NO814035L - Variabel impedanskrets - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en variabel impedanskrets

for belastning av en spenningskilde til en ønsket strøm, hvis størrelse er bestemt av et ordresignal.

Oppfinnelsen er særlig beregnet på prøving av høyspenningskilder for sterkt variable belastninger som for eksempel vandrebølgerør, ved å belaste kilden til et for-håndsbestemt strømnivå.

Tidligere er slike høyspenningsanlegg normalt prøvet ved hjelp av passive motstandselementer eller kraft-trioder. Slikt prøveutstyr krever meget manuell justering for å oppnå de nødvendige belastningsforhold. Dette resulterer i tidkrevende prøving og stort prøveutstyr.

Hensikten med oppfinnelsen er å unngå disse ulemper ved tidligere kjent prøveutstyr og tilveiebringe en forbedret variabel impedanskrets for belastning av spenningskilder til en ønsket strøm.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en styrekrets for avføling av spenningskildens strømbelastning og for sammenligning av den avfølte strøm med ordresignal for å frembringe et styresignal, en belastningsdrivekrets som reagerer på styresignalet for å regulere strømmen gjennom belastningsdrivekretsen til den ønskede verdi i samsvar med ordresignalet, minst én belastningskrets i serie med belastningsdrivekretsen, hvilken belastningskrets reagerer på spenningstapet over seriekoplingen av belastningsdrivkretsen og belastningskretsen for å tilveiebringe en strøm gjennom seriekoplingen hovedsakelig lik strømmen bestemt av ordresignalet, og et hovedsakelig likt spenningsfall over belastningsdrivkretsen og hver av de minst én ekstra belastningskretser.

To utførelseseksempler på oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Figur 1 viser et koplingsskjerna for en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 2 viser et koplingsskjerna for en andre utførelsesform av oppfinnelsen.

Utførelseseksemplet på figur 1 omfatter en styrekrets 11, en belastningsdrivkrets 13 og en eller flere hoved-

sakelig identiske belastningskretser 15.

Et multibit parallell digitalsignal som representerer det ønskede belastningsstrømnivå tilføres som inngangssignal til en optisk isolatorkrets 10. Den elektriske isolasjon mellom den høye og lave referanseklemme i den variable impedanskrets og systemet som leverer det digitale signal som representerer den ønskede strøm tilveiebringes av den optiske isolatorkrets 10.

Det digitale utgangssignal fra den optiske isolatorkrets 10 er forbundet med inngangen i en digital-analog omformer 12 for å levere et analogt utgangssignal som indikerer det ønskede belastningsstrømnivå. Belastnings-strømmen er definert som strømmen som flyter, enten på den høye 17 eller lave 19 referanseklemme i den variable impedanskrets. Et serie digital inngangssignal kan også anvendes hvis digital-analogomformeren 12 omfatter et egnet lagrings-register.

En normalt ledende MOS koplingstransistor 14 leverer utgangssignalet fra digital-analogomformeren 12 til den positive inngang i en '.analog komparator 16 via en motstand 17. En krets som består av en serie-kopling av en motstand 18 og en diode 23 er serieforbundet med belastningsstrømmen. En spenning som er proporsjonal med belastningsstrømmen frem-bringes over motstanden 18 og påtrykkes den negative inngang i komparatoren 16 via to seriekoplede motstander 20 og 22, for på utgangen av komparatoren å levere en spenning som er proporsjonal med differansen mellom spenningen over motstanden 18 og utgangssignalet fra analog-digitalomformeren 12. En seriekopling bestående av en motstand 24 og en Zenerdiode 26 er seriekoplet mellom' utgangen fra komparatoren 16 og den lave referanseklemme for den variable impedanskrets for å begrense spenningen i forbindelsespunktet mellom motstanden 24 og Zenerdioden 26. Denne spenning anvendes som et strøm-styresignal for den variable impedanskrets hvor Zenerdioden

26 bestemmer det maksimale positive nivå av signalet og motstanden 24 begrenser strømmen gjennom Zenerdioden 26, for å hindre overbelastning av komparatoren 16. En høyfrekvent tilbakekopling i form av en kondensator 21 anvendes for å

stabilisere kretsen.

I tillegg til styrekretsen 11, som er beskrevet ovenfor, omfatter den variable impedanskrets en belastningsdrivekrets 13 og en eller flere hovedsakelig identiske belastningskretser 15. Ved denne utførelse er belastningsdrivkretsen 13 og belastningskretsene 15 hovedsakelig identiske med unntagelse av kilden for inngangsignalet.

Som det skal beskrives nærmere nedenfor er inngangssignalet til belastningsdrivkretsen 13 styrestrømsignalet. Inngangssignalene til belastningskretsene 15 er utledet fra

et seriemotstandsnettverk, som er forbundet parallelt med seriekoplingen av belastningsdrivkretsen 13 og belastningskretsene 15. I praksis er spenningen over belastningsdrivkretsen 13 og hver av belastningskretsene 15 hovedsakelig lik antallet belastningskretser, som anvendes og som velges for å gi den ønskede totale drivspenning.

Den følgende beskrivelse av belastningsdrivkretsen 13 er også anvendbar for belastningskretsen 15 med unntagelse av kilden for inngangssignalet på basisen i den første transistor. Av den grunn er samme henvisningstall anvendt for tilsvarende komponenter i de to kretser.

Styrestrømsignalet opptrer på forbindelsespunktet mellom motstanden 24 og Zenerdioden 26 og tilføres basisen i en npn-inngangstransistor 28 i belastningsdrivkretsen 13. Denne transistor er forbundet i felles kollektor-kopling for på emitteren å frembringe en spenning som er hovedsakelig lik styrestrømsignalet på~dens basis. En motstand 30 er forbundet mellom emitteren i transistoren 28 og referanseklemmen 32 på belastningsdrivkretsen for å tilveiebringe' en likestrømsforbindelse til transistoren.

En andre felles kollektorkoplet forsterker består av en npn-transistor 34, hvis basis er forbundet direkte med emitteren i inngangstransistoren 28. En tredje npn-krafttransistor 36 er med sin emitter forbundet med referanseklemmen 32 via en motstand 38, og basisen er forbundet direkte med emitteren i den andre transistor 34. En intern tilbakekopling er tilveiebragt ved emittermotstanden 38 for å stabilisere den totale forsterkning. En motstand 40 forbinder basisen i utgangstransistoren 36 med sin emitter. Denne motstand minsker impedansen på basisen i transistoren 36 og forbedrer høyfrekvensresponsen for kretsen. Kollektor-forspenningen tilføres inngangstransistoren 28 og den andre transistor 34 fra en spenningskilde som omfatter en pnp-transistor 42 og en Zenerdiode 44. Denne krets leverer en hovedsakelig konstant spenning til kollektoren i de to inn-gangstransistorer, hvor denne spenning står til rådighet på emitteren i reguleringstransistoren 42. Den høyfrekvente mot-kopling for å begrense høyfrekvensstøy tilveiebringes av en kondensator 51, som er forbundet mellom utgangsklemmen og basisen i inngangstransistoren 28.

Drivsignalet på basisen i utgangstransistoren

36 leveres fra kombinasjon av to emitterfølgerkopléde transistorer 28 og 34. Som nevnt ovenfor blir utgangssignalet fra komparatoren 16 tilført basisen i inngangstransistoren 28. Dette bevirker at drivsignalet til utgangstransistoren 36 og at impedansen i belastningsdrivkretsen 13 endres i samsvar med utgangssignalet fra komparatoren 16. En seriekopling bestående av en Zenerdiode 46 og en motstand 48 leverer tilstrekkelig drivsignal uavhengig av drivsignalet på inngangstransistoren 28 for å begrense spenningen over transistoren 36 for å hindre et sekundært sammenbrudd.

Den mest sannsynlige feil i utgangstransistoren 36 er en kortslutning. Derfor er en overvåkningskrets for kortslutning av denne transistoren innført i belastningskretsen. Overvåkningskretsen omfatter en optisk koplet transistor 50, hvis emittere er forbundet med den negative referanseklemme på 5 volt i en kraftkilde og kollektoren er forbundet via en motstand 52 med den positive referanseklemme. Kollektoren i den optisk koplede transistor 50 er via en isolasjonsdiode 54 forbundet med basisen i en transistor 53. Under normal drift vil den optisk koplede transistor 50 bli forspent av en seriekrets bestående av en motstand 47 og en diode 49. På denne måte forspennes isolasjonsdioden 54 og transistoren 53 til sperret tilstand og indikerer at kretsen arbeider normalt.

Kollektoren i transistoren 53 er forbundet med den positive klemme i en pluss fem volt kraftkilde via en motstand 55. Da transistoren 53 er forspent til sperret tilstand, vil spenningen på kollektoren i denne transistor være ca. pluss fem volt. Denne spenning er tilført en inngang i en portkrets 56 for på dennes utgang å frembringe et signal som gjør MOS-koplingstransistoren 14 ledende. En inverter 58 inverterer drivsignalet til MOS-koplingstransistoren 14, for å frembringe et signal som sperrer den andre MOS-koplingstransistor 60.

Hvis utgangstransistoren 36 kortsluttes, vil

den optiske transistor 50 bli sperret, og forspenner dioden 54 til ledende tilstand og gjør npn-transistoren 53 ledende, sperrer MOS-koplingstransistoren 14 og gjør MOS-transistoren 60 ledende. Ved å gjøre MOS-koplingstransistoren 60 ledende vil spenningen på den positive inngangsklemme i komparatoren

16 bli tilnærmet hull volt og minske drivsignalet for å

sperre belastningsdrivkretsen.

Et pulsformet inngangssignal på den andre inngang i portkretsen 56 gir mulighet for pulsering av den variable impedanskrets på og av.

Belastningsdrivkretsen som er beskrevet ovenfor, er serieforbundet med en eller flere ekstra tilnærmet identiske belastningskretser til en ekstern krets. Den eksterne krets vil levere spenning og strøm som er nødvendig til den variable impedanskrets. Under utviklingen av oppfinnelsen er det anvendt 74 individuelle belastningskretser for å prøve en 15 kilovolt kraftkilde. En slik kraftkilde er, selvom den ikke er noen del av oppfinnelsen, funksjonelt illustrert ved hen-visningstallet 62. Høyspenningskilden 62 vil ha noe indre motstand. For illustrasjonsformål er den indre motstand i kraftkilden 62 funksjonelt illustrert som en fast motstand 64. I ethvert tilfelle må spenningskilden 62 levere riktig drifts-strøm og -spenning for seriekoplingen av belastningsdrivkretsen og de seriekoplede belastningskretser.

For enkelthets skyld er det på figur 1 vist bare en belastningskrets, men det er klart at et vilkårlig antall belastningskretser kan anvendes. Antallet som anvendes er i første rekke avhengig av utgangsspenningen fra kilden 6 2 med normalt spenningsfall over belastningskretsene. Ved ut-førelsen, som er vist på figur 1, er spenningsfallet over belastningsdrivkretsen og hver av belastningskretsene ca. 200 volt. Det er imidlertid klart at ved valg av kretskomponenter kan andre spenningsfall over de enkelte belastningskretser anvendes.

Som ovenfor nevnt er belastningskretsene 15 hovedsakelig identiske med belastningsdrivkretsen 13 med unntagelse av kilden for inngangssignalet til den første transistor 28. Derfor er samme henvisningstall anvendt for funksjonelt identiske komponenter. Særlig er en likeforspenning tilført basisen i inngangstransistoren 28 i belastningskretsen av en forspenningskrets som omfatter motstander 66 og 70 på 10 kilohm. Verdien av motstanden velges for å tilveiebringe en forstrøm som er liten sammenlignet med normal driftsstrøm. Motstanden må imidlertid være liten nok til å

gi tilstrekkelig strøm til basisen i inngangstransistoren 28 under maksimal belastning. For hver ekstra belastningskrets som anvendes, må en motstand føyes til forstrømkretsen, hvor hver forbindelse er dannet av motstander i forstrømnettverket som tjener til bare en belastningskrets.

En endring i impedansen for belastningsdrivkret-.sen 13 vil, som "tidligere beskrevet, også bevirke' en jEmdring_ i spenningen mellom basisen i inngangstransistoren 28 og referanseklemmen 32 i belastningskretsen 15. Dette bevirker en endring i drivsignalet til utgangstransistoren 36 og regulerer impedansen i belastningskretsen 15 til hovedsakelig samme impedans som i belastningsdrivkretsen 13. Hver belastningskrets som anvendes vil arbeide på denne måte med total impedans lik summen av impedansene i drivkretsene 15 og belastningsdrivkretsen 13.

En overvåkningskrets er også inkludert i hver belastningskrets. Kollektoren i hver av de optiske transistorer 50 er forbundet med basisen i transistoren 53 via en isolasjonsdiode 54. Dette kopler alle overvåkningskretsene parallelt for å sperre den variable impedanskrets hvis utgangstransistoren 36 i en av belastningskretsene eller belastningsdrivkretsen kortsluttes.

Det andre utførelseseksempel på figur 2 omfatter en styrekrets 55, en belastningsdrivkrets 57 og en eller flere belastningskretser 59. Denne utførelse av oppfinnelsen ble også utviklet som prøvebelastning for en høyspenningskilde 62 med en indre motstand 64.

Et parallelt multibit digitalt signal, som bestemmer det ønskede strømnivå, tilføres inngangen i en analog-digital omformer 72 via en optisk isolator 74. Utgangssignalet fra omformeren 72 er et analogt signal som representerer den ønskede strøm. En MOS koplingstransistor 71 tilfører utgangssignalet fra omformeren 72 til inngangen i en integrator 78, som omfatter en forsterker 6 7 og en kondensator 69, og med inngangen i en summeringskrets 80,

i samsvar med et digitalt signal, som tilføres via en andre optisk isolator 73 og en forsterker 75. Når det digitale inngangssignal til den optiske isolator 73 endrer tilstand, sperres den første MOS-koplingstransistor 71 og utgangssignalet fra en inverter som er forbundet med styreelektroden i denne transistor, endrer tilstand og gjør en andre MOS-koplingstransistor 77 ledende. Denne kopler inngangene i komparatoren 78 og summeringskretsen 80 til jord og kopler ut den variable impedanskrets.

Den totale strøm gjennom den variable impedanskrets flyter gjennom en seriemotstand 76. Integratoren 78 integrerer differansen mellom signalet som opptrer over motstanden 76 og utgangssignalet fra analog-digital omformeren 72. Dette signal er et feilsignal og summeres til utgangssignalet fra omformeren 72 ved hjelp av summeringskretsen 80.

En ytterligere komparator 82 sammenligner utgangssignalet fra summeringskretsen 80 med spenningen over motstanden 76 og frembringer på utgangen et signal som er proporsjonalt med det ønskede strømnivå. Dette signal anvendes som drivsignal for belastningsdrivkretsen 57.

Utgangssignalet fra komparatoren 82 tilføres styreelektroden i en kraftfelteffekttransistor 84 og bevirker at transistoren leder detønskede strømnivå. To utseendedioder 86 og 88 beskytter felteffekttransistoren 84 fra for høy spenning mellom styreelektroden og kildeelektroden og styreelek troden og avledningselektroden. Disse dioder sammen med felteffekttransistoren 84 danner en belastningsdrivkrets 57.

Belastningsdrivkretsen 57 er seriekoplet med

en eller flere identiske belastningskretser 59 for å tilveiebringe en krets som er i stand til å tåle den ønskede spenning. Bare to belastningskretser 57 er vist på figur 2, for enkelthets skyld.

Hver av belastningskretsene 59 omfatter en FET-transistor 90 og to Zenerdioder 92,94, for å beskytte transistoren fra overdrevne spenninger. Styreelektroden i felt-ef f ekttransistoren 90 er forbundet med kildeelektroden via en motstand 95, Drivsignal tilføres styreelektroden i felteffekttransistoren 90 av to npn-transistorer 96,97, som er forbundet som Darlington-krets. En spenningsdeler bestående av tre identiske motstander 98,99 og 100 tilveiebringer for-spenning på basisen i hver av de første transistorer 96. En endring i impedansen i belastningsdrivkretsen 57, som følge av en endring av utgangssignalet fra komparatoren 82, bevirker en endring i spenningen mellom kildeelektroden i felteffekttransistoren 84 og basisen i inngangstransistoren 96. Dette resulterer i en endring av styreelektrodespenningen i felteffekttransistoren 84 og regulerer impedansen av belastningskretsen 5 9 til en verdi som er hovedsakelig lik impedansen for belastningsdrivkretsen 57. Som i det foregående utførel-seseksempel.er den totale impedans summen av impedansen for belastningskretsene 59 og belastningsdrivkretsen 57.

Hver ekstra belastningskrets svarer til de to kretser på figur 2. Disse trinn kan summeres for å gi den ønskede driftsspenning, hvor spenningen over hver av belastningskretsene i dette tilfelle er i størrelsesorden av 200 volt.

Utførelsen på figur 2 eliminerer faren for sekundært sammenbrudd av utgangstransistoren. Sammenlignet med kjente kretser kan denne utførelsesform også ha den høyeste koplingshastighet. Bortsett herfra virker disse ut-førelseseksempler på samme måte.

Claims (9)

1. Variabel impedanskrets for belastning av en spenningskilde til en ønsket strøm hvis størrelse er bestemt av et ordresignal, karakterisert ved en styrekrets for avføling av spenningskildens strømbelastning, og for.sammenligning av den avfølte strøm med ordresignalet for å frembringe et styresignal, en belastningsdrivekrets som reagerer på styresignalet for å regulere strømmen gjennom belastningsdrivekretsen til den ønskede verdi i samsvar med ordresignalet, minst én belastningskrets i serie med belastningsdrivekretsen, hvilken belastningskrets reagerer på spenningstapet over seriekoplingen av belastningsdrivkretsen og belastningskretsen for å tilveiebringe en strøm gjennom seriekoplingen hovedsakelig lik strømmen bestemt av ordresignalet, og et hovedsakelig likt spenningsfall over belastningsdrivkretsen og hver av de minst én ekstra belastningskretser.

2. Impedanskrets ifølge krav 1, karakterisert ved at styrekretsen også omfatter hjelpemidler som reagerer på et digitalt inngangssignal for kopling av strømmen gjennom en belastning mellom hovedsakelig hull og verdien bestemt av ordresignalet.

3. Impedanskrets ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at styrekretsen omfatter en analog-komparator med en første og andre inngang, hjelpemidler for å kople en spenning som er proporsjonal med strømmen til den første inngang, og en koplingsinnretning for selektivt å kople den første inngang med en analogspenning som er proporsjonal med ordresignalet og med en referansespenning, slik at strømmen pulseres.

4. Impedanskrets ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at hver av de ekstra belastningskretser omfatter en inngangstransistor som driver en utgangstransistor, hvor utgangstransistoren i serie med sin emitter har en motstand for intern tilbakekopling for å stabilisere forsterkningen i minst én ekstra belastningskrets, et antall hovedsakelig identiske motstander i serie over de seriekoplede belastningskretser, hvor spenningen i hvert knute- punkt mellom to motstander tilveiebringer en likeforspenning på basisen i den tilhørende inngangstransistor.

5. Impedanskrets ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at styrekretsen omfatter en integrator som reagerer på en spenning proporsjonal med den av-følte strøm og en spenning proporsjonal med ordresignalet for å frembringe et utgangssignal som er lik integralet av differansen mellom signalene.

6. Impedanskrets ifølge krav 5, karakterisert ved at styrekretsen omfatter en summeringskrets for å summere utgangssignalet og spenningen som er proporsjonal med ordresignalet.

7. Impedanskrets ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved en ytterligere komparator for sammenligning av utgangssignalet fra summeringskretsen med et signal proporsjonalt med strømmen gjennom impedanskretsen for å frembringe et strømstyresignal.

8. Impedanskrets ifølge et av kravene 5-7,'karakterisert ved at utgangsstyresignalet er koplet til styreelektroden i en felteffekttransistor som omfatter en belastningsdrivkrets.

9. Impedanskrets ifølge et av kravene 5-8, karakterisert ved at hver belastningskrets omfatter en felteffektutgangstransistor drevet av en Darlingtonkrets.