MD801Z - Metodă de stabilizare a curentului de sarcină reglabil - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la electrotehnică şi electronică şi poate fi utilizată la producerea surselor de curent parametrice pentru alimentarea cu energie electrică a dispozitivelor de măsurare, de exemplu, a senzorilor rezistivi îndepărtaţi.Metoda de stabilizare a curentului de sarcină reglabil include aplicarea tensiunii de intrare la sarcină printr-o reţea de alimentare cu rezistenţe longitudinale şi transversale, calcularea valorii necesare a rezistenţei negative a uneia dintre rezistenţele transversale, formarea caracteristicii volt-amperice a acestei reţele ca a sursei de curent prin conectarea rezistenţei negative calculate a uneia dintre rezistenţele transversale şi conectarea la rezistenţa negativă a unei surse de tensiune de negativare.

Description

Invenţia se referă la electrotehnică şi electronică şi poate fi utilizată la producerea surselor de curent parametrice pentru alimentarea cu energie electrică a dispozitivelor de măsurare, de exemplu, a senzorilor rezistivi îndepărtaţi.

Este cunoscută o metodă de stabilizare a curentului de sarcină cu utilizarea dispozitivelor semiconductoare (tranzistoare cu efect de câmp şi bipolare) cu caracteristica volt-amperică nelineară. Prin urmare, la modificarea rezistenţei de sarcină (obligatoriu inclusă în circuitul de ieşire al dispozitivului semiconductor) curentul de ieşire practic nu se schimbă. Valoarea curentului de sarcină este impusă de curentul sau tensiunea la electrodul de intrare al dispozitivului semiconductor [1].

Dezavantajele acestei metode constau în dependenţa de temperatură a curentului stabilizat şi complexitatea comenzii curentului de sarcină, deoarece semnalul de comandă trebuie să fie aplicat la sarcina îndepărtată printr-un circuit separat.

Mai este cunoscută o metodă, care include aplicarea tensiunii de intrare la sarcină printr-o reţea (linie) de alimentare cu rezistenţe longitudinale şi transversale (rezistenţe de pierderi, alte sarcini, etc.) şi formarea caracteristicii volt-amperice a acestei reţele ca a sursei de curent prin stabilirea valorii negative necesare a uneia dintre rezistenţele transversale.

Particularitatea metodei constă în aceea că rezistenţa negativă, din punct de vedere fizic, este sursă de energie, ea neutralizează (compensează) impactul rezistenţelor de pierderi în reţea şi asigură un curent de sarcină, care nu depinde de sarcină. Rezistenţa negativă poate fi realizată în forma unui inversor sau a unui convertor în baza amplificatorului operaţional (vezi Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых устройств. Москва, Додэка XXI, 2005). Reglarea curentului de sarcină se realizează prin modificarea valorii tensiunii de intrare [2].

Dezavantajul acestei metode constă în intervalul de variaţie a sarcinii limitat, ceea ce limitează domeniul de aplicare. Acest lucru se datorează faptului că la creşterea rezistenţei de sarcină creşte tensiunea la rezistenţa negativă sau la ieşirea amplificatorului operaţional. La rândul său, tensiunea de ieşire a amplificatorului operaţional este limitată de tensiunea admisibilă de alimentare.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia constă în extinderea intervalului de reglare a curentului de sarcină.

Metoda, conform invenţiei, înlătură dezavantajul menţionat mai sus prin aceea că include aplicarea tensiunii de intrare la sarcină printr-o reţea de alimentare cu rezistenţe longitudinale şi transversale, calcularea valorii necesare a rezistenţei negative a uneia dintre rezistenţele transversale, formarea caracteristicii volt-amperice a acestei reţele ca a sursei de curent prin conectarea rezistenţei negative calculate a uneia dintre rezistenţele transversale şi conectarea la rezistenţa negativă a unei surse de tensiune de negativare.

Particularitatea metodei constă în faptul că tensiunea la rezistenţa negativă se micşorează cu o anumită valoare, care se completează cu tensiunea de negativare de la o sursă de tensiune separată. De aceea, pentru aceiaşi parametri ai invertorului de rezistenţă utilizat, intervalul de variaţie a rezistenţei de sarcină se măreşte.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-4, care reprezintă:

- fig. 1, schema dispozitivului pentru realizarea metodei;

- fig. 2, schema echivalentă a dispozitivului;

- fig. 3, familia de caracteristici volt-amperice (de sarcină) ale dispozitivului pentru diferite valori ale rezistenţei negative;

- fig. 4, schema dispozitivului în sistemul de simulare a circuitelor OrCAD.

Dispozitivul din fig. 1 include o sursă de tensiune de intrare 1, conectată printr-o reţea de alimentare 2 cu rezistenţele longitudinale 3 şi transversale 4 la sarcina 5. Sursa de tensiune de negativare 8 şi rezistenţa negativă 6, printr-un circuit de adaptare 7, sunt conectate la una dintre rezistenţele transversale 4. La rândul său, rezistenţa negativă 6 este executată în forma unui traductor de rezistenţă în baza amplificatorului operaţional 9 cu rezistenţa iniţială pozitivă 10 şi cu rezistenţele de reacţie 11 şi 12 egale între ele.

Schema echivalentă a dispozitivului (fig. 2), pentru comoditate, reprezintă un hexapol cu conductanţele rezistenţelor de intrare şi direcţiile curenţilor la ieşirile indicate. În special, conductanţele corespund rezistenţelor longitudinale, iar conductanţele corespund rezistenţelor transversale ale reţelei de alimentare 2. Conductanţele corespund circuitului de adaptare 7. Intrarea hexapolului este conectată la sursa de tensiune de intrare 1, cu tensiunea . Prima ieşire a hexapolului (tensiunea , curentul ) este conectată la sarcina 5 cu conductanţa . A doua ieşire (tensiunea , curentul ) este conectată la rezistenţa negativă 6 (cu conductanţa ) şi la sursa de tensiune de negativare 8 (cu tensiunea ).

Metoda se efectuează în felul următor

Tensiunea iniţială de negativare se stabileşte egală cu zero. Datorită sursei de tensiune de intrare 1, prin reţeaua 2 (prin rezistenţele longitudinale 3 şi transversale 4) şi sarcina 5 circulă curenţi. De asemenea, circulă curenţi prin circuitul de adaptare 7. De aceea, la intrarea directă (pozitivă) a amplificatorului operaţional 9 există o anumită tensiune . Această tensiune se amplifică, şi la ieşirea amplificatorului 9 apare tensiunea de aceeaşi polaritate. Prin urmare, curentul trece prin rezistenţa reacţiei pozitive 11 în circuitul de adaptare 7. Tensiunea la intrarea inversoare (negativă) a amplificatorului operaţional 9, de asemenea, este egală cu tensiunea . Prin urmare, acelaşi curent trece prin rezistenţa reacţiei negative 12 şi prin rezistenţa 10. Astfel, intrarea directă a amplificatorului operaţional 9 şi o bornă a rezistenţei 10 reprezintă bornele sursei de alimentare, care debitează curentul în dispozitiv, similar cu sursa de tensiune de intrare 1. Totodată, tensiunea şi curentul al unei astfel de surse de alimentare depind de sursa de tensiune de intrare 1 şi sarcina 5, însă raportul dintre tensiunea şi curentul este întotdeauna egal cu valoarea rezistenţei 10. În aşa mod, curentul de sarcină 5 este o suprapunere de curenţi de la sursa de tensiune de intrare 1 şi de la rezistenţa negativă 6. Dacă valoarea rezistenţei negative 6 sau a rezistenţei 10 este selectată în modul necesar, atunci curentul de sarcină nu depinde de sarcină.

Dacă la sursa de tensiune de negativare 8 există o tensiune, aceasta se sumează cu tensiunea de la rezistorul 10. Ca urmare, se reduce partea tensiunii de la rezistorul 10 în valoarea totală a tensiunii şi tensiunea de ieşire a amplificatorului operaţional 9 se micşorează.

Pentru a calcula valoarea necesară a rezistenţei negative 6 vom analiza schema echivalentă din fig. 2.

Tensiunea

. (1)

Schema se descrie prin sistemul de ecuaţii cu parametrii . Luând în consideraţie direcţiile indicate ale curenţilor , obţinem:

. (2)

Pentru schema menţionată parametrii sunt exprimaţi prin conductanţele de intrare în felul următor:

, ,

, , .

Ţinând cont de relaţiile (1) şi (2) se obţine expresia caracteristicii volt-amperice sau a liniei de exploatare drepte:

. (3)

Punctul de funcţionare cu coordonata variabilă ( ) se deplasează pe linia de exploatare cu parametrul datorită schimbării conductanţei sarcinii aşa, cum este indicat în fig. 3. În regim de scurtcircuit . Atunci curentul de scurtcircuit sau coordonata punctului de intersecţie a liniei de exploatare cu axa curentului va fi:

. (4)

Pentru diferite valori ale conform expresiei (3) se determină un fascicul de linii drepte. În particular, este posibil de impus astfel de valori extreme, precum şi , ceea ce corespunde deconectării şi închiderii acestei conductanţe. Liniile drepte corespunzătoare sunt prezentate în fig. 3. Se determină coordonata după curentul punctului lor de intersecţie , adică curentul . În acest caz, expresia (3) duce la un sistem din două ecuaţii:

. (5)

În punctul de intersecţie .

Soluţia sistemului (5) dă valoarea

, (6)

în care - determinantul matricei parametrilor .

Una dintre liniile fasciculului liniilor de exploatare din fig. 3 poate trece paralel axei de tensiune, adică curentul de sarcină nu depinde de mărimea sarcinii. Se determină valoarea corespunzătoare a conductanţei a rezistenţei negative 6. Curentul de scurtcircuit al acestei linii va fi egal cu curentul . Ecuaţia (4), ţinând cont de (6), dă valoarea:

. (7)

Astfel, pentru reţeaua de alimentare dată cu valorile conductanţelor tuturor rezistenţelor cunoscute se calculează:

- valoarea conductivităţii rezistenţei negative (7);

- valoarea tensiunii de negativare , conform relaţiei (1) pentru curentul dat, conductanţa minimă a sarcinii şi tensiunea admisibilă la intrarea amplificatorului operaţional;

- valoarea tensiunii de intrare conform relaţiei (6).

Ulterior, la realizarea practică a reţelei de alimentare se efectuează testarea şi ajustarea valorii rezistenţei negative.

Pentru a demonstra avantajele metodei propuse a fost efectuată simularea funcţionării dispozitivului în sistemul de modelare a circuitelor OrCAD. În fig. 4 este reprezentată schema dispozitivului cu valorile rezistenţelor indicate. Calculul conform relaţiei (7) dă valoarea rezistenţei negative egală cu 6,63488 kΩ. În schemă această valoare corespunde rezistenţei R10 = 6,63488 kΩ.

În tabelele 1 şi 2 sunt reprezentate rezultatele simulării în regim "Bias Point" pentru diferite valori ale tensiunii de negativare şi rezistenţei de sarcină. Corespunderea tensiunilor schemei echivalente şi ale modelului este indicată prin săgeţi. Corespunderea celorlalte elemente este clară din compararea figurilor.

Tabelul 1. ,

0,001 1,5 3,0 0,451 0,4508 0,4506 -0,076 -0,177 -0,2784 5,022 6,15 7,276 0,757 0,9273 1,097 20,17 24,7 29,21

Se observă că la rezistenţa sarcinii de 3,0 kΩ tensiunea de ieşire a amplificatorului operaţional atinge valoarea maximă. De asemenea, se observă că sursa de tensiune de intrare nu debitează, dar consumă energie în întregul interval de variaţie a sarcinii, ceea ce corespunde valorii negative a curentului. Acest fapt este legat cu raportul valorilor conductanţelor care determină gradul de influenţă a sursei de tensiune şi a rezistenţei negative.

Tabelul 2. ,

0,001 1,5 6,1 0,4502 0,450 0,4496 0,345 0,242 -0,0067 4,175 5,3 8,749 0,328 0,497 1,017 10,75 15,26 29,1

După cum se vede din tabel, valoarea maximă a rezistenţei de sarcină s-a dublat, ceea ce confirmă rezolvarea problemei tehnice. Avantajele suplimentare ale metodei sunt determinate de faptul că sursa de tensiune de intrare debitează energie practic în tot intervalul de variaţie a sarcinii, ceea ce îmbunătăţeşte performanţele energetice ale unui astfel de sistem de alimentare cu energie electrică.

1. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Москва, Солон-пресс, 2008, p. 135

2. Penin A.A. Determination of Regimes of the Equivalent Generator Based on Projective Geometry: The Generalized Equivalent Generator. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2008, Vol. 2, No. 10, p. 771-779. Regăsită în Internet la 2014.05.15, url: http://www.waset.org/publications/10252

Claims (2)

1. Metodă de stabilizare a curentului de sarcină reglabil, care include aplicarea tensiunii de intrare la sarcină printr-o reţea de alimentare cu rezistenţe longitudinale şi transversale, calcularea valorii necesare a rezistenţei negative a uneia dintre rezistenţele transversale, formarea caracteristicii volt-amperice a acestei reţele ca a sursei de curent prin conectarea rezistenţei negative calculate a uneia dintre rezistenţele transversale şi conectarea la rezistenţa negativă a unei surse de tensiune de negativare.

2. Metodă, conform revendicării 1, în care după conectarea la rezistenţa negativă a sursei de tensiune de negativare se efectuează testarea şi ajustarea valorii rezistenţei negative.