Устройство для автоматического вычисления прямого падения напряжения диодов выпрямительных мостов

 

Изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и радиоизмерительной техники и может быть использовано в информационно-измерительных системах. Изобретение позволяет повысить точность вычислений и уменьшить потребляемую энергию. Устройство содержит n выпрямительных мостов, 2n коммутирующих ячеек, сумматор, инвертирующий усилитель, источник напряжения, измерительный резистор, четыре переключателя и формирователь управляющих импульсов.Работа устройства производится в мультиплексном режиме по командам формирователя управляющих импульсов. Диоды выпрямительных мостов через коммутирующие ячейки поочередно подключаются к источнику напряжения, создавая падение напряжения на измерительном резисторе. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и радиоизмерительной техники и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах и информационно-измерительных системах для автоматического вычисления прямого падения напряжения диодов выпрямительных диодных мостов и полупроводниковых выпрямительных матриц.

Известно устройство для вычисления прямого падения напряжения диодов /см. стр. 44, рис.4-2. / В кн."Справочник по п/п диодам и транзисторам". / Под ред. Н. Н.Горюнова. М."Энергия", 1968г./, содержащее замкнутую цепь из последовательно соединенных генератора тока, измерителя тока и вычисляемого диода, а также параллельно соединенных к диоду блока защиты и измерителя напряжения. Однако такое устройство не обеспечивает автоматизацию процессов вычислений для диодов выпрямительных мостов.

Известно также устройство автоматического контроля /см. стр.245,рис. 11.12 в кн.В.Д.Кудрицкого и др."Автоматизация контроля РЭА", М."Сов.радио", 1977г. / прототип, содержащее блоки управления /формирователь управляющих импульсов/, ввода и вывода, регистрации, связи, а также вычислительная машина, пульт управления и контролируемая аппаратура, причем входы и выходы блока ввода и вывода взаимно подключены к блокам управления, регистрации и связи, а также к пульту управления и вычислительной машине, а входы и выходы контролируемой аппаратуры взаимно подключены к блоку связи. При применении такого устройства для автоматизации процесса вычислений прямого падения напряжения диодов выпрямительных мостов и полупроводниковых выпрямительных матриц необходимо в составе блока связи использовать механические головки, обеспечивающие загрузку матриц, поочередное подключение ко входу устройства всех диодов, находящихся в матрице, и выгрузку матриц. Это приводит к снижению надежности и скорости вычислений. Использование в составе блока связи контактирующих головок-спутников, содержащих множество вычисляемых матриц, потребует применение электронных ключей, что приводит к увеличению погрешности вычислений из-за наличия токов утечки и больших ненормированных падений напряжений на электронных ключах /особенно при больших токах, что требуется пропустить через вычисляемые диоды/. Использование при этом электромеханических переключателей / со своими блоками сопряжения и управления, усложняющие конструкцию/ взамен электронных ключей, хотя и повышает точность вычислений, однако в свою очередь снижает быстродействие, усложняет конструкцию и снижает надежность работы устройства.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. повышение быстродействия и надежности и упрощение конструкции, и дополнительной целью является повышение точности вычислений и уменьшение потребляемой энергии.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее формирователь управляющих импульсов, согласно изобретению введены инвертирующий усилитель, сумматор, источник напряжения, измерительный резистор, четыре переключателя и 2n коммутирующие ячейки /где n число выпрямительных мостов/, каждая из которых содержит транзистор n-р-n-типа, два диода, транзистор р-n-р-типа и резистор, причем выходные диагонали выпрямительных мостов объединены и соединены с переключающими контактами первого и второго переключателей, размыкающий контакт первого переключателя и замыкающий контакт второго переключателя подключены к общей шине, а замыкающий контакт первого и размыкающий контакт второго переключателей подключены к входу инвертирующего усилителя и через измерительный резистор соединены с общей шиной, выход инвертирующего усилителя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к замыкающему контакту третьего и размыкающему контакту четвертого переключателей, переключающий контакт третьего переключателя соединен с минусовым зажимом источника напряжения, а размыкающий контакт подключен к общей шине, переключающий контакт четвертого переключателя соединен с плюсовым зажимом источника напряжения, а замыкающий контакт подключен к общей шине, управляющие входы переключателей с первого по четвертый подключены к соответствующему выходу формирователя управляющих импульсов, входная диагональ i-го выпрямительного моста /i 1, n/ подключена к выходaм /2i 1/-й и 2i-й коммутирующих ячеек соответственно, в каждой коммутирующей ячейке эмиттеры транзисторов соединены с общей шиной, их базы подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих импульсов, коллектор транзистора n-р-n-типа соединен с катодом первого диода, анод которого подключен к одному из выводов резистора, выходу данной коммутирующей ячейки и к катоду второго диода, анод которого соединен с коллектором транзистора р-n-р-типа, другие выводы резисторов всех коммутирующих ячеек объединены и подключены ко второму входу сумматора, выход которого подключен к аналоговому выходу устройства, а синхровыход устройства подключен к соответствующему выходу формирователя управляющих импульсов, а для осуществления дополнительной цели в устройство введены схема сравнения и источник опорного напряжения, причем первый вход схемы сравнения соединен со входом инвертирующего усилителя, второй вход схемы сравнения подключен к выходу источника опорного напряжения, а ее выход подключен к управляющему входу источника напряжения. Такое включение в предлагаемое устройство дополнительных элементов указанным образом позволяет повысить быстродействие и надежность, упростить конструкцию устройства, а также повысить точность вычислений и уменьшить потребляемую энергию.

Патентный поиск подтвердил отсутствие устройств с совокупностью введенных признаков, что несмотря на известность введенных элементов в отдельности свидетельствует о новизне устройства в целом и о существенности отличий предлагаемого устройства.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок связи 1, включающий в свой состав первый 2, второй 3, и т. д. i-й 4 выпрямительные мосты /i1,n /, первую 5, вторую 6, третью 7, четвертую 8 и т.д, /2i- 1/-ю 9 и 2i-ю 10 коммутирующие ячейки, формирователь управляющих импульсов 11, первый 12 и второй 13 переключатели, измерительный резистор 14, инвертирующий усилитель 15, сумматор 16, источник напряжения 17, третий 18 и четвертый 19 переключатели, схему сравнения 22, источник опорного напряжения 23 и имеет аналоговый выход 20 и синхровыход 21. Выпрямительные мосты 2,3,4, содержат по четыре диода 2-1, 2-2, 2-3, 2-4; 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 и 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, соединенные соответственно по мостовой схеме, коммутирующие ячейки 5, 6, 7, 8, 9, 10 содержат резисторы 5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1, 10-1, диоды 5-2, 5-3, 6-2, 6-3, 7-2, 7-3, 8-2, 8-3, 9-2, 9-3, 10-2, 10-3, транзисторы р-n-р-типа 5-5, 6-5, 7-5, 8-5, 9-5, 10-5 и транзисторы n-p-n-типа 5-4, 6-4, 7-4, 8-4, 9-4, 10-4 соответственно.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Большое количество диодных мостов с помощью прижимных контактов блока связи соединяются между собой по минусовым и плюсовым зажимам выходной диагонали и подключаются к первому 12 и второму 13 переключателям соответственно, а входные диагонали мостов присоединяются к выходам соответствующих коммутирующих ячеек. Работа устройства производится в мультиплексном режиме по командам формирователя управляющих импульсов. В начале на базы всех транзисторов n-р-n-типа с формирователя управляющих импульсов подаются логические "1" /положительный потенциал/. На базу транзистора 5-4 n-р-n-типа первой коммутирующей ячейки, а также на базы всех транзисторов р-n-р-типа подается логический "О". При этом первая коммутирующая ячейка разомкнута, а все остальные замкнуты. Поскольку транзисторы и диоды коммутирующих ячеек работают в ключевом режиме, то при этом на выходе первой коммутирующей ячейки появляется выходное напряжение Е источника напряжения, а на выходах всех оставшихся коммутирующих ячеек ввиду наличия прямого падения напряжений на открытых транзисторах и диодах, появляются отличающиеся от нуля напряжения, составляющие десятые доли Вольта. На первый вход первого 2 моста через резистор 5-1 сопротивлением R_к1 поступает выходное напряжение +E источника напряжения 17, которое через вычисляемый диод 2-2 создает прямой ток I_пр1. Этот ток, замыкающийся через второй переключатель 13 и измерительный резистор 14 на землю, на сопротивлении R_изм измерительного резистора создает падение напряжения U_изм1. Оно в свою очередь служит потенциалом смещения для плюсовых выходных зажимов всех моcтов и автоматически надежно запирает все диоды 2-4, 3-2, 3-4,4-2 и 4-4, кроме вычисляемого в данный момент времени диода 2-2.

Таким образом предотвращается возможность открывания этих диодов от наличия остаточных напряжений на входах вычисляемых мостов. Надежно запертое состояние диодов 2-1, 2-3, 3-1, 3-3,4-1 и 4-3 обеспечивается замыканием минусовых выходных зажимов вычисляемых мостов к корпусу через переключатель 12.

Для цепи, состоящей из последовательно соединенных элементов 5-1, 2-2, 13 и 14, подключенной между источником напряжения и корпусом, справедливо соотношение U_пр1 E I_пр1/R_к1 + R_изм/ Учитывая что I_пр1 U_изм1изм/R_изм, для прямого падения напряжения первого диода 2-2 получим При обеспечении условия E>U_прi /что необходимо для регламентирования изменений I_прi в допустимых пределах/ и равенстве сопротивлений резисторов 5-1, 6-1, 7-1, 8-1 и 9-1 /R_к1R_к2 R_кп1 R_к/ в общем случае для любого из вычисляемых диодов прямое падение напряжения может быть определено следующим выражением: Поскольку напряжения U_измi проходят через инвертирующий усилитель 15 и суммируются в сумматоре 16 с напряжением Е источника напряжения 17, то при обеспечении для инвертирующего усилителя коэффициента усиления выходное напряжение U_вых на выходе устройства 20 будет равно прямому падению напряжения i-го вычисляемого диода U_выхi U_прi.

Очевидно, что по значениям выходных напряжений предложенного устройства автоматически вычисляются прямые падения напряжений диодов выпрямительных мостов.

Отсчет выходных напряжений производится тактовыми импульсами синхровыхода 21, которые также содержат информацию о номерах вычисляемого моста и диода.

Вычисление прямого падения напряжения других диодов, подключенных к плюсовым выходным зажимам выпрямительных мостов, производится аналогично вычислению первого 2-2 диода поочередной подачей на соответствующие входы мостов напряжения Е. Для этого поочередно на базы транзисторов n-р-n-типа с формирователя управляющих импульсов подается логический "О". Далее вычисляются падения напряжений диодов, подключенных к минусовым выходным зажимам выпрямительных мостов. При этом на базы транзисторов n-р-n-типа подаются логические "О", на базы транзисторов р-n-р-типа логические "1" /отрицательный потенциал/, а на все четыре переключателя 12, 13, 18 и 19 подается команда и они переключаются. После этого поочередной подачей на базы транзисторов р-n-р-типа логического "О" обеспечивается подача на соответствующие входы вычисляемых мостов напряжения отрицательной полярности -Е, являющегося отпирающим для вычисляемых диодов. Оно вызывает прохождение прямого тока через соответствующий измеряемый диод, переключатель 12 и измерительный резистор 14, падение напряжения на котором и содержит информацию о величине прямого падения напряжения данного диода.

По окончании вычислений процессы повторяются для другого комплекта из n-го количества вычисляемых выпрямительных мостов. С этой целью блок связи следует выполнить в виде сменной конструкции либо предусмотреть в нем параллельную подачу вычисляемых выпрямительных мостов.

Использованием диодов 5-2, 5-3, 6-2, 6-3, 7-2, 7-3, 8-2, 8-3,9-2 и 9-3 в схемах коммутирующих ячеек обеспечивается защита транзисторов n-р-n-типа от отрицательных напряжений и транзисторов р-n-р-типа от положительных напряжений источника напряжения.

Работа устройства по пункту 2 заключается в следующем.

В отличие от устройства по пункту 1, где для регламентирования изменений прямого тока в допустимых пределах, устанавливаемых техническими условиями для конкретного типа вычисляемых диодов, при вычислении прямого падения напряжения требуется обеспечения условия Е>U_прi,здесь использованием схемы сравнения 22 и источника опорного напряжения 23 создается возможность значительно уменьшить величину напряжения Е, что в свою очередь уменьшит потребляемую энергию.

По разности входных напряжений схемы сравнения ее выходным сигналом управляется источник напряжения, изменяя выходное напряжение Е. В результате в устройстве автоматически устанавливается состояние динамического равновесия, при котором обеспечивается равенство входных напряжений схемы сравнения
U_измi U_оп const,
где U_оп выходное напряжение источника опорного напряжения. Очевидно, что при этом поддерживается постоянство прямых токов вычисляемых диодов

что в свою очередь приводит к повышению точности вычислений.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает автоматическое вычисление прямого падения напряжения диодов выпрямительных мостов и полупроводниковых выпрямительных матриц. Благодаря включению в предлагаемом устройстве дополнительных элементов указанным на чертеже образом и одновременным подключением ко входу устройства множества вычисляемых матриц, повышается быстродействие и надежность, упрощается конструкция устройства. Кроме того, в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения, путем автоматической регулировки напряжения источника питания повышается точность вычислений и уменьшается потребляемая энергия.

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического вычисления прямого падения напряжения диодов выпрямительных мостов, содержащее формирователь управляющих импульсов, отличающееся тем, что в него введены инвертирующий усилитель, сумматор, источник напряжения, измерительный резистор, четыре переключателя и 2n коммутирующие ячейки (где n число выпрямительных мостов), каждая из которых содержит транзистор n-p-n типа, два диода, транзистор p-n-p типа и резистор, причем выходные диагонали выпрямительных мостов объединены и соединены с переключающими контактами первого и второго переключателей, размыкающий контакт первого переключателя и замыкающий контакт второго переключателя подключены к общей шине, а замыкающий контакт первого и размыкающий контакт второго переключателей подключены к входу инвертирующего усилителя и через измерительный резистор соединены с общей шиной, выход инвертирующего усилителя подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к замыкающему контакту третьего и размыкающему контакту четвертого переключателей, переключающий контакт третьего переключателя соединен с минусовым зажимом источника напряжения, а размыкающий контакт подключен к общей шине, переключающий контакт четвертого переключателя соединен с плюсовым зажимом источника напряжения, а замыкающий контакт подключен к общей шине, управляющие входы переключателей с первого по четвертый подключены к соответствующему выходу формирователя управляющих импульсов, входная диагональ i-го выпрямительного моста подключена к выходам (2i-1)-той и 2i-той коммутирующих ячеек соответственно, в каждой коммутирующей ячейке эмиттеры транзисторов соединены с общей шиной, их базы подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих импульсов, коллектор транзистора n-p-n типа соединен с катодом первого диода, анод которого подключен к одному из выводов резистора, выходу данной коммутирующей ячейки и к катоду второго диода, анод которого соединен с коллектором транзистора p-n-p типа, другие выводы резисторов всех коммутирующих ячеек объединены и подключены к второму входу сумматора, выход которого подключен к аналоговому выходу устройства, а синхровыход устройства подключен к соответствующему выходу формирователя управляющих импульсов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены схема сравнения и источник опорного напряжения, причем первый вход схемы сравнения соединен с входом инвертирующего усилителя, второй вход схемы сравнения подключен к выходу источника опорного напряжения, а ее выход подключен к управляющему входу источника напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1