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., Пронин Е.М. Импульсная тензометрия. - М.: Энергия, 1976, рис. 32 на стр 45 [1]), 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. 7.16, стр. 558 [2]), 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 также 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 [3]), 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 НОЗК 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 отрицательного напряжений подаются на операционный усилитель через транзисторные управляемые ключи, управляющие сигналы, на которые подаются от формирователя управляющих напряжений, на вход которого поступают входные сигналы.
Недостатком его является конечное (не идеальное) значение прямого сопротивления и конечное (не идеальное) значение остаточного напряжения. Остаточное напряжение его определяется выражением
ист
где U - напряжение источника, питающего электрическую цепь,
1
2
3
6
R,R,R- сопротивления электрической цепи, R - сопротивление в цепи отрицательной обратной связи и K - коэффициент усиления операционного усилителя. В сложившемся реальном понимании прямое сопротивление здесь отсутствует. Косвенно его можно определить как
R2
где I - сила электрического тока, протекающего через сопротивление R2. Недостатком его является наличие прямого сопротивления коммутатора и наличие остаточного напряжения, значения которых имеется возможность уменьшить.
Задача, на решении которой направлено изобретение, состоит в уменьшении значения прямого сопротивления и в уменьшении значения остаточного напряжения управляемого коммутатора элементов электрической цепи.
Это достигается тем, что в 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, в частности, 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, 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 положительного напряжения операционного усилителя и выходом первого источника питающего постоянного напряжения, второй - между выводом для отрицательного напряжения операционного усилителя и выходом второго источника питающего постоянного напряжения, формирователь управляющих напряжений для управляемых ключей, первый выход которого соединен со входом управления первого управляемого ключа, второй выход формирователя соединен со входом управления второго управляемого ключа, на вход формирователя подаются входные сигналы, общая шина его заземлена, введен дополнительный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с общим выводом второго, четвертого резисторов и инвертирующего входа имеющегося операционного усилителя, с выходом последнего соединен неинвертирующий вход дополнительного операционного усилителя, к выходу его подключен свободный вывод четвертого резистора, вывод для положительного питающего напряжения дополнительного операционного усилителя соединен с общим выводом первого управляемого ключа и выводом имеющегося операционного усилителя для подключения положительного питающего напряжения, вывод для отрицательного питающего напряжения дополнительного операционного усилителя подключен к общему выводу второго управляемого ключа и выводу имеющегося операционного усилителя для подключения отрицательного питающего напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1).
ВХ
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. Оба инвертирующих входа двух операционных усилителей 4 и 5 соединены со свободным выводом резистора 2. Неинвертирующий вход первого из них (4) заземлен, а выход подключен к неинвертирующему входу второго (5) операционного усилителя. Между выходом его и общим выводом резистора 2 и двух инвертирующих входов включен резистор 6 (резистор, в цепи отрицательной обратной связи). К сводному выводу резистора 1 подключен выход источника 7 напряжения, питающего электрическую цепь. Общая шина этого источника заземлена. В коммутаторе также имеются источник 8 постоянного положительного напряжения и источник 9 постоянного отрицательного напряжения, общие шины которых заземлены. Между выходом источника 8 и общим выводом двух выводов для подключения положительного питающего напряжения операционных усилителей включен управляемый ключ 10, а между выходом источника 9 и общим выводом двух выводов для подключения отрицательного питающего напряжения операционных усилителей - управляемый ключ 11. Управляющий вход ключа 10 соединен с первым выходом формирователя 12 управляющих напряжений, а управляющий вход ключа 11 - со вторым выходом этого формирователя, общая шина формирователя заземлена. На вход формирователя 12 управляющих напряжений подаются входные сигналы е.
ВХ
При отсутствии входного сигнала формирователя 12 управляющих напряжений (е=0) на каждом из двух его выходов напряжение отсутствует, и оба управляемых ключа находятся в разомкнутом состоянии. Это исходное состояние схемы.
ВХ
общ
4
5
Управляемый коммутатор элементов электрической цепи работает следующим образом. При воздействии входного сигнала (е≠0) на вход формирователя 12 управляющих импульсов управляющие напряжения с обоих выходов этого формирователя переводят управляемые ключи 10 и 11 в проводящие состояние и на операционные усилители через них подаются питающие постоянные напряжения положительной и отрицательной полярности с выходов двух источников 8 и 9 постоянного напряжения. При большом коэффициенте усиления операционного усилителя в общем случае разностное напряжение между двумя его входами стремится к нулю. В данном случае в схеме имеются два операционных усилителя 4 и 5, их общий коэффициент усиления K равен произведению коэффициентов усиления K и K каждого операционного усилителя
Тогда в еще большей степени разностное напряжение между двумя входами операционного усилителя 4 стремится к нулю. Неинвертирующий вход его заземлен, тогда имеется эффект подключения неинвертирующего входа и подключенного к нему вывода коммутируемого резистора 2 к «земле» (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. Оно равно
ист
где U - напряжение источника 7, питающего электрическую цепь,
1
2
3
6
4
5
R,R,R - сопротивления резисторов 1, 2 и 3, R - сопротивление резистора 6 в цепи отрицательной обратной связи. Это остаточное напряжение получается исчезающе малым, т.к. в знаменателе (4) находится произведение двух коэффициентов усиления K и K, имеющих, как известно, весьма большие значения.
В сложившемся реальном понимании прямое сопротивление в рассматриваемой схеме управляемого коммутатора отсутствует. Косвенно его можно определить как
R2
2
где I - сила электрического тока через сопротивление R.
4
5
Значение прямого сопротивления тоже получается исчезающе малым, т.к. знаменатель в (5) представляет собой произведение весьма больших значений K и K.
4
5
Операционные усилители и в прототипе, и в рассматриваемой схеме можно выбрать одинаковыми, тогда K=K и K=K. Сопоставление формул (1) и (4), а также (2) и (5) показывает, что остаточное напряжение и прямое сопротивление в рассматриваемой схеме во много раз меньше, чем в прототипе из-за наличия в знаменателях в (4) и (5) коэффициента усиления.
ВХ
После окончания входного сигнала (е=0) управляемые ключи 10 и 11 переходят в непроводящее состояние и операционные усилители 4 и 5 отключаются от питающих источников 8 и 9. Тогда коммутируемый резистор 2 отключен от «земли» и отделяется от «земли» несколькими р-n переходами транзисторов операционных усилителей в непроводящем электрический ток состоянии. Для увеличения значения обратного сопротивления можно выбрать операционные усилители с полевыми транзисторами на входе. В общем случае значения обратных сопротивлений в прототипе и в рассматриваемой схеме сопоставимы между собой.
Таким образом, управляемый коммутатор элементов электрической цепи позволяет существенно уменьшить значения остаточного напряжения и прямого сопротивления относительно известных схемотехнических решений.