ЖДУЩИЙ ТЕРМОМУЛЬТИВИБРАТОР
ONE-SHOT THERMOMULTIVIBRATOR

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к инфранизкочастотным импульсным устройствам с термозависимыми времязадающими элементами, и может быть использовано в приборах автоматического контроля и регулирования.
Известны ждущие термомультивибраторы, в которых для формирования выходных импульсов заданной длительности используются нестационарные тепловые процессы, сопровождающиеся изменением температуры времязадающего элемента (см., например, Дружинин А.Я. Генераторы импульсов с термозависимыми времязадающими элементами. М.: Энергия, 1973, с.70-74, рис.36, 37). В отличие от устройств аналогичного назначения, использующих электрические, магнитные, электромеханические или пневматические времязадающие элементы, ждущие термомультивибраторы с тепловыми обратными связями позволяют формировать длительные выходные импульсы при небольших габаритах и массе времязадающего элемента.
Недостатком известных ждущих термомультивибраторов является относительно низкая стабильность длительности формируемых ими выходных импульсов. Одной из причин этого является малая скорость нарастания напряжения на информационном входе их порогового устройства в процессе изменения температуры термозависимого элемента и, как следствие, продолжительное время пребывания этого напряжения при компарировании в зоне неопределенности срабатывания порогового устройства.
Кроме того, функциональные возможности известных ждущих термомультивибраторов ограничены, так как они, как правило, не содержат технических средств, предотвращающих несвоевременный запуск ждущего термомультивибратора до окончания времени восстановления, а также оповещающих о готовности к формированию выходного импульса по окончании времени восстановления.
В качестве прототипа выбран ждущий термомультивибратор (см. Дружинин А.Я. Импульсные устройства с электротепловыми элементами. - М.: Радио и связь, 1985, с.31, 32, рис.2.5), содержащий подключенные соответственно к первой и второй шинам питания последовательно соединенные балластный элемент и термозависимый элемент, сопряженный посредством тепловой связи с подогревающим элементом, включенным между прямым выходом триггера и общей шиной, пороговое устройство, подключенное первым входом к выходу источника опорного напряжения, вторым входом (информационным) - к общей точке соединения балластного и термозависимого элементов, а выходом - к входу R триггера, вход S которого подключен к входной шине, при этом инверсный выход триггера соединен с выходной шиной.
В прототипе при поступлении с входной шины на S вход триггера импульса запуска триггер изменяет исходное состояние - на его прямом выходе появляется напряжение высокого логического уровня, в результате воздействия которого подогревающий элемент нагревает термозависимый элемент. В процессе нагрева электрическое сопротивление термозависимого элемента уменьшается, а напряжение на балластном элементе возрастает и при достижении им уровня опорного напряжения пороговое устройство формирует импульс, который, поступая на вход R триггера, возвращает его в исходное состояние, в результате чего на выходной шине формируется прямоугольный импульс напряжения заданной длительности.
Недостатком прототипа является относительно низкая стабильность длительности формируемого выходного импульса напряжения, что обусловлено малой скоростью нарастания напряжения на информационном входе порогового устройства в процессе увеличения температуры термозависимого элемента и, как следствие, длительным временем пребывания этого напряжения при компарировании в зоне неопределенности срабатывания порогового устройства.
Кроме того, недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности вследствие того, что он не содержит технических средств, блокирующих прохождение запускающего импульса от входной шины на S вход триггера до окончания времени восстановления ждущего термомультивибратора, а также оповещающих о готовности к формированию выходного импульса напряжения по окончании времени восстановления. Отрицательным последствием этого является существенное отклонение длительности формируемого выходного импульса напряжения от заданной величины при несвоевременном повторном запуске ждущего термомультивибратора.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение стабильности длительности формируемого выходного импульса напряжения и расширение функциональных возможностей.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в ждущем термомультивибраторе, содержащем входную шину, подключенные соответственно к первой и второй шинам питания последовательно соединенные балластный элемент и первый термозависимый элемент, сопряженный посредством тепловой связи с подогревающим элементом, соединенным входом с выходом триггера и выходной шиной, первое пороговое устройство, подключенное первым входом к выходу первого источника опорного напряжения, а вторым входом - к общей точке соединения балластного и термозависимого элементов предусмотрены следующие отличия: введен преобразователь температура-частота дискретного действия, термозависимый элемент которого сопряжен посредством тепловой связи с подогревающим элементом и первым термозависимым элементом, выход преобразователя температура-частота дискретного действия подключен к первому входу второго порогового устройства через последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и интегратор, второй вход второго порогового устройства подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а выход - к R входу триггера, S вход которого соединен с выходом логического элемента, подключенного первым входом к входной шине, а вторым входом - к выходу первого порогового устройства и к входу узла индикации.
Кроме того, ждущий термомультивибратор отличается тем, что преобразователь температура-частота дискретного действия представляет собой автогенератор, содержащий звуковод, образующий ультразвуковую линию связи между излучающим и приемным пьезоакустическими преобразователями, усилитель мощности, выход которого соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя, предварительный усилитель, соединенный входом с выходом приемного пьезоакустического преобразователя, элемент обратной связи, соединяющий выход предварительного усилителя с входом усилителя мощности, при этом термозависимый элемент, акустическое сопротивление которого резко изменяется при достижении пороговой температуры, включен в разрыв звуковода.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается стабильность длительности формируемого выходного импульса напряжения и расширяются функциональные возможности.
На фиг.1 представлена функциональная схема ждущего термомультивибратора; на фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие работу ждущего термомультивибратора (для наглядности изображения масштабы по осям абсцисс и ординат не соблюдены).
Ждущий термомультивибратор содержит (см. фиг.1): входную шину 1; первую 2 и вторую 3 шины питания; балластный элемент 4; первый термозависимый элемент 5; подогревающий элемент 6; триггер 7; выходную шину 8; первое пороговое устройство 9; первый источник опорного напряжения 10; преобразователь температура-частота дискретного действия 11; второе пороговое устройство 12; фильтр 13; амплитудный детектор 14; интегратор 15; второй источник опорного напряжения 16; логический элемент 17; узел индикации 18.
Преобразователь температура-частота дискретного действия 11 содержит: термозависимый элемент 19; звуковод 20; излучающий 21 и приемный 22 пьезоакустические преобразователи; усилитель мощности 23; предварительный усилитель 24; элемент обратной связи 25.
Балластный элемент 4 и первый термозависимый 5 элемент соединены между собой последовательно и подключены соответственно к первой 2 и второй 3 шинам питания. Первый термозависимый элемент 5 сопряжен посредством тепловой связи с подогревающим элементом 6. Термозависимый элемент 19 преобразователя температура-частота дискретного действия 11 сопряжен посредством тепловой связи с подогревающим элементом 6 и с первым термозависимым элементом 5. Вход подогревающего элемента 6 соединен с выходом триггера 7 и выходной шиной 8. Первый вход первого порогового устройства 9 подключен к выходу первого источника опорного напряжения 10. Второй вход первого порогового устройства 9 подключен к общей точке соединения балластного 4 и термозависимого элементов 5. Выход преобразователя температура-частота дискретного действия 11 подключен к первому входу второго порогового устройства 12 через последовательно соединенные фильтр 13, амплитудный детектор 14 и интегратор 15. Второй вход второго порогового устройства 12 подключен к выходу второго источника опорного напряжения 16. Выход второго порогового устройства 12 подключен к R входу триггера 7. S вход триггера 7 соединен с выходом логического элемента 17. Первый вход логического элемента 17 подключен к входной шине 1. Второй вход логического элемента 17 соединен с выходом первого порогового устройства 9 и входом узла индикации 18.
Звуковод 20 преобразователя температура-частота дискретного действия 11 образует ультразвуковую линию связи между излучающим 21 и приемным 22 пьезоакустическими преобразователями. Выход усилителя мощности 23 соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя 21. Вход предварительного усилителя 24 соединен с выходом приемного пьезоакустического преобразователя 22. Элемент обратной связи 25 соединяет выход предварительного усилителя 24 с входом усилителя мощности 23. Термозависимый элемент 19 преобразователя температура-частота дискретного действия 11 включен в разрыв звуковода 20.
Оконечным устройством узла индикации 18 служит светоизлучающий диод (на фиг.1 не показан). В качестве термозависимого элемента 19 преобразователя температура-частота дискретного действия 11 использован электрический полимерный самовосстанавливающийся предохранитель MULTIFUSE (см., например, Самовосстанавливающие предохранители MULTIFUSE фирмы Bourns. - Радио, 2000, №11, с.49-51). Звуковод 20 изготовлен из стальной или медной проволоки. Равенство температур термозависимых элементов 5, 19 обеспечивается тепловой связью между ними. Первая шина питания 2 используется в качестве общей шины, на вторую шину питания 3 относительно нее подается напряжение положительной полярности. Логический элемент 17 выполняет функцию логического умножения (логический элемент «И»).
Ждущий термомультивибратор работает следующим образом.
0
ВХ
ВЫХ
ТЗЭ
1
В первоначальный момент времени t (см. фиг.2) ждущий термомультивибратор находится в исходном состоянии: с входной шины 1 на первый вход логического элемента 17 поступает напряжение низкого логического уровня U; на выходе логического элемента 17 и на S входе триггера 7 сформировано напряжение низкого логического уровня; на выходе триггера 7 и выходной шине 8 имеется напряжение U низкого логического уровня; подогревающий элемент 6 не нагревается; температура термозависимых элементов 5, 19 Т равна T.
ОП1
ПУ1
В исходном состоянии напряжение на первом входе первого порогового устройства 9 превышает напряжение U на его втором входе, поэтому на выходе первого порогового устройства 9 имеется напряжение высокого логического уровня U, при этом узел индикации 18 формирует сигнал оповещения (например, в виде свечения светоизлучающего диода) о готовности ждущего термомультивибратора к работе - формированию выходного импульса напряжения заданной длительности при поступлении на входную шину 1 запускающего импульса.
ПР
1
В это время излучающий пьезоакустический преобразователь 21 возбуждает в звуководе 20 акустические волны, которые проходят через термозависимый элемент 19 и достигают приемного пьезоакустического преобразователя 22, преобразующего их в электрический сигнал. Этот сигнал, усиленный предварительным усилителем 24, через элемент обратной связи 25 поступает на вход усилителя мощности 23. В результате действия положительной обратной связи в преобразователе температура-частота дискретного действия 11 возникают автоколебания, а на его выходе формируется синусоидальное напряжение U частотой F, поступающее на вход фильтра 13.
Ф
Ф
И
Выходное напряжение фильтра 13 U выпрямляется амплитудным детектором 14. Интегратор 15 сглаживает пульсации выходного напряжения амплитудного детектора 14, в результате чего выходное синусоидальное напряжение фильтра 13 U преобразуется в пропорциональное его амплитуде постоянное выходное напряжение интегратора U.
1
Ф
И
ОП2
И
ПУ2
Частота F лежит вне полосы пропускания фильтра 13, поэтому выходное напряжение фильтра 13 U и интегратора 15 U сравнительно малы. При этом напряжение U, подаваемое с выхода второго источника опорного напряжения 16 на первый вход второго порогового устройства 12, превышает напряжение U, поступающее на его второй вход с выхода интегратора 15, в результате чего на выходе второго порогового устройства 12 формируется напряжение U низкого логического уровня.
1
ВХ
ВЫХ
ТЗЭ
В момент времени t с входной шины 1 на первый вход логического элемента 17 подается импульс запуска U, который, пройдя через логический элемент 17, поступает на S вход триггера 7. Триггер 7 изменяет свое состояние, в результате чего на выходной шине 8 и на входе подогревающего элемента 6 появляется напряжение высокого логического уровня U. Подогревающий элемент 6 начинает нагреваться, что, в свою очередь, повышает температуру термозависимых элементов 5 и 19 Т.
2
ОП1
ПУ1
ВХ
При нагревании электрическое сопротивление термозависимого элемента 5 уменьшается, вследствие этого увеличивается напряжение на балластном элементе 4 и на втором входе первого порогового устройства 9. В момент времени t величина этого напряжения превышает уровень опорного напряжения U, в результате чего на выходе первого порогового устройства 9 и входе узла индикации 18 появляется напряжение U низкого логического уровня. При этом узел индикации 18 формирует сигнал оповещения (например, в виде погасания светоизлучающего диода) о запуске ждущего термомультивибратора, а логический элемент 17 блокирует прохождение запускающего импульса U с входной шины 1 на S вход триггера 7, в результате чего на S входе триггера 7 формируется напряжение низкого логического уровня, однако его состояние не изменяется - на выходе триггера 7 сохраняется напряжение высокого логического уровня.
3
3
ПР
2
2
Ф
И
3
При нагревании термозависимого элемента 19 изменяется кристаллическая структура заполняющего его полимера, поэтому в момент времени t при достижении термозависимым элементом 19 пороговой температуры Т происходит скачкообразное изменение не только его электрического, но и акустического сопротивления и, как следствие, скачкообразное изменение частоты автоколебаний преобразователя температура-частота дискретного действия 11, в результате чего на его выходе появляется синусоидальное напряжение U частотой F. Частота F лежит в полосе пропускания фильтра 13, поэтому выходное напряжение фильтра 13 U и выходное напряжение интегратора 15 U в момент времени t резко увеличиваются.
И
ОП2
ПУ2
3
ВЫХ
ВЫХ
И
При превышении выходным напряжением интегратора 15 U напряжения U на выходе порогового устройства 12 формируется напряжение U высокого логического уровня. Это напряжение, поступая на вход R триггера 7, возвращает его в исходное состояние, в результате чего в момент времени t напряжение на выходе триггера 7 и напряжение на первой выходной шине 8 U вновь спадают до низкого логического уровня, при этом процесс формирования выходного импульса напряжения U длительностью t завершается. Далее происходит процесс восстановления ждущего термомультивибратора до исходного состояния.
3
ВЫХ
ТЗЭ
4
4
5
ТЗЭ
3
1
В момент времени t на вход подогревающего элемента 6 поступает напряжение U низкого логического уровня, блокирующее его работу, однако вследствие инерционности тепловых процессов температура подогревающего элемента 6, а следовательно, и температура термозависимого элемента 19 Т продолжает увеличиваться, а затем, достигнув в момент времени t температуры T, начинает уменьшаться. Когда в момент времени t температура термозависимого элемента 19 Т понижается до Т, акустическое сопротивление термозависимого элемента 19 вновь возвращается к первоначальному значению, в результате чего частота автоколебаний преобразователя температура-частота дискретного действия 11 скачкообразно изменяется до F.
6
2
ОП1
ПУ1
ТЗЭ
1
7
В момент времени t в при достижении термозависимым элементом 5 температуры Т напряжение на первом входе первого порогового устройства 9 становится больше напряжения U на его втором входе, в результате чего на выходе первого порогового устройства 9 формируется напряжение U высокого логического уровня и при дальнейшем уменьшении температуры термозависимых элементов 5, 19 Т до T ждущий термомультивибратор в момент времени t возвращается в исходное состояние, при этом узел индикации формирует сигнал оповещения (например, в виде свечения светоизлучающего диода) о завершении процесса восстановления и готовности ждущего термомультивибратора к работе.
В
3
7
1
2
6
7
ВЫХ
И
ВЫХ
В
1
2
Таким образом, время восстановления t ждущего термомультивибратора занимает временной интервал от t до t. Временными интервалами от t до t и от t до t, определяющими погрешность фиксации узлом индикации 18 момента начала формирования выходного импульса напряжения U и момента возвращения ждущего термомультивибратора в исходное состояние, можно пренебречь в виду их малости по сравнению с длительностью t выходного импульса напряжения U и общим временем восстановления t (на фиг.2 эти временные интервалы преднамеренно увеличены для наглядности изображения), а также в виду несущественной разницы в величинах температур T и T.
И
ВЫХ
ТЗЭ
Длительность t выходного импульса напряжения U ждущего термомультивибратора можно регулировать, изменяя интенсивность повышения температуры термозависимого элемента 19 Т, например, изменяя силу тока, протекающего через подогревающий элемент 6.
и
ВЫХ
И
И
ОП
И
Повышение стабильности длительности t выходного импульса напряжения U в предлагаемом ждущем термомультивибраторе достигается за счет более высокой, чем у прототипа скорости нарастания напряжения U на втором (информационном) входе второго порогового устройства 12, поэтому напряжение U пересекает линию опорного напряжения U под углом α, величина которого близка к 90°, в результате чего при компарировании существенно уменьшается время нахождения напряжения U в зоне неопределенности срабатывания ΔU второго порогового устройства 12, наличие которой обусловлено, в частности, нестабильностью его передаточной характеристики, а также нестабильностью выходного напряжения источника опорного напряжения 16.
Таким образом, предлагаемый ждущий термомультивибратор выгодно отличается от прототипа, так как позволяет формировать более стабильный по длительности выходной импульс напряжения и, кроме того, имеет более широкие функциональные возможности, так как содержит технические средства, предотвращающие несвоевременный запуск ждущего термомультивибратора до окончания времени восстановления, а также оповещающие о готовности к формированию выходного импульса по окончании времени восстановления.
Применение предлагаемого ждущего термомультивибратора в приборах автоматического контроля и регулирования позволит улучшить их точностные характеристики, а также расширить эксплуатационные возможности.