ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДВУСТОРОННИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЯ С КОНТРОЛЛЕРОМ ТОКА В НАГРУЗКЕ

Полезная модель относится к области электротехники и промышленной электроники, а именно к устройствам двустороннего ограничения амплитуды положительных и отрицательных полуволн переменного синусоидального, импульсного и других форм напряжения с контролем токе в нагрузке.
Известны устройства [1-4], осуществляющие двустороннее ограничение амплитуды положительных и отрицательных полуволн переменного синусоидального, импульсного и других форм напряжения.
Известен аналог [3] - Патент на полезную модель №101295 РФ, МПК H03K 12/00. Амплитудный ограничитель с контроллером защиты / Агафонов Ю.М., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. // Изобретения и полезные модели. - 2011. - №1. Схема аналога [3] представлена в Приложении №1 к данному описанию.
Устройство включает в себя (см. Приложение №1): два компенсационных стабилизатора напряжения, в каждый из которых входят кремниевый стабилитрон, защитный диод и регулирующий биполярный транзистор, зашунтированный диодом; кремниевые стабилитроны обоих компенсационных стабилизаторов напряжения включены последовательно и встречно через один балластный резистор, установленный между ними; спаренный переменны резистор, каждый резистор которого включен параллельно кремниевым стабилитронам; средние выводы - ползунки спаренного переменного резистора по своей конструкции механически закреплены на одной поворотной оси и электрически подсоединены к защитным диодам регулирующих биполярных транзисторов; оба компенсационных стабилизатора напряжения включены на общую нагрузку, включенную между ними; контроллер защиты от коротких замыканий в нагрузке, состоящий из двух опорных диодов со своими ограничительными резисторами и двух защитных биполярных транзисторов, базы которых подключены к катодам соответствующих опорных диодов, коллекторы - к анодам соответствующих кремниевых стабилитронов, а эмиттеры - к эмиттерам соответствующих регулирующих биполярных транзисторов обоих компенсационных стабилизаторов напряжения.
Аналог [3] имеет существенные недостатки (см. Приложение №1):
1. Спаренный переменный резистор аналога обеспечивает на нагрузке только одинаковые по амплитуде напряжения положительной и отрицательной полуволн с точностью не превышающей ±5%. Это происходит ввиду того, что спаренный переменный резистор обеспечивает синхронность изменения величины каждого из своих переменных резисторов с точностью не превышающей 5% - в наилучшем случае. Разница амплитуд напряжений положительной и отрицательной полуволн на выходе амплитудного ограничителя в 5% и более является весьма существенной, а в ряде случаев просто не приемлемой.
2. В аналоге невозможно задать различные по величине уровни ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения (например, +10 В и -5 В), так как их величины задаются двумя переменными резисторами, которые спарены, т.е. средние выводы -ползунки переменных резисторов находятся на одной общей оси, что показано на схеме аналога в Приложении №1 штриховой линией. На практике необходимость различных по величине уровней ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения встречается достаточно часто.
3. Аналог не дает информации: по положительной или по отрицательной полуволне выходного напряжения произошло короткое замыкание в нагрузке?
Известен прототип [4] - Патент на полезную модель №122534 РФ. МПК Н03К 12/00. Прецизионный ограничитель амплитуды напряжения / Карпов Е.Б., Карпов И.Е., Карпова Т.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Акиншин Р.Н. и др. // Изобретения и полезные модели. - 2012. - №33. Схема прототипа [4] представлена в Приложении №2 к данному описанию.
Устройство включает в себя (см. Приложение №2): два компенсационных стабилизатора напряжения, в каждый из которых входят кремниевый стабилитрон, защитный диод и регулирующий биполярный транзистор, зашунтированный диодом; кремниевые стабилитроны обоих компенсационных стабилизаторов напряжения включены последовательно и встречно через один балластный резистор, установленный между ними; два независимых друг от Друга прецизионных подстроенных многооборотных резистора марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%, которые подключены параллельно кремниевым стабилитронам, а их средние выводы подключены к защитным диодам регулирующих биполярных транзисторов; оба компенсационных стабилизатора напряжения включены на общую нагрузку, включенную между ними; контроллер защиты от коротких замыканий в нагрузке, состоящий из двух опорных диодов со своими ограничительными резисторами и двух защитных биполярных транзисторов, базы которых подключены к катодам соответствующих опорных диодов, коллекторы - к анодам соответствующих кремниевых стабилитронов, а эмиттеры - к эмиттерам соответствующих регулирующих биполярных транзисторов обоих компенсационных стабилизаторов напряжения; два включенных встречно и параллельно сигнальных светодиода, которые через общий ограничительный резистор подключены к выходу устройства.
В указанном прототипе [4] устранены недостатки аналога, но анализ опыта эксплуатации прототипа выявил его существенный недостаток (см. Приложение №2):
В прототипе контроллер защиты от коротких замыканий в нагрузке, выполненный на двух опорных диодах со своими ограничительными резисторами и двух защитных биполярных транзисторах, успешно реализована защита устройства только от коротких замыканий в нагрузке по положительной и по отрицательной полуволне ограниченного напряжения. На практике часто встречаются случаи, когда в нагрузке нет короткого замыкания, но ток в нагрузке при положительной или при отрицательной полуволне ограниченного напряжения превышает допустимые значения и прототип выходит из строя.
Существенный недостаток прототипа - невозможность задания и контроля допустимого тока в нагрузке ограничителя амплитуды напряжения когда короткого замыкания в нагрузке нет.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа - обеспечение возможности раздельного задания и регулирования допустимого тока в нагрузке при положительных и отрицательных полуволнах ограниченного напряжения, что приводит к отключению из работы устройства при токах в нагрузке больше допустимых, сохраняя работоспособность полезной модели.
Поставленная техническая задачи достигаются тем, что в полезную модель - «Прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке», содержащий два компенсационных стабилизатора напряжения, в каждый из которых входят кремниевый стабилитрон, защитный диод и регулирующий биполярный транзистор, зашунтированный диодом, кремниевые стабилитроны обоих компенсационных стабилизаторов напряжения включены последовательно и встречно через один балластный резистор, установленный между ними, причем оба компенсационных стабилизатора напряжения включены на общую нагрузку между ними, два независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резистора марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%, крайние выводы которых подключены параллельно кремниевым стабилитронам, а средние выводы соединены через соответствующие защитные диоды с базами регулирующих биполярных транзисторов, два включенных встречно и параллельно сигнальных светодиода, которые через общий ограничительный резистор подключены к выходу устройства, введен контроллер тока в нагрузке при положительных и отрицательных полуволнах ограниченного напряжения, состоящий из двух маломощных тиристоров, у которых аноды подключены к катодам двух кремниевых стабилитронов, катоды тиристоров - к анодам кремниевых стабилитронов, а управляющие электроды тиристоров через два ограничительных резистора тока управления тиристорами подключены к средним выводам двух измерительных подстроечных резисторов, которые своими крайними выводами включены в разрывы цепей анодов двух кремниевых стабилитронов и коллекторов двух регулирующих биполярных транзисторов.
Введение в полезную модель контроллера тока в нагрузке, состоящего из двух маломощных тиристоров, двух ограничительных резисторов тока управления тиристорами и двух измерительных подстроечных резисторов, обеспечило возможность раздельного задания и регулирования допустимого тока в нагрузке при положительных и отрицательных полуволнах ограниченного напряжения, что приводит к отключению из работы устройства при токах в нагрузке больше допустимых, сохраняя работоспособность полезной модели.
На фиг. изображена принципиальная электрическая схема полезной модели - прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке.
Прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке (см. фиг.) включает в себя: кремниевые стабилитроны 1 и 2, включенные встречно и последовательно через один балластный резистор 3, подключены ко входу устройства; параллельно кремниевым стабилитронам 1 и 2 подключены два не зависимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резистора 4 и 5 марки «Bourns» 3540S - 4,7к0 м ±0,1%, средние выводы - ползунки которых подсоединены к катодам защитных диодов 6 и 7, соответственно; аноды защитных диодов 6 и 7 соединены с базами регулирующих биполярных n-p-n транзисторов 8 и 9, соответственно; коллекторы регулирующих биполярных n-p-n транзисторов 8 и 9 подключены через измерительные подстроечные резисторы 18 и 17 к нижней и верхней входным клеммам устройства, соответственно; выводы эмиттера и коллектор регулирующих n-p-n биполярных транзисторов 8 и 9 зашунтированы диодами 10 и 11, соответственно, аноды которых подключены к эмиттерам, а катоды - к коллекторам регулирующих биполярных n-p-n транзисторов 8 и 9, соответственно; эмиттер регулирующего биполярного n-p-n транзистора 9 и анод шунтирующего диода 11 соединены с верхним по схеме выводом нагрузки 12, а эмиттер регулирующего биполярного n-p-n транзистора 8 и анод шунтирующего диода 10 соединены с нижним по схеме выводом нагрузки 12; тиристоры 13 и 14 включены параллельно и встречно кремниевым стабилитронам 1 и 2, соответственно; ограничительные резисторы 15 и 16 тока управления тиристорами 13 и 14 своими выводами подключены к средним выводам измерительных подстроечных резисторов 17 и 18 и к управляющим электродам тиристоров 13 и 14, соответственно; два включенных параллельно и встречно сигнальных светодиода 19 и 20, которые через общий ограничительный резистор 21 подключены к выходу устройства.
Полезная модель - прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке (см. фиг.) может работать в следующих режимах:
1. Режим №1 (см. фиг.) - работа полезной модели при поддержании на выходе устройства различных или одинаковых значений амплитуд положительных  и отрицательных  полуволн напряжения при условии, что ток в нагрузке при положительных  и отрицательных  полуволнах ограниченного напряжения не превышает допустимых значений тока. Этот режим по аналогии с прототипом является режимом настройки амплитуд напряжений  и  на выходе устройства.
При работе полезной модели в режиме №1 параллельно нагрузке 12 подключается цифровой мультиметр с классом точности - 0,1%, который на фиг. не показан, а на вход устройства подается постоянное напряжение положительной или отрицательной полярности.
При положительной полярности входного напряжения (положительный потенциал на верхней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 1 работает в режиме открытого диода, а кремниевый стабилитрон 2 - в режиме стабилизации. Часть потенциала катода кремниевого стабилитрона 2 снимается со среднего вывода (ползунка) прецизионного подстроечного многооборотного резистора 5 и через открытый защитный диод 7 подается на базу регулирующего n-p-n биполярного транзистора 9. Через нагрузку 12 сверху вниз протекает ток по цепи: верхняя входная клемма, низкоомный (не влияет на процессы в схеме) измерительный подстроечный резистор 17, коллектор - эмиттер регулирующего биполярного n-p-n транзистора 9, нагрузка 12, открытый шунтирующий диод 10, низкоомный (не влияет на процессы в схеме) измерительный подстроечный резистор 18, нижняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 6 предотвращает пробой регулирующего биполярного n-p-n транзистора 8, который в данный момент времени зашунтирован открытым диодом 10. Изменяя положение ползунка прецизионного подстроечного многооборотного резистора 5 по цифровому мультиметру устанавливается на нагрузке 12 требуемое ограниченное по амплитуде положительное напряжение  с точностью около ±0,1%.
При отрицательной полярности входного напряжения (положительный потенциал на нижней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 1 работает в режиме стабилизации, а кремниевый стабилитрон 2 - в режиме открытого диода. Часть потенциала катода кремниевого стабилитрона 1 снимается со среднего вывода (ползунка) прецизионного подстроенного многооборотного резистора 4 и через открытый защитный диод 6 подается на базу регулирующего биполярного n-p-n транзистора 8. Через нагрузку 12 снизу вверх протекает ток по цепи: нижняя входная клемма, низкоомный измерительный подстроечный резистор 18 (не влияет на процессы в схеме), коллектор - эмиттер регулирующего биполярного n-p-n транзистора 8, нагрузка 12, открытый шунтирующий диод 11, низкоомный измерительный подстроечный резистор 17 (не влияет на процессы в схеме), верхняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 7 предотвращает пробой регулирующего биполярного n-p-n транзистора 9, который в данный момент времени зашунтирован открытым диодом 11. Изменяя положение ползунка прецизионного подстроечного многооборотного резистора 4 по цифровому мультиметру устанавливается на нагрузке 12 требуемое ограниченное по амплитуде отрицательное напряжение  с точностью около ±0,1%.
В рассмотренном режиме №1 ползунки двух независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резисторов 4 и 5 устанавливаются таким образом, что выполняются условия  или  с точностью около ±0,1%.
2. Режим №2 (см. фиг.) - работа полезной модели при настройке допустимых токов в нагрузке  и  при положительных и отрицательных полуволнах ограниченного напряжения. Этот же режим является и режимом работы контроллера тока в нагрузке, обеспечивающим выполнение условий для положительных  и отрицательных  токов в настройке.
упр.
При работе полезной модели в режиме №2 вместо нагрузки 12 к устройству подключаются включенная последовательно цепь, состоящая из трех элементов: диод нагрузки, реостат нагрузки и цифровой мультиметр с классом точности - 0,1%, которые на фиг. не показаны, а средние выводы (ползунки) измерительных подстроечных резисторов 17 и 18 установлены в крайние левые по схеме положения (падение напряжения между средним и левым по схеме выводами резисторов 17 и 18 равно нулю - управляющее напряжение тиристоров 13 и 14 U=0). На вход устройства подается постоянное напряжение положительной или отрицательной полярности.
упр.
упр.
упр.
упр.откр.
При положительной полярности входного напряжения (положительный потенциал на верхней по схеме входной клемме) - диод нагрузки устанавливается в положение - «открыт» при рассматриваемой полярности, а реостат нагрузки - в максимальное сопротивление. Физические процессы в полезной модели те же, что и рассмотренные в режиме №1 при положительной полярности входного напряжения (см. режим №1). Изменяя величину сопротивления реостата нагрузки по цифровому мультиметру устанавливают значение допустимого тока в нагрузке , в этот момент управляющее напряжение тиристоров 13 и 14 остается U=0 (положение ползунков измерительных подстроечных резисторов 17 и 18 - крайнее левое по схеме). В рассматриваемом случае кремниевый стабилитрон 1 работает в режиме открытого диода и шунтирует тиристор 13, а тиристор 14 - закрыт, хотя , но остается U=0. Передвигая ползунок измерительного подстроечного резистора 18 вправо по схеме увеличиваем управляющее напряжение тиристора 14, при достижении величины управляющего напряжения открывающего значения U-Uтиристор 14 - открывается и шунтирует кремниевый стабилитрон 2, закрывается регулирующий биполярный n-p-n транзистор 9 и напряжение на нагрузке и ток в нагрузке стремятся к нулю, то есть  и , соответственно. Сигнальный светодиод 19 прекращает излучение.
упр
упр.
упр.
упр.откр.
При отрицательной полярности входного напряжения (положительный потенциал на нижней по схеме входной клемме) -диод нагрузки устанавливается в положение - «открыт» при рассматриваемой полярности, а реостат нагрузки предварительно устанавливается в максимальное сопротивление. Физические процессы в полезной модели те же, что и рассмотренные в режиме №1 при отрицательной полярности входного напряжения (см. режим №1). Изменяя величину сопротивления реостата нагрузки по цифровому мультиметру устанавливают значение допустимого тока в нагрузке , в этот момент управляющее напряжение тиристоров 13 остается U=0 (положение ползунка измерительного подстроечного резистора 17 - крайнее левое по схеме), в рассматриваемом случае кремниевый стабилитрон 2 работает в режиме открытого диода и шунтирует тиристор 14, а тиристор 13 - закрыт, хотя , но остается U=0. Передвигая ползунок измерительного подстроечного резистора 17 вправо по схеме увеличиваем управляющее напряжение тиристора 13, при достижении величины управляющего напряжения открывающего значения U=U тиристор 13 - открывается и шунтирует кремниевый стабилитрон 1, закрывается регулирующий биполярный n-p-n транзистор 8 и напряжение на нагрузке и ток в нагрузке стремятся к нулю, то есть  и , соответственно. Сигнальный светодиод 20 прекращает излучение.
Введение в полезную модель контроллера тока в нагрузке, состоящего из двух маломощных тиристоров 13 и 14, двух ограничительных резисторов 15 и 16 тока управления тиристорами 13 и 14 и двух измерительных подстроенных резисторов 17 и 18, обеспечило возможность раздельного задания и регулирования допустимого тока в нагрузке при положительных и отрицательных полуволнах ограниченного напряжения, что приводит к отключению из работы устройства при токах в нагрузке больше допустимых, сохраняя работоспособность полезной модели.
ст
В прецизионном двустороннем ограничителе амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке (см. фиг.) применены следующие компоненты: 1 и 2 - два кремниевых стабилитрона марки КС515Г (U=15 В); 3 - балластный резистор номинала 330 Ом; 4 и 5 - два независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резистора марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%; 6 и 7 - два защитных диода марки КД103А; 8 и 9 - два регулирующих биполярных n-p-n транзистора марки КТ815А; 10 и 11 - два шунтирующих диода марки КД212 В; 13 и 14 - два маломощных тиристора марки КУ101Б; 15 и 16 - два ограничительных резистора тока управления тиристоров номинала 5,1 кОм; 17 и 18 - два измерительных подстроечных резистора номинала 1 Ом; 19 и 20 - два сигнальных светодиода АЛ307А и АЛ307В; 21 - ограничительный резистор номинала 330 Ом (жирным шрифтом указаны названия элементов, введенных в полезную модель - прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке).
Предложенный «Прецизионный двусторонний ограничитель амплитуды напряжения с контроллером тока в нагрузке», обладает совокупностью существенных признаков, не известных в подобных устройствах, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию - «новизна».
В научно-исследовательской лаборатории информационных технологий Тульского института экономики и информатики разработана конструкторская документация на полезную модель и изготовлены опытные образцы, которые прошли успешные испытания в научно-исследовательской лаборатории информационных технологий и на кафедре информационных технологий института. Заявленная полезная модель может быть неоднократно воспроизведена на современном оборудовании и применена по назначению, что подтверждает соответствие полезной модели критерию - «промышленная применимость».
Источники информации
1. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Мощный компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель // Изв. вузов. Приборостроение. 1991. Т.34, №7. С.53-55.
2. Патент на полезную модель №69357 РФ. МПК Н03К 12/00. Компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель / Агафонов Ю.М., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С. // Изобретения и полезные модели. - 2007. - №34.
3. Патент на полезную модель №101295 РФ, МПК Н03К 12/00. Амплитудный ограничитель с контроллером защиты / Агафонов Ю.М., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. // Изобретения и полезные модели. - 2011. - №1 - аналог.
4. Патент на полезную модель №122534 РФ. МПК Н03К 12/00. Прецизионный ограничитель амплитуды напряжения / Карпов Е.Б., Карпова Т.Е., Карпов И.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И., Акиншин Р.Н. и др. // Изобретения и полезные модели. - 2012. - №33 - прототип.