АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОМУЛЬТИВИБРАТОР
SELF-VIBRATING THERMO-MULTI-VIBRATOR

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 автоколебательные термомультивибраторы, в которых для формирования выходных импульсов заданной длительности и периода следования используются нестационарные тепловые процессы, сопровождающиеся изменением температуры времязадающего элемента (см., например, Дружинин А.Я. Генераторы импульсов с термозависимыми времязадающими элементами. М: Энергия, 1973, с.62-70, рис.29, 33-35). В отличие от устройств аналогичного назначения, использующих электрические, магнитные, электромеханические или пневматические времязадающие элементы, автоколебательные термомультивибраторы с тепловыми обратными связями позволяют формировать выходные импульсы большой длительности и периода следования при малых габаритах и массе времязадающего элемента.
Недостатком известных автоколебательных термомультивибраторов является относительно низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов. Одной из причин этого является малая скорость изменения напряжения на информационном входе их пороговых устройств при нагревании и охлаждении термозависимого элемента, следствием чего является продолжительное время пребывания этого напряжения в зонах неопределенности срабатывания пороговых устройств и небольшая точность задания ими моментов формирования фронта и спада выходных импульсов в процессе компарирования.
Кроме того, функциональные возможности известных автоколебательных термомультивибраторов ограничены, так как они, как правило, формируют периодическую последовательность только прямоугольных импульсов напряжения.
В качестве прототипа выбран автоколебательный термомультивибратор (см. Дружинин А.Я. Импульсные устройства с электротепловыми элементами. - М.: Радио и связь, 1985, с.41, рис.2.12,a), содержащий устройство управления, состоящее из подключенных соответственно к общей шине и шине питания последовательно соединенных балластного элемента и термозависимого элемента, сопряженного посредством тепловой связи с подогревающим элементом, включенным между инверсным выходом триггера и общей шиной, первое и второе пороговые устройства, подключенные первыми входами к выходу первого и второго источников опорного напряжения соответственно, а вторыми входами (информационными) - к общей точке соединения балластного и термозависимого элементов, при этом выходы первого и второго пороговых устройств подключены к S и R входам триггера соответственно, прямой выход которого соединен с выходной шиной.
макс
мин
В прототипе при высоком логическом уровне напряжения на инверсном выходе триггера термозависимый элемент нагревается от подогревающего элемента, что ведет к росту выходного напряжения устройства управления. При температуре термозависимого элемента, равной Т, выходное напряжение устройства управления достигает порогового значения и первое пороговое устройство формирует сигнал, изменяющий состояние триггера, в результате чего подогревающий элемент обесточивается и охлаждается. Следствием этого является охлаждение термозависимого элемента и уменьшение выходного напряжения устройства управления. При температуре термозависимого элемента, равной Т, выходное напряжение устройства управления достигает второго порогового значения и второе пороговое устройство формирует сигнал, возвращающий триггер в исходное состояние, вследствие чего термозависимый элемент вновь нагревается. В результате периодической повторяемости этих процессов на выходной шине формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжения заданной длительности и периода следования.
Недостатком прототипа является относительно низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, что обусловлено малой скоростью нарастания и спада напряжения на информационном входе первого и второго пороговых устройств при изменении температуры термозависимого элемента устройства управления, следствием чего является длительное время пребывания этого напряжения в зонах неопределенности срабатывания первого и второго пороговых устройств и небольшая точность задания ими моментов формирования фронта и спада выходных импульсов в процессе компарирования.
Кроме того, функциональные возможности прототипа ограничены формированием периодической последовательности только прямоугольных импульсов напряжения, что можно считать его недостатком.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение стабильности длительности и периода следования выходных импульсов напряжения, а также расширение функциональных возможностей.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в автоколебательном термомультивибраторе, содержащем триггер, подключенный первым выходом к первой выходной шине и к входу подогревающего элемента, сопряженного посредством тепловой связи с термозависимым элементом устройства управления, второй выход триггера подключен ко второй выходной шине, S вход триггера соединен с выходом первого порогового устройства, подключенного первым входом к выходу первого источника опорного напряжения, R вход триггера соединен с выходом второго порогового устройства, подключенного первым входом к выходу второго источника опорного напряжения, предусмотрены следующие отличия: выход устройства управления соединен с третьей выходной шиной и подключен ко второму входу первого и второму входу второго пороговых устройств через первый и второй преобразователи частота-напряжение соответственно, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтр, амплитудный детектор и интегратор, при этом выход фильтра первого преобразователя частота-напряжение подключен к четвертой выходной шине, а выход фильтра второго преобразователя частота-напряжение подключен к пятой выходной шине.
Кроме того, автоколебательный термомультивибратор отличается тем, что устройство управления представляет собой автогенераторный преобразователь температура-частота дискретного действия, 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 и периода следования выходных импульсов напряжения, а также расширяются функциональные возможности.
На фиг.1 представлена функциональная схема автоколебательного термомультивибратора; на фиг.2 изображены временные диаграммы, поясняющие работу автоколебательного термомультивибратора (для наглядности изображения масштабы по осям абсцисс и ординат не соблюдены).
Автоколебательный термомультивибратор содержит (см. фиг.1): триггер 1; первую выходную шину 2; подогревающий элемент 3; устройство управления 4; вторую выходную шину 5; первое пороговое устройство 6; первый источник опорного напряжения 7; второе пороговое устройство 8; второй источник опорного напряжения 9; третью выходную шину 10; первый 11 и второй 12 преобразователи частота-напряжение; четвертую 13 и пятую 14 выходные шины.
Первый преобразователь частота-напряжение 11 содержит: фильтр 15; амплитудный детектор 16; интегратор 17. Второй преобразователь частота-напряжение 12 содержит: фильтр 18; амплитудный детектор 19; интегратор 20.
Устройство управления 4 содержит: термозависимый элемент 21; звуковод 22; излучающий 23 и приемный 24 пьезоакустические преобразователи; усилитель мощности 25; предварительный усилитель 26; элемент обратной связи 27.
Первый выход триггера 1 подключен к первой выходной шине 2 и к входу подогревающего элемента 3. Подогревающий элемент 3 сопряжен посредством тепловой связи с термозависимым элементом 21 устройства управления 4. Второй выход триггера 1 подключен ко второй выходной шине 5. S вход триггера 1 соединен с выходом первого порогового устройства 6. Первый вход первого порогового устройства 6 подключен к выходу первого источника опорного напряжения 7. R вход триггера 1 соединен с выходом второго порогового устройства 8. Первый вход второго порогового устройства 8 подключен к выходу второго источника опорного напряжения 9. Выход устройства управления 4 соединен с третьей выходной шиной 10 и подключен ко второму входу первого 6 и второму входу второго 8 пороговых устройств через первый 11 и второй 12 преобразователи частота-напряжение соответственно. Выход фильтра 15 первого преобразователя частота-напряжение 11 подключен к четвертой выходной шине 13. Выход фильтра 18 второго преобразователя частота-напряжение 12 подключен к пятой выходной шине 14.
Звуковод 22 образует ультразвуковую линию связи между излучающим 23 и приемным 24 пьезоакустическими преобразователями. Выход усилителя мощности 25 соединен с входом излучающего пьезоакустического преобразователя 23. Вход предварительного усилителя 26 соединен с выходом приемного пьезоакустического преобразователя 24. Элемент обратной связи 27 соединяет выход предварительного усилителя 26 с входом усилителя мощности 25. Термозависимый элемент 21 включен в разрыв звуковода 22.
В качестве термозависимого элемента 21 использован электрический полимерный самовосстанавливающийся предохранитель MULTIFUSE (см., например, Самовосстанавливающие предохранители MULTIFUSE фирмы Bourns. - Радио, 2000, №11, с.49-51).
Автоколебательный термомультивибратор работает следующим образом.
0
ТЗЭ
1
ВЫХ1
ТЗЭ
В момент времени t (см. фиг.2) температура термозависимого элемента 21 Т равна T, при этом на первом выходе триггера 1 и первой выходной шине 2 сформировано напряжение U высокого логического уровня, которое поступает на вход подогревающего элемента 3, в результате чего подогревающий элемент 3 нагревается и повышает температуру термозависимого элемента 21 Т.
УУ
1
В это же время излучающий пьезоакустический преобразователь 23 возбуждает в звуководе 22 акустические волны, которые проходят через термозависимый элемент 21 и достигают приемного пьезоакустического преобразователя 24, преобразующего их в электрический сигнал. Этот сигнал, усиленный предварительным усилителем 26, через элемент обратной связи 27 подается в фазе на вход усилителя мощности 25. В результате действия положительной обратной связи в устройстве управления 4 возникают автоколебания, а на его выходе формируется синусоидальное напряжение U частотой F, поступающее на вход первого 11 и вход второго 12 преобразователей частота-напряжение.
1
УУ
Ф1
Ф2
Ф1
Ф2
И1
И2
И1
И2
ОП1
И1
ОП2
И2
Значение частоты F лежит в полосе пропускания фильтра 15, но вне полосы пропускания фильтра 18, поэтому синусоидальное напряжение U проходит через фильтр 15 беспрепятственно, а фильтром 18 существенно ослабляется. Выходное напряжение фильтра 15 U выпрямляется амплитудным детектором 16, а выходное напряжение фильтра 18 U - амплитудным детектором 19. Интегратор 17 сглаживает пульсации выходного напряжения амплитудного детектора 16, а интегратор 20 - амплитудного детектора 19. В результате этого выходное синусоидальное напряжение фильтра 15 U и фильтра 18 U преобразуется в пропорциональное их амплитудам постоянное выходное напряжение интеграторов 17, 20 U и 11 соответственно. Выходное напряжение интегратора 17 U существенно превышает выходное напряжение интегратора 20 U, выходное напряжение первого источника опорного напряжения 7 U меньше выходного напряжения интегратора 17 U, выходное напряжение второго источника опорного напряжения 9 U больше выходного напряжения интегратора 20 U, поэтому на выходе первого порогового устройства 6 формируется напряжение высокого логического уровня, а на выходе второго порогового устройства 8 - низкого логического уровня. Выходные напряжения первого 6 и второго 8 пороговых устройств, поступая соответственно на S и R входы триггера 1, поддерживают его в исходном состоянии.
1
ТЗЭ
2
УУ
2
В момент времени t температура термозависимого элемента 21 Т достигает величины Т, при которой изменяется кристаллическая структура заполняющего его полимера. В результате этого происходит скачкообразное изменение не только электрического, но и акустического сопротивления термозависимого элемента 21 и, как следствие, скачкообразное изменение частоты автоколебаний устройства управления 4, в результате чего на его выходе появляется синусоидальное напряжение U частотой F.
2
Ф2
И2
1
Ф1
И1
И2
ОП2
И1
ОП1
Значение частоты F лежит в полосе пропускания фильтра 18, но вне полосы пропускания фильтра 15, поэтому выходное напряжение фильтра 18 U и выходное напряжение интегратора 20 U в момент времени t резко увеличиваются, а выходное напряжение фильтра 15 U и выходное напряжение интегратора 17 U резко уменьшаются. В результате этого выходное напряжение интегратора 20 U становится больше выходного напряжения второго источника опорного напряжения 9 U, а выходное напряжение интегратора 17 U становится меньше выходного напряжения первого источника опорного напряжения 7 U, вследствие чего на выходе второго порогового устройства 8 формируется напряжение высокого логического уровня, а на выходе первого порогового устройства 6 - низкого логического уровня.
1
ВЫХ1
ВЫХ2
ВЫХ1
В момент времени t напряжение высокого логического уровня, поступающее на R вход триггера 1, изменяет его состояние на противоположное, при этом на первом выходе триггера 1 и первой выходной шине 2 формируется напряжение U низкого логического уровня, а на втором выходе и второй выходной шине 5 формируется напряжение U высокого логического уровня. Напряжение U низкого логического уровня, поступая на вход подогревающего элемента, блокирует его работу, вследствие этого подогревающий элемент 3 и термозависимый элемент 21 начинают охлаждаться.
2
ТЗЭ
1
1
В момент времени t температура термозависимого элемента 21 Т понижается до T и его акустическое сопротивление вновь возвращается к первоначальному значению, в результате чего частота автоколебаний устройства управления 4 вновь скачкообразно изменяется до F, при этом на выходе первого порогового устройства 6 появляется напряжение высокого логического уровня, а на выходе второго порогового устройства 8 - низкого логического уровня, вследствие чего триггер 1 вновь изменяет свое состояние на противоположное.
ВЫХ1
ВЫХ2
УУ
1
2
ПЕР
ВЫХ1
ВЫХ2
Ф1
Ф2
1
2
Ф1
Ф2
В результате периодической повторяемости этих процессов на первой 2 и второй 5 выходных шинах формируются последовательности противофазных прямоугольных импульсов напряжения U и U соответственно, на третьей выходной шине 10 формируется синусоидальное частотно-манипулированное напряжение U, частота которого скачкообразно изменяется от F до F с периодичностью, равной периоду следования t прямоугольных импульсов напряжения U и U. Кроме того, с такой же периодичностью на четвертой 13 и пятой 14 выходных шинах формируются противофазные импульсы напряжения U и U с частотами заполнения F и F соответственно (напряжениями U и U вне полосы пропускания фильтров 15 и 18 можно пренебречь в виду малости их величин).
И
ПЕР
ВЫХ1
ВЫХ2
И1
И2
И1
И2
ОП1
ОП2
1
1
2
2
И1
И2
1
2
ВЫХ1
ВЫХ2
1
2
ОП1
ОП2
Повышение стабильности длительности t и периода следования t выходных импульсов напряжения U и U в предлагаемом автоколебательном термомультивибраторе достигается за счет более высокой, чем у прототипа скорости нарастания и спада напряжений U и U на информационном входе первого 6 и второго 8 пороговых устройств соответственно, поэтому напряжения U и U пересекают соответствующие линии опорных напряжений U и U под углами α, β и α, β, близкими к 90°, в результате чего существенно уменьшается время нахождения напряжений U и U в зоне неопределенности срабатывания ΔU и ΔU первого 6 и второго 8 пороговых устройств соответственно, а следовательно, повышается точность задания моментов формирования фронта и спада выходных импульсов напряжения U и U при компарировании. Наличие зон неопределенности ΔU и ΔU обусловлено, в частности, нестабильностью передаточной характеристики первого 6 и второго 8 пороговых устройств, а также нестабильностью выходных напряжений U и U первого 7 и второго 9 источников опорного напряжения соответственно.
ВЫХ1
ВЫХ2
УУ
Ф1
Ф2
1
2
Таким образом, предлагаемый автоколебательный термомультивибратор выгодно отличается от прототипа, так как формирует на первой 2 и второй 5 выходных шинах более стабильные по длительности и периоду следования противофазные прямоугольные импульсы напряжения U и U, и, кроме того, он имеет более широкие функциональные возможности за счет формирования на третьей выходной шине 10 синусоидального частотно-манипулированного напряжения U, а на четвертой 13 и пятой 14 выходных шинах - противофазных импульсов напряжения U и U с частотами заполнения F и F соответственно.
Применение предлагаемого автоколебательного термомультивибратора в приборах автоматического контроля и регулирования позволит улучшить их точностные характеристики и расширить эксплуатационные возможности.