ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и промышленной электроники, а именно к устройствам двустороннего ограничения амплитуды положительных и отрицательных полуволн переменного синусоидального, импульсного или других форм напряжений.
Известны устройства [1-3], осуществляющие двустороннее ограничение амплитуды положительных и отрицательных полуволн переменного синусоидального, импульсного или других форм напряжений.
Известен аналог [2] - Патент на полезную модель №69357 РФ. Схема аналога [2] представлена в Приложении №1 к данному описанию. Устройство включает в себя (см. Приложение №1): два кремниевых стабилитрона, включенных встречно и последовательно через один балластный резистор ко входу устройства; параллельно кремниевым стабилитронам подключены спаренные переменные резисторы (средние выводы - ползунки двух переменных резисторов механически закреплены на одной поворотной оси); средние выводы (ползунки) спаренных переменных резисторов подсоединены к анодам защитных диодов, катоды которых соединены с базами регулирующих биполярных транзисторов; коллекторы двух регулирующих биполярных транзисторов подключены к нижней и верхней входным клеммам устройства, а переходы эмиттер-коллектор регулирующих биполярных транзисторов зашунтированы диодами, аноды которых подключены к коллекторам, а катоды к эмиттерам регулирующих биполярных транзисторов; эмиттеры регулирующих биполярных транзисторов соединены с нагрузкой, включенной между ними.
Аналог имеет существенный недостаток - отсутствие защиты устройства при коротких замыканиях в нагрузке по положительной или по отрицательной полуволне выходного напряжения устройства.
Известен прототип [3] - Патент на полезную модель №101295 РФ. Схема прототипа [3] 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; спаренные переменные резисторы, каждый резистор которого включен параллельно кремниевым стабилитронам; средние выводы - ползунки спаренных переменных резисторов по своей конструкции механически закреплены на одной поворотной оси и электрически подсоединены к анодам защитных диодов, катоды которых соединены с базами регулирующих биполярных транзисторов; оба компенсационных стабилизатора напряжения включены на общую нагрузку 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.
В прототипе устранен недостаток аналога, т.е. осуществлена защита работоспособности устройства при коротких замыканиях в нагрузке, как по положительной, так и по отрицательной полуволне выходного напряжения прототипа. Анализ опыта эксплуатации прототипа выявил еще три его недостатка (см. Приложение №2):
1. Спаренные переменные резисторы прототипа (впрочем как и в аналоге) обеспечивают на нагрузке одинаковые по амплитуде напряжения положительной и отрицательной полуволн с точностью не превышающей ±5% [4]. Это происходит ввиду того, что спаренные переменные резисторы в прототипе обеспечивают синхронность изменения величины каждого из своих переменных резисторов с точностью [4] не превышающей 5% - в наилучшем случае. Разница амплитуд напряжений положительной и отрицательной полуволн на выходе двустороннего амплитудного ограничителя в 5% и более является весьма существенной, а в ряде случаев просто не приемлемой.
2. В прототипе (впрочем как и в аналога) 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 спаренных переменных резисторов, что показано на схеме прототипа в Приложении №2 штриховой линией (та же ситуация наблюдается и в аналоге - см. Приложение №1.). На практике необходимость различных по величине уровней ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения встречается достаточно часто.
3. Прототип не дает информации: по положительной или по отрицательной полуволне выходного напряжения произошло короткое замыкание в нагрузке.
Целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей, точности и информативности прототипа, для чего соответственно решаются три задачи:
1. Снижения на порядок разницы (погрешности) амплитуд напряжений положительной и отрицательной полуволн на выходе устройства, когда амплитуды полуволн выходного сигнала должны быть одинаковы.
2. Обеспечения возможности задания на выходе устройства различных по величине требуемых уровней ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения с высокой точностью.
3. Индикации в полезной модели факта возникновения неисправности - короткого замыкания в нагрузке, как по положительной, так и по отрицательной полуволне выходного напряжения устройства.
Поставленные задачи достигается тем, что в прецизионный ограничитель амплитуды напряжения, 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, 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, введены 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 с анодами соответствующих защитных диодов регулирующих биполярных транзисторов, два включенных встречно и параллельно светодиода АЛ307А и АЛ307В, которые через общий ограничительный резистор подключены к выходу устройства.
Исключение из полезной модели двух переменных резисторов, которые спарены, т.е. средние выводы - ползунки переменных резисторов находятся на одной общей механической оси спаренных переменных резисторов и введение в полезную модель:
- двух независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резисторов марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%, крайние выводы которых подключены параллельно кремниевым стабилитронам, а средние выводы соединены с анодами соответствующих защитных диодов регулирующих биполярных транзисторов;
- двух включенных встречно и параллельно светодиодов АЛ307А (красного свечения) и АЛ307В (зеленого свечения), которые через общий ограничительный резистор подключены к выходу устройства;
обеспечило:
1. Снижение на порядок разницы (погрешности) амплитуд напряжений положительной и отрицательной полуволн на выходе устройства, когда амплитуды полуволн выходного сигнала должны быть одинаковы.
2. Возможность задания на выходе устройства различных по величине требуемых уровней ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения с высокой точностью.
3. Индикацию в полезной модели факта возникновения неисправности - короткого замыкания в нагрузке, как по положительной, так и по отрицательной полуволне выходного напряжения устройства.
На фиг. изображена принципиальная электрическая схема полезной модели - прецизионный ограничитель амплитуды напряжения.
Прецизионный ограничитель амплитуды напряжения (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 отдельных (не зависимых друг от друга) прецизионных подстроечных многооборотных резистора 4 и 5 марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%; средние выводы (ползунки) двух прецизионных подстроечных многооборотных резисторов 4 и 5 подсоединены к анодам защитных диодов 6 и 7, соответственно, катоды которых соединены с базами регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9, соответственно; коллекторы регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9 подключены к нижней и верхней входным клеммам устройства, соответственно, а переходы эмиттер-коллектор регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9 зашунтированы диодами 10 и 11, аноды которых подключены к коллекторам, а катоды - к эмиттерам регулирующих биполярных транзисторов 8 и 9, соответственно; эмиттер регулирующего биполярного транзистора 9 и катод шунтирующего диода 11 соединены с верхним по схеме выводом нагрузки 12, а эмиттер регулирующего биполярного транзистора 8 и катод шунтирующего диода 10 соединены с нижним по схеме выводом нагрузки 12; опорные диоды 13 и 14, включенные параллельно и встречно через ограничительные резисторы 15 и 16, соответственно, подключены ко входу устройства; защитные биполярные транзисторы 17 и 18 базами подключены к катодам опорных диодов 13 и 14, соответственно; эмиттер защитного биполярного транзистора 17 подключен к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 8, а коллектор - к аноду кремниевого стабилитрона 1; эмиттер защитного биполярного транзистора 18 подключен к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 9, а коллектор - к аноду кремниевого стабилитрона 2; два включенных параллельно и встречно светодиода АЛ307А 19 и АЛ307В 20 - красного и зеленого свечения, соответственно, через общий ограничительный резистор 21 подключены к выходу устройства.
Полезная модель - прецизионный ограничитель амплитуды напряжения (см. фиг.) может работать в следующих режимах:
1. Режим №1 - работа полезной модели при поддержании на выходе устройства одинаковой амплитуды положительных и отрицательных полуволн при отсутствии короткого замыкания в нагрузке (см. фиг.).
Короткого замыкания в нагрузке нет, а на выходе устройства необходимо обеспечить равные амплитуды напряжений положительной и отрицательной полуволн  с точностью около ±0,1%. При настройке полезной модели параллельно нагрузке 12 подключается цифровой мультиметр с классом точности не ниже 0,1%, который на фиг. не показан. При положительной полярности входного напряжения (положительный потенциал на верхней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 1 работает в режиме стабилизации, а кремниевый стабилитрон 2 - в режиме открытого диода. Часть потенциала анода кремниевого стабилитрона 1 снимается со среднего вывода (ползунка) прецизионного подстроечного многооборотного резистора 4 с точностью около ±0,1% и через открытый защитный диод 6 подается на базу регулирующего биполярного транзистора 8. Через нагрузку 12 сверху вниз протекает ток по цепи: верхняя входная клемма, открытый шунтирующий диод 11, нагрузка 12, переход эмиттер-коллектор регулирующего биполярного транзистора 8, нижняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 7 предотвращает пробой регулирующего биполярного 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 положительное напряжение  c точностью около ±0,1%. При отрицательной полярности входного напряжения (положительный потенциал на нижней по схеме входной клемме) кремниевый стабилитрон 2 работает в режиме стабилизации, а кремниевый стабилитрон 1 - в режиме открытого диода. Часть потенциала анода кремниевого стабилитрона 2 снимается со среднего вывода (ползунка) прецизионного подстроечного многооборотного резистора 5 с точностью около ±0,1% и через открытый защитный диод 7 подается на базу регулирующего биполярного транзистора 9. Через нагрузку 12 снизу вверх протекает ток по цепи: нижняя входная клемма, открытый шунтирующий диод 10, нагрузка 12, эмиттер-коллектор регулирующего биполярного транзистора 9, верхняя входная клемма устройства. Закрытый защитный диод 6 предотвращает пробой регулирующего биполярного 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 отрицательное напряжение  c точностью около ±0,1%. В рассмотренном режиме ползунки двух независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резисторов 4 и 5 устанавливаются таким образом, что выполняется условие  с точностью около ±0,1%. В этом режиме светодиоды 19 и 20 светятся красным и зеленым светом, соответственно, с одинаковой яркостью.
2. Режим №2 - работа полезной модели при поддержании на выходе устройства различных значений амплитуд положительных и отрицательных полуволн при отсутствии короткого замыкания в нагрузке (см. фиг.).
Короткого замыкания в нагрузке нет, а на выходе устройства необходимо обеспечить разные амплитуды напряжений положительной полуволны  и отрицательной полуволны  с точностью около ±0,1% от заданных значений, причем в данном режиме . Разница рассматриваемого режима и режима №1 в том, что ползунком прецизионного подстроечного многооборотного резистора 4 устанавливается требуемое значение  с точностью около ±0,1%, а ползунком прецизионного подстроечного многооборотного резистора 5 устанавливается требуемое значение  с точностью около ±0,1%, причем . Например, можно произвести настройку так, что , а и т.д. В последнем случае светятся тоже оба светодиода, но яркость свечения светодиода 19 будет несколько выше яркости свечения светодиода 20.
3. Режим №3 - работа полезной модели при коротком замыкании в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения устройства (см. фиг.).
Входной положительный потенциал с верхней по схеме входной клеммы через открытый шунтирующий диод 11 и короткозамкнутую по положительной полуволне нагрузку 12 прикладывается к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 8 и к эмиттеру защитного биполярного транзистора 17 контроллера защиты. Следует отметить, что при отсутствии контроллера защиты регулирующий биполярный транзистор 8 сразу бы вышел из строя (сгорел), но такого не происходит, так как в данном случае переход эмиттер-коллектор защитного биполярного транзистора 17 контроллера защиты шунтирует кремниевый стабилитрон 1, т.к. на переход база-эмиттер защитного биполярного транзистора 17 подается прямое падение напряжения с открытого через ограничительный резистор 15 опорного диода 13 контроллера защиты. Кремниевый стабилитрон 1 оказывается зашунтированным открытым защитным биполярным транзистором 17 контроллера защиты (падение напряжения на кремниевом стабилитроне 1 становится близким к нулю), и регулирующий биполярный транзистор 8 закрывается. Таким образом, сохраняется работоспособность регулирующего биполярного транзистора 8 и всей полезной модели, а ток короткого замыкания в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения стремится к нулю. Светодиод красного свечения 19 гаснет, сигнализируя короткое замыкание в нагрузке по положительной полуволне, а светодиод зеленого свечения 20 продолжает светиться.
4. Режим №4 - работа полезной модели при коротком замыкании в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения устройства (см. фиг.).
Входной положительный потенциал с нижней по схеме входной клеммы через открытый шунтирующий диод 10 и короткозамкнутую по отрицательной полуволне нагрузку 12 прикладывается к эмиттеру регулирующего биполярного транзистора 9 и к эмиттеру защитного биполярного транзистора 18 контроллера защиты. Следует отметить, что при отсутствии контроллера защиты регулирующий биполярный транзистор 9 сразу бы вышел из строя (сгорел), но такого не происходит, так как в данном случае переход эмиттер-коллектор защитного биполярного транзистора 18 контроллера защиты шунтирует кремниевый стабилитрон 2, т.к. на переход база-эмиттер защитного биполярного транзистора 18 подается прямое падение напряжения с открытого через ограничительный резистор 16 опорного диода 14 контроллера защиты. Кремниевый стабилитрон 2 оказывается зашунтированным открытым защитным биполярным транзистором 18 контроллера защиты (падение напряжения на кремниевом стабилитроне 2 становится близким к нулю), и регулирующий биполярный транзистор 9 закрывается. Таким образом, сохраняется работоспособность регулирующего биполярного транзистора 9 и всей полезной модели, а ток короткого замыкания в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения стремится к нулю. Светодиод зеленого свечения 20 гаснет, сигнализируя короткое замыкание в нагрузке по отрицательной полуволне, а светодиод красного свечения 19 - светится.
5. Режим №5 - работа полезной модели при коротком замыкании в нагрузке как по положительной так и по отрицательной полуволне выходного напряжения устройства (см. фиг.).
Принцип работы полезной модели при коротком замыкании в нагрузке при положительной полуволне выходного напряжения описан выше в режиме №3 - регулирующий биполярный транзистор 8 закрывается. Принцип работы устройства при коротком замыкании в нагрузке при отрицательной полуволне выходного напряжения описан выше в режиме №4 - регулирующий биполярный транзистор 9 закрывается. В рассматриваемом режиме не светятся оба светодиода 19 и 20. Таким образом, сохраняется работоспособность всей полезной модели, а ток короткого замыкания в нагрузке при положительной и отрицательной полуволнах выходного напряжения стремится к нулю за счет контролера защиты, выполненного на элементах 13-18. При устранении всех типов коротких замыканий в нагрузке контроллер защиты переходит в исходное состояние, а полезная модель переходит в рабочее состояние, установленное в режиме №1 или режиме №2.
Исключение из прототипа спаренных переменных резисторов и введение в полезную модель (см. фиг.) двух независимых друг от друга прецизионных подстроечных многооборотных резисторов 4 и 5 марки «Bourns» 3540S - 4,7 кОм ±0,1%, двух светодиодов 19 и 20, ограничительного резистора 21, обеспечило:
1. Снижение (с 5% до 0,1%) на порядок разницы (погрешности) амплитуд напряжений положительной и отрицательной полуволн на выходе устройства, когда амплитуды положительных и отрицательных полуволн выходного сигнала должны быть одинаковы.
2. Возможность задания на выходе устройства различных по величине требуемых уровней ограничения положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения с высокой точностью - около 0,1%.
3. Светодиодную индикацию полезной моделью короткого замыкания в нагрузке устройства как по положительной, так и по отрицательной полуволне выходного напряжения полезной модели.
ст
В прецизионном ограничителе амплитуды напряжения (см. фиг.) применены следующие компоненты: 1 и 2 - два кремниевых стабилитрона 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 КД103А; 8 и 9 - два регулирующих биполярных транзистора КТ814А; 10 и 11 - два шунтирующих диода КД212В; 13 и 14 - два опорных диода контроллера защиты КД103А; 15 и 16 - два ограничительных резистора контроллера защиты номинала 470 Ом; 17 и 18 - два защитных германиевых биполярных транзистора контроллера защиты ГТ313А; 19 и 20 - два светодиода АЛ307А и АЛ307В - красного и зеленого свечения, соответственно; 21 - ограничительный резистор номинала 330 Ом.
Использованная литература
1. Анкудинов А.И., Кравец В.И., Анкудинов К.А. Мощный компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1991. Т.34, №7. С.53-55.
2. Патент на полезную модель №69357 РФ, МПК H03K 12/00. Компенсационный двусторонний амплитудный ограничитель. / Агафонов Ю.М., Анкудинов К.А., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов А.И. // Опубл. 10.12.2007, Бюл. №34 - аналог.
3. Патент на полезную модель №101295 РФ, МПК H03K 12/00. Амплитудный ограничитель с контроллером защиты. / Агафонов Ю.М., Агафонов Д.О., Акиншин Р.Н., Акиншин Н.С., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. // Опубл. 10.01.2011, Бюл. №1 - прототип.
4. Резисторы: Справочник / В.В.Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я.Пратусевич и др.; Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова. - 2 изд., перераб. и доп. - М.; Радио и связь, 1991. - 528 с.