сигнал, введены стабилизатор напряжения и делитель напряжения, вход стабилизатора напряжения соединён с общим выводом первого источника постоянного напряжения и первого электронного управляемого ключа, а выход – с входом делителя напряжения, выход последнего подключён к неинвертирующему входу операционного усилителя, общие шины заземлены в каждом из двух последних введенных блоков: стабилизатор напряжения и делитель напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).
Управляемый коммутатор элементов электрической цепи содержит коммутируемую электрическую цепь из последовательно соединённых первого 1 и второго 2 резисторов, к общему выводу которых подключён резистор 3, свободный вывод последнего заземлён. Свободный вывод резистора 1 соединён с выходом формирователя 4 питающего электрическую цепь напряжения, общая шина которого заземлена. Свободный вывод резистора 2 подключён к инвертирующему входу операционного усилителя 5. Между этим инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 5 включен резистор 6. Вывод операционного усилителя 5 для отрицательного постоянного питающего напряжения через первый электронный управляемый ключ 7 соединён с выходом напряжения отрицательной полярности первого источника 8 постоянного напряжения, общая шина которого заземлена. Вывод операционного усилителя 5 для положительного постоянного питающего напряжения через второй электронный управляемый ключ 9 соединён с выходом напряжения положительной полярности второго источника 10 постоянного напряжения, общая шина которого заземлена. Вход управления электронного ключа 7 соединён с первым выходом относительно «земли» формирователя 11 управляющих напряжений для электронных ключей. Второй выход относительно «земли» этого формирователя соединён со входом управления электронного управляемого ключа 9. Общая шина формирователя 11 управляющих напряжений для электронных ключей заземлена. На вход этого формирователя подаётся входной управляющий сигнал . Общий вывод источника 8 постоянного напряжения и электронного ключа 7 соединён с входом стабилизатора 12 напряжения, общая шина его заземлена. Выход стабилизатора 12 подключён к входу делителя 13 напряжения, общая шина которого тоже заземлена. Выход делителя 13 соединён с неинвертирующим входом операционного усилителя 5.
При отсутствии входного сигналаформирователя 11 управляющих напряжений на каждом из двух его выходов напряжение отсутствует и оба управляемых ключа 7, 9 находятся в разомкнутом состоянии. Это - исходное состояние схемы (фиг. 1).
Управляемый коммутатор элементов электрической цепи работает следующим образом.
Вначале приведён вариант работы для выходного напряжения положительной полярности формирователя 4 питающего электрическую цепь напряжения и напряжения отрицательной полярности малого значения по абсолютной величине с выхода делителя 13 напряжения. При воздействии входного сигнала  на формирователь 11 управляющих напряжений с обоих выходов его управляющие напряжения переводят электронные управляемые ключи 7 и 9 в проводящие (замкнутые) состояния и на операционный усилитель 5 через них подаются питающие постоянные напряжения отрицательной и положительной полярности с выходов двух источников 8 и 10 постоянного напряжения. Напряжение отрицательной полярности с выхода источника 8 постоянного напряжения дополнительно стабилизируется стабилизатором 12 напряжения, уменьшается посредством делителя 13 напряжения и подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя 5. Общие шины и стабилизатора 12, и делителя 13 заземлены.
Если неинвертирующий вход операционного усилителя 5 соединён с «землёй», то источник 4 положительного по полярности напряжения создаёт на инвертирующем входе положительное напряжение относительно «земли». Оно инвертируется операционным усилителем, усиливается и на выходе получается отрицательное напряжение, которое через резистор 6 подключается к инвертирующему входу. В результате сила электрического тока через резистор 2 возрастает, а напряжение на инвертирующем входе уменьшается. Но оно, в принципе, не может принять нулевое значение, т.к. тогда напряжение на выходе операционного усилителя 5 тоже примет нулевое значение. Это - взаимно исключающие друг друга обстоятельства и не имеют места быть.
Но если неинвертирующий вход операционного усилителя 5 соединён с выходом делителя 13 напряжения, то его входное отрицательное напряжение создаёт на выходе операционного усилителя тоже отрицательное напряжение, в том числе и при нулевом напряжении относительно «земли» на инвертирующем входе. Для обеспечения последнего положения напряжение на неинвертирующем входе должно определяться формулой
(1)
где – напряжение на выходе делителя 13, − напряжение на выходе формирователя  и – резистивные сопротивления резисторов 1, 2, 3 и 6,  − коэффициент усиления операционного усилителя 5.
Остаточным напряжением (фиг. 1) по сути является напряжение между инвертирующим входом операционного усилителя 5 и «землёй». При выполнении (1) значение его равно нулю.
(2)
Оно соответствует тому, что значения напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя 5 и напряжение на выходе делителя 13 равны по абсолютной величине и противоположны по знаку (по полярности). В сложившемся понимании прямое сопротивление в рассматриваемой схеме управляемого коммутатора отсутствует. Косвенно с учётом (2) его можно определить как
(3)
где – сила электрического тока через сопротивление.
Для варианта работы управляемого коммутатора элементов электрической цепи, соответствующего напряжению отрицательной полярности с выхода формирователя 4, напряжение с выхода делителя 13 должно быть положительной полярности. В этом случае вход стабилизатора 12 напряжения следует соединять с выходом источника 10 напряжения положительной полярности, точнее с общим выводом этого источника и электронного управляемого ключа 9. Остальные положения аналогичны прежним, которые приведены выше.
После окончания входного сигнала управляемые ключи 7 и 9 переходят в непроводящее (разомкнутое) состояние и операционный усилитель отключён от питающих источников 8 и 10. Тогда коммутируемый резистор 2 отключён от «земли» и отделяется от «земли» несколькими p-n-переходами транзисторов операционного усилителя в непроводящем электрический ток состоянии. Для увеличения значения обратного сопротивления управляемого коммутатора можно выбрать операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе. В общем случае значения обратных сопротивлений в прототипе и в рассматриваемой схеме сопоставимы между собой.
Таким образом, управляемый коммутатор элементов электрической цепи по сравнению с приведёнными аналогами и прототипом позволяет получать нулевое (идеальное) значение остаточного напряжения и нулевое (идеальное) значение прямого сопротивления.