Управляемый коммутатор элементов электрической цепи
CONTROLLED SWITCH OF ELECTRIC CIRCUIT ELEMENTS

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике. Оно может быть использовано, в частности, для коммутации резисторов в цифроаналоговых преобразователях, в мостовых цепях для определения параметров двухполюсников и параметров схемы замещения датчиков.
Известен детектор на транзисторном ключе (Груздев С.В., Прошин Е.М. Импульсная тензометрия. – М.: Энергия, 1976, рис. 32 на стр. 45), содержащий последовательно соединенные входной резистор, ключ на двух компенсированных транзисторах и конденсатор, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, а другой – с общим выводом, баз двух транзисторов, на первичную обмотку трансформатора подается сигнал управления.
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 постоянные напряжения. А трансформация длительных неизменяющихся напряжений приводит к таким большим габаритным размерам и весу трансформатора, что он становится конструктивно несовместимым с остальной схемой и с элементами изделия.
Известна схема компенсированного ключа (Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. – М.: Высшая школа, 2004, рис. 716, стр. 558), содержащая последовательно соединенные источник входного напряжения, резистор и два транзистора, а также трансформатор, один из выводов вторичной обмотки которого соединен с общим выводом коллекторов двух транзисторов, другой вывод ее через резистор соединен с базой первого транзистора, а так же этот вывод через другой резистор соединен с базой второго транзистора.
Недостатком ее является отсутствие возможности поддержания транзисторного ключа в замкнутом состоянии продолжительное время.
Известна измерительная схема моста узкого диапазона (Малиновский В.Н. Цифровые мосты. – М.: Энергия, 1976, рис. 3-7, стр. 106), содержащая четырехплечий электрический мост, две клеммы для подключения формирователя питающего напряжения моста и требующееся число параллельно включенных цепей из последовательно соединенных резистора и ключа, эти цепи включаются параллельно резистору плеча с уравновешивающими элементами мостовой цепи.
Недостатком ее является понижение точности измерения из-за составляющих погрешности от реального прямого сопротивления ключа (сопротивления ключа в замкнутом состоянии), от реального обратного сопротивления ключа (сопротивления 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 Н03К 17/16. Управляемый коммутатор элементов цепи/ Г.И. Передельский – опубл. в Бюл., 2014, №9], содержащий коммутируемую электрическую цепь, подключенную к инвертирующему входу операционного усилителя, питается приведенная цепь от формирователя питающего напряжения, от двух источников постоянного положительного и отрицательно напряжений питается операционный усилитель через управляемые ключи, управляющие сигналы на которые подаются от формирователя управляющих напряжений, на вход которого поступают входные сигналы.
Недостатком его является отсутствие возможности повысить значение обратного сопротивления управляемого коммутатора.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении значения обратного сопротивления управляемого коммутатора элементов электрической цепи.
Это достигается тем, что управляемый коммутатор элементов электрической цепи, содержащий электрическую цепь с коммутируемым элементом, формирователь питающего цепь напряжения, операционный усилитель, два источника питающих постоянных напряжений положительной и отрицательной полярности, два управляемых ключа и формирователь управляющих напряжений для этих ключей, электрическая цепь состоит из последовательно соединенных первого и второго резисторов, к их общему выводу подключен третий резистор, свободный вывод которого соединен с «землей», формирователь питающего цепь напряжения, выход которого соединен со свободным выводом первого резистора, а общая шина заземлена, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со свободным выводом второго резистора, а неинвертирующий вход заземлен, к общему выводу второго резистора и инвертирующего входа операционного усилителя подключен четвертый резистор, первый источник питающего постоянного напряжения положительной полярности и второй питающий источник отрицательной полярности, общие шины которых заземлены, первый и второй управляемые ключи, первый из них включен между выводом для положительно питающего напряжения операционного усилителя и выходом первого источника питающего постоянного напряжения, второй – между выводом для отрицательного питающего напряжения операционного усилителя и выходом второго источника питающего постоянного напряжения, формирователь управляющих напряжений для управляемых ключей, первый выход которого соединен с входом управления первого управляемого ключа, второй выход формирователя соединен с входом управления второго управляемого ключа, на вход формирователя подаются входные сигналы, общая шина его заземлена, введена группа дополнительных управляемых ключей, между собой они включены последовательно, свободный вывод первого дополнительного управляемого ключа соединен со свободным выводом имеющегося четвертого резистора, в свободный вывод последнего дополнительного управляемого ключа подключен к выходу операционного усилителя, с учетом предельного числа дополнительных управляемых ключей, которое не следует превышать, определяется число этих ключей с учетом последовательного их включения, обеспечивающее достаточное эквивалентное значение их обратного сопротивления, предельное количество дополнительных управляемых ключей определяется через значение сопротивления предполагаемого (виртуального) резистора между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя при отсутствии в схеме дополнительных управляемых ключей и при равных значениях их прямых сопротивлений, для этого названное сопротивление предполагаемого (виртуального) резистора следует разделить на значение прямого сопротивления дополнительного управляемого ключа и тогда целое число, полученное от деления, представляет собой предельное число дополнительных управляемых ключей, а разность между значением сопротивления предполагаемого (виртуального) резистора и суммарным значением прямых сопротивлений предельного числа дополнительных управляемых ключей является значением сопротивления имеющегося четвертого резистора.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Управляемый коммутатор элементов электрической цепи содержит коммутируемую электрическую цепь из последовательно соединенных первого 1 и второго 2 резисторов, к общему выводу которых подключен резистор 3, свободный вывод последнего заземлен. Инвертирующий вход операционного усилителя 4 соединен со свободным выводом резистора 2, а неинвертирующий вход заземлен. К общему выводу резистора 2 и инвертирующего входа операционного усилителя 4 подключен резистор 5. К свободному выводу резистора 1 подключен выход источника 6 напряжения, питающего электрическую цепь. Общая шина этого источника заземлена. В коммутаторе также имеются источник 7 постоянного положительного напряжения и источник 8 постоянного отрицательного напряжения, общие шины которых заземлены. Между выходом источника 7 и выводом для подключения положительного питающего напряжения операционного усилителя включен управляемый ключ 9, а между выходом источника 8 и выводом для подключения отрицательного питающего напряжения операционного усилителя – управляемый ключ 10. Управляющий вход ключа 9 соединен с первым выходом формирователя 11 управляющих напряжений, а управляющий вход ключа 10 – со вторым выходом этого формирователя, общая шина формирователя заземлена. На вход формирователя 11 управляющих напряжений подаются входные сигналы . Между свободным выводом резистора 5 и выходом операционного усилителя 4 включена группа последовательно соединенных управляемых ключей 12, 13, …, N. Управляющие входы этих ключей соединены с третьим выходом формирователя 11 управляющих напряжений.
При отсутствии входного сигнала формирователя 11 управляющих напряжений () на каждом из трех его выходов напряжение отсутствует, и все управляемые ключи 9, 10, 12, 13, …, N находятся в разомкнутом состоянии. Это исходное состояние схемы.
Управляемый коммутатор элементов электрической цепи работает следующим образом. При воздействии входного сигнала () на вход формирователя 11 управляющих импульсов управляющие напряжения с трех выходов этого формирователя переводят управляемые ключи 9, 10, 12, 13, …, N в проводящие состояния, и на операционный усилитель через ключи 9 и 10 подаются питающие постоянные напряжения положительной и отрицательной полярности с выходов двух источников 7 и 8 постоянного напряжения. При большом коэффициенте усиления операционного усилителя в общем случае разностное напряжение между двумя его входами стремится к нулю. Неинвертирующий вход операционного усилителя 4 заземлен, тогда имеется эффект подключения к «земле» инвертирующего входа и подключенного к нему выводу коммутируемого резистора 2 (виртуальный нуль). Остаточным напряжением здесь () является весьма малое разностное напряжение между входами операционного усилителя 4, по сути, напряжение относительно «земли» на инвертирующем входе этого усилителя. Это остаточное напряжение получается исчезающе малым.
В сложившемся реальном понимании прямое сопротивление в рассматриваемой схеме управляемого коммутатора отсутствует. В рассматриваемой схеме электрический ток через коммутируемый резистор 2 непосредственно на «землю» не проходит, точнее на заземленный неинвертирующий вход. Этот ток замыкается через резистор 5 на выходную цепь операционного усилителя 4. Коммутируемый вывод резистора 2, соединенный с инвертирующим входом операционного усилителя, имеет весьма малое (почти нулевое) напряжение относительно «земли», т.е в итоге подключен к «земле». Последнее положение обеспечивается выбором операционного усилителя с большим значением коэффициента усиления. Таким образом, можно считать, что имеется эффект получения малого значения прямого сопротивления, которое можно определить как
(1)
где  – остаточное напряжение управляемого коммутатора элементов электрической цепи,  – сила электрического тока через сопротивление  ( – сопротивление резистора 2). Очень малое значение  предопределяет очень малое значение .
После окончания входного сигнала ( формирователь 11 управляющих напряжений переводит управляемые ключи 9, 10, 12, 13, …, N в непроводящее состояние и операционный усилитель 4 отключается от питающих источников постоянного напряжения 7 и 8. Тогда коммутируемый резистор 2 отключается от «земли». Обратное сопротивление в общем случае определяется несколькими p-n переходами транзисторов операционного усилителя в непроводящем электрический ток состоянии и обратными сопротивлениями управляемых ключей 9, 10, 12, 13, …, N. Для увеличения значения обратного сопротивления можно выбрать операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе.
В приведенном случает эквивалентное сопротивление оставшихся p-n переходов операционного усилителя 4 в непроводящем электрический ток состоянии обозначим . Тогда обратное сопротивление определяется выражением
,  (2)
где , , , ,  – обратные сопротивления управляемых ключей 9, 10, 12, 13, …, N соответственно, и выбором числа управляемых ключей 12,13, …, N можно получить требующееся (повышенное) значение обратного сопротивления.
Количество управляемых ключей 12, 13, …, N имеет некоторое предельное значение, которое не следует превышать. Для нахождения этого предельного значения следует обратиться к исходной схеме (к схеме прототипа), где управляемые ключи 12, 13, …, N отсутствуют, а резистор 5 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 4. Значение сопротивления 5 () рассчитывается, исходя из требующихся значений прямого сопротивления и остаточного напряжения. С учетом равных значений прямых сопротивлений управляемых ключей 12,13, …, N () полученное значение  для прототипа следует разделить на прямое сопротивление одного из ключей 12,13, …, N. Тогда полученное от деления целое число – это предельное число () управляемых ключей 12, 13, …, N, а разность между рассчитанным значением сопротивления  и произведением прямого сопротивления  на предельное число  представляет собой значение сопротивления реального резистора 5 в рассматриваемой схеме (фиг. 1)
.     (3)
Если количество n управляемых ключей 12, 13, …, N меньше предельного значения
,       (4)
то сопротивление  реального резистора 5 определяется формулой
.     (5)
Таким образом, управляемый коммутатор элементов электрической цепи позволяет существенно повысить значение обратного сопротивления при сохранении весьма малых значений прямого сопротивления и остаточного напряжения.