CS264656B1

CS264656B1 - Feedback loop connection for current and voltage regulation in both polarities

Info

Publication number: CS264656B1
Application number: CS877549A
Authority: CS
Inventors: Lubomir Ing Hrdlicka
Original assignee: Lubomir Ing Hrdlicka
Priority date: 1987-10-20
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1989-08-14
Also published as: CS754987A1

Abstract

Řešení se týká zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí v obou polaritách. Oblast využití se předpokládá zejména v automatizovaných měřících a testovacích systémech, neboť možnost rychlého nastavování různých potřebných hodnot dovoluje velkou průchodnost měřicího a testovacího zařízení. Další možnou oblastí je jeho použití jako univerzálního zdroje se základní jednotkou a výměnnými moduly výkonového zesilovače a moduly převodníku proud/napětí pro různé speciální požadavky. Podstatou zapojení zpětnovazební smyčky je, že výstup zesilovače proudové odchylky, jehož vstup je spojen s výstupem invertujícího zesilovače a svorkou řídící veličiny proudu, je spojen se vstupem řízené veličiny oboustranného omezovače. Jeho vstup řídící veličiny napětí je připojen na svorku řídící veličiny napětí a jeho výstup je spojen se vstupem výkonového zesilovače. Výstup výkonového zesilovače je spojen přes zatěžovací odpor se vstupem převodníku proud/napětí, jehož výstup je spojen se vstupem invertujícího zesilovače.The solution relates to the connection of a feedback loop for current and voltage regulation in both polarities. The field of application is envisaged in particular in automated measuring and testing systems, since the possibility of quickly adjusting the various required values permits a high throughput of the measuring and testing equipment. Another possible area is its use as a universal source unit with base unit and interchangeable power amplifier modules and current / voltage converter modules for various special requirements. The principle of the feedback loop connection is that the output of the current deviation amplifier, whose input is connected to the output of the inverting amplifier and the current control terminal, is connected to the input controlled quantity of the two-sided limiter. Its voltage control input is connected to the voltage control terminal and its output is connected to the power amplifier input. The power amplifier output is connected via a load resistor to the current / voltage converter input whose output is connected to the inverting amplifier input.

Description

(57) Řešení se týká zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí v obou polaritách. Oblast využití se předpokládá zejména v automatizovaných měřících a testovacích systémech, neboť možnost rychlého nastavování různých potřebných hodnot dovoluje velkou průchodnost měřicího a testovacího zařízení. Další možnou oblastí je jeho použití jako univerzálního zdroje se základní jednotkou a výměnnými moduly výkonového zesilovače a moduly převodníku proud/napětí pro různé speciální požadavky. Podstatou zapojení zpětnovazební smyčky je, že výstup zesilovače proudové odchylky, jehož vstup je spojen s výstupem invertujícího zesilovače a svorkou řídící veličiny proudu, je spojen se vstupem řízené veličiny oboustranného omezovače. Jeho vstup řídící veličiny napětí je připojen na svorku řídící veličiny napětí a jeho výstup je spojen se vstupem výkonového zesilovače. Výstup výkonového zesilovače je spojen přes zatěžovací odpor se vstupem převodníku proud/napětí, jehož výstup je spojen se vstupem invertujícího zesilovače.(57) The solution concerns a feedback loop for current and voltage regulation in both polarities. The field of application is envisaged especially in automated measuring and testing systems, because the possibility of quickly adjusting various required values allows a large throughput of the measuring and testing equipment. Another possible area is its use as a universal power supply with a base unit and replaceable power amplifier modules and current / voltage converter modules for various special requirements. The essence of the feedback loop connection is that the output of the current deviation amplifier, whose input is connected to the output of the inverting amplifier and the current control variable terminal, is connected to the input of the two-sided limiter controlled value. Its voltage control input is connected to the voltage control input terminal and its output is connected to the power amplifier input. The output of the power amplifier is connected via a load resistor to the input of the current / voltage converter, the output of which is connected to the input of the inverting amplifier.

QBR. iQBR. and

CS 264 656 Β1CS 264 656 Β1

Vynález se týká zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí v obou polaritách.The invention relates to a feedback loop for regulating current and voltage in both polarities.

Známá zapojení zdrojů se zpětnovazební smyčkou pro regulaci proudu a napětí pracují ua principu přepínání paralelně la/ených srny ček zpětné vazby, např. diodami, kdy v činnosti je ta smyčka zpětné vazby, jejíž odchylka od hodnoty požadované je větší.The known power supply circuits with current and voltage feedback loop operate according to the principle of switching parallel-connected feedback loops, such as diodes, when the feedback loop is in operation whose deviation from the desired value is greater.

Nevýhodou známých zapojení je u jednodušších zapojení zpětnovazební smyčky možnost regulace pouze v jedné polaritě řízené veličiny proudu nebo napětí. Při požadavku její regulace v obou polaritách se zapojení značně komplikuje a stává se v důsledku velkého zesílení momentálně neuzavřené smyčky zpětné vazby nestabilní.The disadvantage of known wiring is, in simpler wiring of the feedback loop, the possibility of regulation in only one polarity of the controlled current or voltage variable. If its regulation in both polarities is required, the wiring becomes considerably complicated and becomes unstable due to the large amplification of the currently closed loop.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí v obou polaritách podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že výstup zesilovače proudové odchylky, jehož vstup je spojen s výstupem invertujícího zesilovače a se svorkou řídící veličiny proudu, je spojen se vstupem řízené veličiny oboustranného omezovače. Vstup řídící veličiny napětí oboustranného omezovače je připojen na svorku řídící veličiny napětí a jeho výstup je spojen se vstupem výkonového zesilovače. Výstup výkonového zesilovače je spojen přes zatěžovací impedanci, připojenou mezi první výstupní svorku a druhou výstupní svorku, se vstupem převodníku proud/napětí, jehož výstup je spojen se vstupem invertujícího zesilovače.These drawbacks are overcome by the connection of a feedback loop for current and voltage regulation in both polarities according to the invention. Its essence is that the output of the current deviation amplifier, the input of which is coupled to the output of the inverting amplifier and the terminal of the current control variable, is connected to the input of the controlled variable of the double-sided limiter. The voltage control input of the double-sided limiter is connected to the voltage control input terminal and its output is connected to the power amplifier input. The output of the power amplifier is coupled via a load impedance connected between the first output terminal and the second output terminal to the input of the current / voltage converter, the output of which is connected to the input of the inverting amplifier.

V zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí při uzemněné zatěžovací impedanci je převodník proud/napětí tvořen diferenciálním zesilovačem a odporem paralelně připojeným k jeho neinvertujícímu a invertujícímu vstupu, který je dále spojen s výstupem výkonového zesilovače. Neinvertující vstup diferenciálního zesilovače je přes zatěžovací impedanci, připojenou mezi první výstupní svorku a druhou výstupní svorku, spojen se zemní svorkou a jeho výstup je spojen s druhým vstupem řídící veličiny napětí oboustranného omezovače a zároveň se vstupem zesilovače proudové odchylky.In the feedback loop for current and voltage control at grounded load impedance, the current / voltage converter is a differential amplifier and a resistor connected in parallel to its non-inverting and inverting input, which is further coupled to the power amplifier output. The non-inverting input of the differential amplifier is connected to the ground terminal via the load impedance connected between the first output terminal and the second output terminal and its output is connected to the second input of the voltage limiting control variable and current deviation input.

V zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci větších výstupních proudů, při uzemněné zatěžovací impedanci, je neinvertující vstup diferenciálního zesilovače spojen s výstupem výkonového zesilovače a jeho invertující vstup přes zatěžovací impedanci se zemní svorkou. Výstup diferenciálního zesilovače je spojen přes inventor s druhým vstupem řídící veličiny napětí oboustranného omezovače a zároveň se vstupem invertujícího zesilovače.In the feedback loop for controlling larger output currents, at a grounded load impedance, the non-inverting input of the differential amplifier is coupled to the power amplifier output and its inverting input via the load impedance to the ground terminal. The output of the differential amplifier is connected via the inventor to the second input of the voltage control variable of the double-sided limiter and at the same time to the input of the inverting amplifier.

Výhodou zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí v obou polaritách je kromě relativní jednoduchosti s malým počtem součástek malá energetická náročnost a velká spolehlivost. Další výhoda se projevuje v dosažení obdélníkové charakteristiky pro všechny čtyři kombinace polarit výstupního napětí a proudu v širokém rozsahu výkonů. Přínosem je rovněž dosažení velmi dobré stability při přechodu z režimu zdroje proudu do režimu zdroje napětí a rychlé reakce na změnu nastavení a změnu zátěže. Výhodou jc i možnost odděleného návrhu a oživování obou různých režimů zdroje, proudového a napěťového.The advantage of using a feedback loop to control current and voltage in both polarities is, in addition to the relative simplicity with a small number of components, low energy consumption and high reliability. Another advantage is the achievement of a rectangular characteristic for all four combinations of output voltage and current polarities over a wide power range. Another benefit is to achieve very good stability when switching from power source mode to voltage source mode and to respond quickly to setting changes and load changes. The advantage is the possibility of separate design and activation of both different modes of power supply, current and voltage.

Zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí bude blíže popsáno v příkladových provedeních s pomocí připojených výkresů, kde obr. 1 znázorňuje blokové schéma zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí s neuzemněnou zatěžovací impedancí, obr. 2 znázorňuje zapojení podle obr. I upravené pro uzemněnou zatěžovací impedanci a obr. 3 znázorňuje zapojení podle obr. 2 a obr. 1 rovněž pro uzemněnou zatěžovací impedanci, ale ve zlepšeném provedení.The feedback loop for current and voltage control will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, wherein Fig. 1 shows a block diagram of the current and voltage feedback loop with ungrounded load impedance; Fig. 2 shows the circuit according to Fig. and the grounded load impedance; and FIG. 3 shows the circuitry of FIGS. 2 and 1 also for grounded load impedance, but in an improved embodiment.

Na obr. 1 je vstup Zit zesilovače Z1 proudové odchylky spojen s výstupem Z32 invertujícího zesilovače Z3 a se svorkou SIR řídící veličiny proudu za účelem řízení velikosti stabilizovaného proudu. Výstup Z12 zesilovače Z1 proudové odchylky je spojen se vstupem Oll řízené veličiny oboustranného omezovače O, jehož vstup 012 řídící veličiny napětí je připojen na svorku SUR řídící veličiny napětí za účelem řízení velikosti stabilizovaného napětí. Výstup 02 oboustranného omezovače O je spojen se vstupem Z21 výkonového zesilovače Z2, jehož výstup Z22 je spojen přes zatěžovací impendanci RZ, připojenou mezi první výstupní svorku SI a druhou výstupní svorku S2, se vstupem PÍ převodníku P proud/napětí. Jeho výstup P2 je spojen se vstupem Z31 invertujícího zesilovače Z3, zařazeného mezi výstup P2 převodníku P proud/napětí a vstup Zll zesilovače XI pro zajištění změny polarity snímané veličiny.In Fig. 1, the input Zit of the current deviation amplifier Z1 is coupled to the output Z32 of the inverting amplifier Z3 and to the SIR terminal of the current control quantity to control the amount of stabilized current. The current deviation output Z12 of the current deviation Z1 is coupled to the control variable input O11 of the bipolar limiter O, whose voltage control input 012 is connected to the voltage control variable terminal SUR to control the stabilized voltage magnitude. The output 02 of the bidirectional limiter O is connected to the input Z21 of the power amplifier Z2, whose output Z22 is connected via a load impedance RZ, connected between the first output terminal S1 and the second output terminal S2, to the input P1 of the current / voltage converter. Its output P2 is coupled to the input Z31 of the inverting amplifier Z3, included between the output P2 of the current / voltage converter P, and the input Z11 of the amplifier XI to provide a change in the polarity of the sensed quantity.

Na obr. 2 je blokové schéma zapojení zpětnovazební smyčky podle obr. 1, ve kterém je převodník proud/napětí tvořen diferenciálním zesilovačem Z4 a snímacím odporem RS, paralelně připojeným k jeho neinvertujícímu vstupy Z411 a invertujícímu vstupu Z412. Neinvertující vstup Z411 je dále spojen přes zatěžovací impendanci RZ, připojenou mezi první výstupní svorku SI a druhou výstupní svorku S2, se zemí. S výstupem výkonového zesilovače Z2 je za účelem získání požadované polarity snímané veličiny spojen invertující vstup 412 diferenciálního zesilovače Z4, jehož výstup Z42 je spojen se vstupem Zll zesilovače proudové odchylky a zároveň s druhým vstupem 013 řídící veličiny napětí oboustranného omezovače za účelem vykompensování úbytku napětí na snímacím odporu RS.Fig. 2 is a block diagram of the feedback loop of Fig. 1, wherein the current / voltage converter is formed by a differential amplifier Z4 and a sensing resistor RS connected in parallel to its non-inverting inputs Z411 and the inverting input Z412. The non-inverting input Z411 is further connected to ground through a load impedance RZ connected between the first output terminal S1 and the second output terminal S2. The power amplifier output Z2 is coupled with the inverting input 412 of the differential amplifier Z4 to obtain the desired sensed quantity polarity, whose output Z42 is coupled to the input Z11 of the current deviation amplifier and the second input 013 of the bipolar limiting voltage RS resistance.

Na obr. 3 je blokové schéma zpětnovazební smyčky podle obr.1 a obr. 2, ve kterém je inver* tující vstup Z412 diferenciálního zesilovače Z4 přes zatěžovací impendanci RZ, připojenou mezi první výstupní svorku SI a druhou výstupní svorku S2, spojen se zemní svorkou. Výstup Z22 výkonového zesilovače Z2 je spojen s neinvertujícím vstupem Z411 diferenciálního zesilovače Z4, jehož výstup Z42 je spojen se vstupemm Z31 invertujícího zesilovače Z3 a zároveň přes inveríor Z5 za účelem vykompenCS 264 656 Bl zování úbytku napětí na snímacím odporu RS s druhým vstupem 013 řídící veličiny napětí oboustranného omezovače O.Fig. 3 is a block diagram of the feedback loop of Figs. 1 and 2, in which the inverting input Z412 of the differential amplifier Z4 is connected to the ground terminal via a load impedance RZ connected between the first output terminal S1 and the second output terminal S2. . The power amplifier output Z22 is coupled to the non-inverting input Z411 of the differential amplifier Z4, whose output Z42 is coupled to the input Z31 of the inverting amplifier Z3, and simultaneously through the inverter Z5 to compensate for 264 voltage of two-sided limiter O.

Činnost zapojení zpětnovazební smyčky pro regulaci proudu a napětí bude blíže vysvětlena podle blokového schéma na obr. 1, kde proudovou zpětnovazební smyčku tvoří zesilovač Z1 proudové odchylky, oboustranný omezovač O, výkonový zesilovač Z2, zatěžovací impedance RZ, převodník P proud/napětí, invertující zesilovač Z3. Hodnotou veličiny na svorce SIR řídící veličiny proudu se nastavuje velikost výstupního proudu a hodnotou veličiny na svorce SUR řídící veličiny napětí se nastavuje velikost výstupního napětí. Na vstupu Zll zesilovače Z1 proudové odchylky se zesílením A —* — oo se porovnává požadovaná hodnota řídící veličiny proudu a veličina odpovídající snímané hodnotě proudu, vyhodnocena zesilovačem Z3. Získaná hodnota odchylky se upraví zesilovačem Z1 proudové odchylky a oboustranným omezovačem O, jehož výstup 02 je spojen se vstupem Z21 výkonového zesilovače Z2. Napěťové zesílení výkonového zesilovače Z2 udává rozsah výstupního napětí a jeho výstup Z22 je spojen přes zatěžovací impedanci RZ s převodníkem P pteud/napětí, který snímá skutečný výstupní proud po průchodu zatěžovací impedancí RZ. Napětí na výstupu P2 převodníku P proud'napětí, jenž je spojen se vstupem Z31 invcitujícího zesilovače Z3, odpovídá snímané lni mete výstupního proudu. Rozsah hodnot vý<p joního proudu je dán zesílením invertujídho zesilovače Z3 a převodním poměrem převodníku P proud/napětí. Protože napětí na vstupu PÍ převodníku P proud/napětí je nulové. určuje rozsah výstupního napětí velikost napětí na vstupu Z21 výkonového zesilovače Z? a zesílení uvedeného zesilovače. Pokud veličina na vstupu Oll řízené veličiny oboustranného omezovače O je větší než hodnota veličiny nastavené na jeho vstupu 012 řídící veličiny napětí, bude omezená a zdroj se bude chovat jako zdroj napětí.The operation of the feedback loop for current and voltage control will be explained in more detail according to the block diagram in Fig. 1, where the current feedback loop is formed by amplifier Z1 current deviation, bipolar limiter O, power amplifier Z2, load impedance RZ, converter P current / voltage, inverting amplifier Z3. The value on the SIR terminal of the current control variable sets the output current and the value on the SUR terminal of the voltage control variable sets the output voltage. At the input Z1 of the amplifier Z1, the current deviation with the amplification A - * - oo compares the setpoint value of the current control quantity and the quantity corresponding to the sensed current value, evaluated by the amplifier Z3. The obtained deviation value is adjusted by the current deviation amplifier Z1 and the two-way limiter O, whose output 02 is connected to the input Z21 of the power amplifier Z2. The voltage gain of the power amplifier Z2 indicates the output voltage range and its output Z22 is coupled via the load impedance RZ to the Pteud / Voltage converter, which senses the actual output current after passing the load impedance RZ. The voltage at the output P2 of the voltage converter P, which is connected to the input Z31 of the inverting amplifier Z3, corresponds to the sensed output current line. The range of the output current values is given by the amplification of the inverting amplifier Z3 and the conversion ratio of the current / voltage converter P. Because the voltage at the input P1 of the current / voltage converter is zero. does the output voltage range determine the magnitude of the voltage at input Z21 of the power amplifier Z? and amplifying said amplifier. If the magnitude at the input O1 of the controlled magnitude of the bidirectional limiter 0 is greater than the magnitude set at its input 012 of the voltage magnitude, it will be limited and the source will behave as a voltage source.

Pokud je veličina na vstupu Oll oboustranného omezovače O menší tiež hodnota nastavená na vstupu 012 řídící veličiny napětí, zdroj se bude chovat jako zdroj proudu. Použití převodníku P proud/napětí, na jehož vstupu Pí je potenciál blízký nule, umožňuje konstrukci vysokonapěťového zdroje bez nutnosti vysokonapěťového zesilovače pro snímání proudu z výstupu Z22 výkonového zesilovače.If the value at the input O11 of the double-sided limiter 0 is also less than the value set at the input 012 of the voltage control quantity, the source will behave as a current source. The use of a current / voltage converter P, with a potential close to zero at the input P1, allows the construction of a high voltage source without the need for a high voltage amplifier to sense current from the power amplifier output Z22.

Zapojení zpětnovazební smyčky podle blokového schéma na obr. 2 se používá v případě, kdy je nutné zatěžovací impedanci uzemnit. Výstupní proud se snímá jako úbytek napětí na snímacím odporu RS a pomocí diferenciálního zesilovače Z4, jehož výstup Z42 je spojen se vstupem Z11 zesilovače Z1 proudové odchylky, se upravuje na veličinu odpovídající snímané hodnotě proudu. Úbytek napětí na snímacím odporu RS se vykompenzuje napětí na výstupu Z42 diferenciálního zesilovače Z4, který je spojen s druhým vstupem 013 řídící veličiny napětí oboustranného omezovače.The feedback loop circuit according to the block diagram in Fig. 2 is used when the load impedance needs to be grounded. The output current is sensed as a voltage drop across the sensing resistor RS, and is adjusted to a value corresponding to the sensed current value by means of a differential amplifier Z4 whose output Z42 is coupled to the input Z11 of the amplifier Z1. The voltage drop across the sensing resistor RS is compensated for by the voltage at the output Z42 of the differential amplifier Z4, which is coupled to the second input 013 of the bidirectional limiter voltage control quantity.

• V zapojení zpětnovazební smyčky podle blokového schéma na obr. 2 lze proudový rozsah nastavovat pouze změnou velikosti snímacího odporu RS. Při požadavku větších výstupních proudů je výhodnější použití zapojení podle blokového schéma na obr. 3, ve kterém snímací odpor RS může být stálý a proudový rozsah lze nastavovat velikostí zesílení invertujícího zesilovače Z3 mimo větev výkonové části zdroje.• In the feedback loop connection according to the block diagram in Fig. 2, the current range can only be adjusted by changing the size of the RS resistor. If larger output currents are required, it is preferable to use the circuit diagram of Fig. 3, in which the sensing resistor RS can be fixed and the current range can be adjusted by the amplitude of the inverting amplifier Z3 outside the power section of the power source.

Oblast využití uvedeného zapojení se předpokládá zejména v automatizovaných měřicích a testovacích systémech pro moderní polovodičové součástky a dále pro universální zdroje se základní řídící jednotkou s výměnnými moduly výkonového zesilovače a převodníku proud/ /napětí pro různé speciální požadavky.The field of application of this connection is supposed especially in automated measuring and testing systems for modern semiconductor components and also for universal sources with basic control unit with replaceable modules of power amplifier and current / voltage converter for various special requirements.

Claims

Feedback loop for current and voltage regulation in both polarities, characterized in that the output (Z 12) of the amplifier of the current deviation (Zl), whose input (Zl1) is connected to the output (Z32) of the amplifier (Z3) and to the terminal ( SIR) of the current control variable, it is connected to the input (O1) of the controlled variable of the double-sided limiter (O), whose input (012) of the voltage control variable is connected to the voltage control variable (SUR) terminal (02). (Z2I) of a power amplifier (Z2) whose output (Z22) is connected via a load impedance (RZ) connected between the first output terminal (S1) and the second output terminal (S2), to the input (P1) of the current / voltage, whose output (P2) is connected to the input (Z31) of the inverting amplifier (Z3).

Feedback loop circuit according to claim 1, characterized in that the current / voltage converter (P) is formed by a differential amplifier (Z4) and a sensing resistor (RS) connected in parallel to its non-inverting input (Z411) and the inverting input (Z412). which is further coupled to the output (Z22) of the power amplifier (Z2), while the non-inverting input (Z411) of the differential amplifier (Z4) is via a load impedance (RZ) connected between the first output terminal (S1) and the second output terminal (S2) it is connected to the ground terminal and its output (Z42) is connected to the second input (013) of the control variable of the voltage limiter (O) and at the same time to the input (Z11) of the amplifier (Z1) of the current deviation.

Feedback loop circuit according to items 1 and 2, characterized in that the non-inverting input (411) of the differential amplifier (Z4) is coupled to the output (Z22) of the power amplifier (Z2), while the inverting input (Z412) of the differential amplifier (Z4). is connected to the ground terminal via a load impedance (RZ) connected between the first output terminal (S1) and the second output terminal (S2), and its output (Z42) of the differential amplifier (Z4) is connected to the second input (Z5) 013) Voltage control variables of the double-sided limiter (O) and simultaneously with the input (7.31) of the inverting amplifier (Z3).