УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА ДЛЯ ЗАЗЕМЛЕННОЙ НАГРУЗКИ
CONTROLLED SOURCE OF CURRENT FOR GROUNDED LOAD

Изобретение относится к области автоматики и электроники как средство для управления физическими процессами и может быть использовано в технологиях электрохимических измерений при экологических и океанографических исследованиях.
В управляемых источниках тока для заземленной нагрузки выходной ток, как правило, контролируется на опорном резисторе, включенном последовательно с выходной цепью устройства, и преобразуется в сигнал обратной связи, необходимый для управления выходным током. Основное требование к средству контроля при этом заключается в том, чтобы его контролирующие цепи были весьма высокоомны и ответвляли от выходного тока устройства как можно меньшую часть, чтобы не уменьшить точность управления током.
Измерители, используемые для исследований среды, должны быть не только точны, но и малогабаритны, чтобы чувствовать тонкую структуру этой среды, т.е. устройство должно содержать как можно меньше элементов.
Известны управляемые источники тока для заземленной нагрузки с дифференциальным усилителем [1, с. 134, рис. 7.14]. Для удовлетворения вышеизложенного требования к средству контроля выходного тока можно применить в качестве дифференциального усилителя инструментальный усилитель, что удорожает устройство, либо применить промежуточный усилитель-повторитель, что усложняет схему и создает дополнительную аддитивную погрешность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является управляемый источник тока, приведенный в [1, с. 134, рис.7.15.а)].
н
1
вх
2
3
oп
н
4
5
Прототип, подключенный к заземленной нагрузке R, изображен на фиг. 1 и содержит первый резистор 1 (R), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение U. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R) и к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1), выход которого подключен ко второму выводу второго резистора 2. Неинверсный вход первого операционного усилителя 3 заземлен. Устройство содержит второй операционный усилитель 4 (ОУ2), выход которого через третий резистор 5 (R) подключен к инверсному входу первого операционного усилителя 3 (ОУ1). Выходом устройства является первый вывод опорного резистора 6 (R), который подключается к заземленной нагрузке - сопротивлению R. Второй вывод опорного резистора 6 подключен к выходу первого операционного усилителя 3. Выход устройства через четвертый резистор 7 (R) подключен к инверсному входу второго операционного усилителя 4, неинверсный вход которого заземлен. Инверсный вход второго операционного усилителя 4 и его выход подключены между собой посредством пятого резистора 8(R).
В схеме прототипа [1, с. 134, рис.7.15.а)] показано, что неинверсные входы операционных усилителей подключаются в цепь через балансировочные резисторы, которые уравнивают токи утечки входов этих усилителей. Однако современные микросхемы имеют пренебрежимо малые входные токи, например, с полевыми транзисторами на входе, и достаточно прецизионны [2, с. 351], поэтому балансировочные резисторы на фиг. 1 не показаны.
1
2
yc1.1
вх
ус2
н
2
5
yc1.2
yc1.2
ус2
oп
н
вых
вх
oп
Первый R и второй R резисторы определяют коэффициент усиления (К) первого усилителя ОУ1 по управляющему напряжению U. Пятый R5 и четвертый R4 резисторы определяют коэффициент усиления (К) второго усилителя ОУ2 по напряжению, снимаемому с нагрузки R. Второй R и пятый R резисторы определяют коэффициент усиления (К) первого усилителя ОУ1 по напряжению обратной связи. Коэффициент усиления (К·К) обратной связи, образованной операционными усилителями ОУ1 и ОУ2, устанавливают равным единице. Эта обратная связь является положительной. Опорный резистор R, включаемый последовательно с заземленной нагрузкой R, определяет величину выходного тока I устройства как отношение U/R.
Такие признаки прототипа, как первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, совпадают с существенными признаками заявленного устройства.
Поясним работу прототипа с помощью его структурной схемы, изображенной на фиг. 2.
вх
yc1.1
1
2
1
2
3
вых
oп
н
н
вых
ус2
4
5
yc1.2
3
2
ус2
4
5
Входное управляющее напряжение U с учетом коэффициента усиления первого операционного усилителя ОУ1 по этому входу, К, определяемого соотношением значений первого R и второго R резисторов поступает на первый суммирующий вход управляемого источника тока, представляющий собой инвертирующий сумматор, построенный на первом операционном усилителе ОУ1 и первом R, втором R, и третьем R резисторах. Напряжение с выхода первого операционного усилителя ОУ1 преобразуется в выходной ток I устройства с помощью опорного резистора R и сопротивления нагрузки R. Падение напряжения на нагрузке R, вызванное выходным током I, поступает на инвертирующий усилитель, с коэффициентом усиления К, который построен на втором операционном усилителе ОУ2 и четвертом R и пятом R резисторах. Преобразованное таким образом падение напряжение на нагрузке в напряжение обратной связи поступает на второй суммирующий вход управляемого источника тока, компенсируя влияние нагрузки. При этом произведение коэффициента усиления К первого операционного усилителя ОУ1 по этому второму суммирующему входу, определяемого третьим R и вторым R резисторами, на коэффициент усиления К второго усилителя ОУ2, определяемый четвертым R и пятым R резисторами, устанавливают равным единице.
пр
yc1.2
ус2
С учетом приведенной структурной схемы прототипа можно представить его коэффициент преобразования К следующим образом, учитывая, что К·К=1:
вх
oп
yc1.1
Из полученного выражения видно, что выходной ток прототипа определяется лишь управляющим входным напряжением U и опорным резистором R. Коэффициент усиления К для простоты расчета схемы устанавливают равный единице.
4
5
Недостатком прототипа является то, что в случае высокоомной нагрузки и при малом значении управляемого тока входное сопротивление усилителя обратной связи ограничено, что приводит к ответвлению части управляемого тока, а, значит, и к ошибке управления. Это свойство особенно проявляется при использовании в качестве заземленной нагрузки электродной системы, которая работает в низкопроводящем растворе [3]. Управление током, проходящим через эту систему, осуществляют, контролируя падение напряжения на электродах. Чтобы не снизить точность управления, необходимо увеличить входное сопротивление усилителя обратной связи, т.е. увеличить номиналы четвертого R и пятого R резисторов. Но при этом увеличится аддитивная погрешность второго операционного усилителя ОУ2. (Эта зависимость известна, например, в работе [4, с. 22] сказано, что для уменьшения аддитивной погрешности инверсного усилителя следует уменьшать сопротивление обратной связи и его входное сопротивление) А увеличение аддитивной погрешности ОУ2 снижает точность управления током. В этом заключается техническое противоречие, свойственное прототипу при его работе в таком режиме.
В основу изобретения поставлена задача создания управляемого источника тока для заземленной нагрузки, который обеспечивал бы высокоомный съем сигнала с этой нагрузки, причем без привлечения дополнительных элементных ресурсов, например, согласующего устройства.
Поставленная задача решается тем, что в управляемом источнике тока для заземленной нагрузки, содержащем первый резистор, первый вывод которого является входом устройства, а второй вывод которого подключен к первому выводу второго резистора и к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко второму выводу второго резистора, третий и четвертый резисторы, и опорный резистор, первый вывод которого является выходом устройства, согласно изобретению первый вывод опорного резистора подключен к неинверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен, при этом второй вывод опорного резистора через элемент-повторитель подключен ко второму выводу третьего резистора.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает новое техническое свойство - возможность подачи падения напряжения на заземленной нагрузке непосредственно на неинверсный вход операционного усилителя, который высокоомен из-за наличия глубокой отрицательной связи, причем без привлечения дополнительного усилителя с глубокой отрицательной связью, как выполнено в известных технических решениях [5], [1, с. 134, рис.7.15, б)].
Это новое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - уменьшение искажения сигнала, снимаемого с заземленной нагрузки, за счет увеличения входного сопротивления средства контроля управляемого тока.
Указанный технический результат повышает точность преобразования входного напряжения в выходной ток устройства.
Дополнительным техническим результатом изобретения является упрощение устройства за счет исключения одного из резисторов.
н
1
вх
2
3
4
oп
Заявленный управляемый источник тока, подключенный к заземленной нагрузке R, изображен на фиг. 3 и содержит первый резистор I (R), первый вывод которого является входом устройства, на который подается входное напряжение U. Второй вывод резистора 1 подключен к первому выводу второго резистора 2 (R) и к инверсному входу операционного усилителя 3 (ОУ). Выход операционного усилителя 3 подключен ко второму выводу второго резистора 2 и к первому выводу третьего резистора 4 (R). Второй вывод третьего резистора 4 подключен к первому выводу четвертого резистора 5 (R), второй вывод которого заземлен. Устройство содержит опорный резистор 6 (R), первый вывод которого является выходом устройства и к которому подключен неинверсный вход операционного усилителя 3. Второй вывод опорного резистора 6 через элемент-повторитель 7 (П) подключен ко второму выводу третьего резистора 4.
Поясним работу предложенного устройства с помощью его структурной схемы, приведенной на фиг. 4.
вх
yc1.1
1
2
yc1.1
1
2
yc1.2
2
1
3
4
yc1.2
1
2
3
4
вых
oп
н
н
вых
Входное управляющее напряжение U с учетом коэффициента усиления К операционного усилителя ОУ по этому входу, определяемого соотношением номиналов первого R и второго R резисторов, поступает на суммирующий вход устройства, который представляет собой усилитель с двумя входами - инвертирующий с коэффициентом усиления К, определяемым соотношением номиналов первого R и второго R резисторов, и неинвертирующий с коэффициентом усиления К, определяемым отношением номинала второго R резистора к номиналу первого R резистора плюс единица. Сигнал с ОУ поступает на делитель, выполненный на третьем R и четвертом R резисторах. Соотношение их номиналов выбирают так, чтобы коэффициент передачи этого делителя, умноженный на коэффициент усиления К, был равен единице. Например, при равенстве номиналов первого R и второго R резисторов номиналы третьего R и четвертого R резисторов должны быть тоже равны. Напряжение с делителя поступает на вход элемента-повторителя П. Напряжение с выхода Π преобразуется в выходной ток I устройства с помощью опорного резистора R и нагрузки R. Падение напряжения на заземленной нагрузке R, вызванное выходным током I поступает на неинверсный вход операционного усилителя ОУ, компенсируя влияние этой нагрузки.
пр
С помощью приведенной структурной схемы предложенного управляемого источника тока можно представить его коэффициент преобразования К следующим образом:
3
4
где R и R - номиналы соответственно третьего и четвертого резисторов.
yc1.2
С учетом того, что коэффициент деления делителя, образованного третьим и четвертым резисторами, подбирают так, чтобы его коэффициент деления и коэффициент усиления К операционного усилителя по неинверсному входу образовали единичную положительную обратную связь, выражение (2) в конечном счете примет вид:
вх
oп
yc1.1
oп
откуда видно, что выходной ток предложенного управляемого источника тока определяется лишь управляющим входным напряжением U и опорным резистором R. Некоторое уменьшение коэффициента передачи предложенного устройства по сравнению с прототипом, вызванное коэффициентом передачи делителя, легко компенсируется соотношением значений К и R.
Элемент-повторитель 7 может быть реализован на базе второго операционного усилителя, неинверсный вход которого является входом повторителя. При этом выход этого операционного усилителя подключен к его инверсному входу и является выходом элемента-повторителя 7.
-8
-13
д
3
4
вых
д
Достоинство заявленного управляемого источника тока заключается также в том, что в случае использования в качестве заземленной нагрузки электродной системы повторитель 7 может быть выполнен в виде простого проводника, без привлечения в устройство для выполнения этой функции элементных ресурсов и свойственной им аддитивной погрешности! Это поясняется следующим. При построении измерителей концентраций растворенных веществ с передаточной функцией, использующей основное уравнение электрохимической кинетики, рабочий электрод поляризуют током, близким к токам обмена, который может иметь порядок от 10 до 10А [6, с. 212]. Например, ионоселективные стеклянные электроды имеют электрическое сопротивление более 100 МОм [7, с. 71]. Это значит, что выходной ток, протекающий через нагрузку, значительно меньше тока I, протекающего через делитель, образованный третьим R и четвертым R резисторами (I<<I). Поэтому при такой заземленной нагрузке второй операционный усилитель в качестве элемента-повторителя не нужен.
Для управления электрохимической реакцией на электродах [8. 9] предложенный управляемый источник тока эффективен и удобен.
Он может быть выполнен, например, на прецизионной микросхеме ОРА2107 фирмы Burr-Brown с полевыми транзисторами на входе [10].
Использованные источники:
1. Щербаков В.И., Грездов Г.И. "Электронные схемы на операционных усилителях". Справочник, Киев, "Технiка", 1983.
2. Достал И. "Операционные усилители". Пер. с англ. - М.: Мир, 1982.
3. Патент Украины № 74422 на изобретение, МПК 7 G01N27/28, G01N27/48. Цифровий перетворювач концентрацii розчиненого кисню полярографiчного типу. Автор Кирющенко И.Г. Заявка № 2003098113, дата подачи 01.09.2003. Опубл.15.12.2005, бюл. № 12.
4. Гутников B.C. "Интегральная электроника в измерительных устройствах". 2-е изд., Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988.
5. William W. Goldsworthy and Ray G. Clem. Bipolar Digipotentiogrator for Electroanalytical Uses. Direct Conversion of Charge to a Digital Number.// Analytical Chemistry, Vol. 44, No. 8, July 1972.
6. Антропов Л.И. "Теоретическая электрохимия". 2-е изд., Москва, Изд-во "Высшая школа", 1969.
7. Камман К. Работа с ионселективньгмй электродами / Пер. с нем., под ред. док. хим. наук О.М.Петрухина - М.: Мир, 1980.
-2
8. Кирющенко И.Г. Обоснование режима работы сульфидселективных электродов в зондирующих приборах для измерения показателя активности сульфид-ионов рS/И.Г.Кирющенко//Сборник научных трудов СНИЯЭиП.-Севастополь: Изд-во СНИЯЭиП, 2006. - Вып. 14 - С.61.
9. Кирющенко И.Г. Методы потенциометрии с компенсацией влияния электрода сравнения/И.Г.Кирющенко//Матёриалы XIV международной конференции ученых Украины, Белоруссии, России - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 11-15 сентября 2006 г. - С. 173.
10. Linear Products, Вurr - Brown, 1999.