генератор переменного тока

Формула изобретения

Генератор переменного тока, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом генератора, полевой транзистор, отличающийся тем, что в него введены второй полевой транзистор, прецизионный шунт, два операционных усилителя и измерительный усилитель, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей подключены к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к сигнальным выводам прецизионного шунта, выход которого является выходом для подключения нагрузки, а вход подключен к общей точке соединения истоков транзисторов, стоки которых соединены соответственно с положительным и отрицательным источниками питания, а затворы подключены соответственно к выходу второго и третьего операционных усилителей, инвертирующие входы которых соединены соответственно с отрицательным и положительным источниками напряжения смещения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах диагностики и контроля электрических величин.

Так, например, для поверки счетчиков электрической энергии существуют автоматические установки, состоящие из блока фиктивной мощности и эталонного ваттметра-счетчика (“Установка для регулировки и поверки электронных счетчиков электрической энергии” УАПС-1, разработчик НПФ “Промприбор”, г.Нижний Новгород). Блок фиктивной мощности такой установки включает в себя блок напряжений, который выдает выходное стабилизированное напряжение, и блок токов, задающий переменный (50-60 Гц) ток, изменяющийся в пределах от единиц миллиампер до десятков ампер. В качестве блоков-токов в таких установках обычно используются усилитель мощности с трансформатором на выходе. Любые изменения сопротивления нагрузки в цепи тока вызывают изменения тока и приходится усложнять схемотехническое решение установки и программные способы для уменьшения зависимости тока от изменения нагрузки.

Известен источник постоянного тока, взятый в качестве прототипа предлагаемого технического решения, с использованием операционного усилителя (ОУ) и МОП-транзистора, в котором ток I_H в нагрузке определяется, как I_H=U_вх/R_н (П.Хорович, У.Хилл “Искусство схемотехники”, т.1, с.389). Существующие в настоящее время операционные усилители, полевые транзисторы и прецизионные шунты (резисторы) позволяют создавать источник постоянного тока с погрешностью до тысячных долей процента.

Однако такие устройства источника тока не позволяют получать на выходе переменный ток.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей генераторов постоянного тока на основе операционных усилителей и МОП-транзисторов путем создания прецизионного генератора переменного тока.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в генератор постоянного тока, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом генератора, полевой транзистор, дополнительно введены второй полевой транзистор, прецизионный шунт, два операционных усилителя и один измерительный (инструментальный) усилитель, неинвертирующие входы второго и третьего операционного усилителя подключены к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к сигнальным выводам прецизионного шунта, выход которого является выходом для подключения нагрузки, а вход подключен к общей точке соединения истоков транзисторов, стоки которых соединены соответственно с положительным и отрицательным источниками питания, а затворы подключены соответственно к выходу второго и третьего операционных усилителей, инвертирующие входы которых соединены соответственно с отрицательным и положительным источниками напряжения смещения.

На фиг.1 представлена принципиальная схема генератора переменного тока; на фиг.2-3 представлены эпюры сигналов, поясняющие работу генератора.

Генератор переменного тока (см. фиг.1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 операционные усилители, измерительный усилитель 4, первый 5 и второй 6 полевые транзисторы и прецизионный шунт 7, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1 является входом генератора U_вх, неинвертирующие входы второго 2 и третьего 3 операционного усилителя подключены к выходу первого операционного усилителя 1, инвертирующий вход которого соединен с выходом измерительного 4 усилителя, инвертирующий и неинвертирующий входы которого подключены к сигнальным выводам прецизионного шунта 7, выход U_вых которого является выходом для подключения нагрузки 8 (R_н), а вход подключен к общей точке соединения истоков транзисторов 5 и 6, стоки которых соединены соответственно с отрицательным -U_п, и положительным +U_п, источниками питания, а затворы подключены соответственно к выходу второго 2 и третьего 3 операционных усилителей, инвертирующие входы которых соединены соответственно с отрицательным “-U_см” и положительным “+U_см” источниками напряжения смещения.

Устройство работает следующим образом.

При подаче входного переменного синусоидального напряжения на неинвертирующий вход ОУ 1 при прохождении положительной ветви входного напряжения транзистор 5 открыт для прохождения сигнала, а транзистор 6 закрыт для прохождения сигнала. Поэтому “положительная” цепочка тока проходит через источник питания “+U_п”, транзистор 5, шунт 7, нагрузку R_н и общую шину. При прохождении отрицательной ветви синусоидального входного напряжения транзистор 5 закрыт для прохождения сигнала, а транзистор 6 открыт для прохождения сигнала. Поэтому “отрицательная” цепочка тока проходит через источник питания “-U_п”, транзистор 6, шунт 7, нагрузку R_н и общую шину. Операционные усилители 1 и 2 работают в качестве буферных усилителей для сигнала и источников смещения для полевых транзисторов 5 и 6, которые включены так, что когда транзистор 5 открыт для прохождения сигнала, второй транзистор 6 закрыт и наоборот, а на выходе устройства (на нагрузке) получаем переменный ток высокой точности. Это обусловлено тем, что при протекании переменного тока I через прецизионный шунт 7 на последнем создается падение напряжения, которое снимается через измерительный усилитель 4 и сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе операционного усилителя 1, пропорционально току I, который не зависит ни от параметров транзисторов 5-6, ни от нагрузки 8, а зависит только от входного напряжения U_вх.

Источники смещения Uсм выбираются таким образом, чтобы полевые транзисторы были близки к отпиранию (см. фиг.2) и через них протекал бы минимальный ток (единицы микроампер). Это необходимо для того, чтобы не было нелинейных искажений в виде ступеньки при переходе синусоидального сигнала через нуль (см. фиг.3). Сигнал обратной связи для ОУ 1 снимается со специальных сигнальных выводов прецизионного шунта 7 (чтобы исключить влияние сопротивления подводящих проводов) через инструментальный операционный усилитель 4.

Предлагаемый генератор переменного тока может быть выполнен на базе следующих элементов. Операционные и измерительный усилители 1-4: усилители типа LTC 2051/LTC 2052 фирмы LINEAR TECHNOLOGY, США. Полевые транзисторы 5-6: канальные МОП-транзисторы соответственно типа IRF3205 и IRF4905, фирмы International Rectifier, США. Структура измерительного усилителя аналогична структуре, приведенной в книге “Операционные усилители и интегральные схемы”, Р.Кофлинг, Ф.Дрискол, изд. “Мир”, 1979 г., с.148.

Все это позволяет создать при использовании современной элементной базы прецизионный генератор (источник) переменного тока, который может быть использован в устройствах для контроля или диагностики электрических величин, например, в устройствах для поверки электронных счетчиков электрической энергии, которыми оснащаются потребители электрической энергии и спрос на которые в настоящее время возрастает.