Opublikowano: 20.VII.1967 53556 KI. 21 c, 46/51 MKP •*•*¦• I | UKD TwórcaWynalazku: mgr inz. Jacek Korytkowski Wlasciciel patentu: Instytut Elektrotechniki, Warszawa (Polska) IIILlOTEKA Czwórnikowy diodowy czlon nieliniowy dla sygnalów pradowych Czwórnikowy diodowy czlon nieliniowy dla sygnalów pradowych jest elementem nieliniowym o charakterystyce niemal dokladnie dwuodcinko- wej dla pradu wyjsciowego w funkcji pradu wej¬ sciowego. Diodowe czlony nieliniowe przeznaczone sa do formowania charakterystyk nieliniowych róznych ukladów w technice analogowej. Uklady te znajduja zastosowanie w urzadzeniach automa¬ tyki a takze w analogowej technice przeliczania i modelowania ukladów fizycznych i technicznych.Diodowe czlony nieliniowe sa szczególnie ko¬ rzystne dla systemów automatyki przemyslowej, wykorzystujacych zazwyczaj sygnaly pradowe.Stosowane obecnie diodowe czlony nieliniowe przystosowane sa do wejsciowych sygnalów na¬ pieciowych. Uklady te przy stosowaniu napiec rzedu kilkunastu woltów (najwygodniejszych dla ukladów pólprzewodnikowych) pozwalaja uzyski¬ wac dokladnosc jedynie do ok. 1% przy czym uklady te cechuje bardzo lagodne przejscie z jed¬ nej stromosci charakterystyki na druga. Wynika to z obszernego zakresu napieciowego (ok. 200 mV), w którym znane obecnie diody przechodza ze sta¬ nu nieprzewodzenia w stan przewodzenia, oraz z duzego wplywu temperatury na charakterystyke w zakresie przewodzenia (ok. 20 mV na 10°C).Uzyskanie dokladnej charakterystyki, praktycz¬ nie wieloodcinkowej, wymaga znacznego zwiek¬ szenia zakresu napiec wejsciowych (50-5-100 V) co jest bardzo klopotliwe w technice tranzystorowej i wymaga stosowania kosztownych i dokladnych wzmacniaczy wejsciowych. Poniewaz wiekszosc systemów automatyki przemyslowej stosuje wy¬ lacznie sygnaly pradowe totez w blokach nieli- 5 niowych tych systemów konieczne jest kosztowne przetwarzanie (potrzeba dokladnych wzmacniaczy) sygnalu pradowego na napieciowy. Znane uklady diodowe dla sygnalów pradowych przeznaczone sa jedynie do realizacji prostych charakterystyk, 10 uklady te nie pozwalaja na proste formowanie dowolnych dokladnych charakterystyk nielinio¬ wych wieloodcinkowych w technice sygnalów pra¬ dowych.Wyzej opisane wady tj. mala dokladnosc ukla¬ dów napieciowych, koniecznosc stosowania do¬ kladnych i kosztownych wzmacniaczy przetwarza¬ jacych oraz niemozliwosc formowania dokladnych charakterystyk nieliniowych w technice sygnalów pradowych usuwa uklad czwórnikowych diodo- 20 wyeh czlonów wedlug wynalazku.Zgodnie z wynalazkiem elementarny diodowy czlon nieliniowy o charakterystyce dwuodcinko- wej dla sygnalów pradowych jest czwórnikiem o strukturze gamma (T) o dwu galeziach, po- 25 przecznej i wzdluznej. Kazda z galezi sklada sie z równoleglego polaczenia przynajmniej jednej diody, o pomijalnym pradzie wstecznym, z pola¬ ryzujacym zródlem pradowym. Prad tego zródla w zaleznosci od wymaganego przebiegu charakte- 30 rystyki przyjmowac moze wartosci dodatnie. 15 53556j 3 ujemne lub moze byc równy zeru. Gdy charak¬ terystyka czwórnika ma w dolnym zakresie, prze-' bieg poziomy a nastepnie liniowo narastajacy to kierunek przewodzenia diody w galezi poprzecz¬ nej czwórnika jest przeciwny, a kierunek prze¬ wodzenia diody w galezi wzdluznej jest zgodny z kierunkiem dzialania zródla pradu wejsciowego.Jezeli charakterystyka czwórnika ma w dolnym zakresie przebieg liniowo narastajacy, a nastepnie przebieg poziomy to kierunek przewodzenia diody w galezi poprzecznej czwórnika jest zgodny, a kie¬ runek przewodzenia diody w galezi wzdluznej jesl p?Fze<##hy wzgledem dzialania zródla pradu wejsciowego, W tymlprzypadku, w galezi wzdluz- *nej wlaczbne"jest%ze|egowo zródlo napiecia o kie- runku dzialania zgodnym z kierunkiem dzialania zródla pradu wejsciowego.W obydwu przypadkach gdy polaryzujace zród¬ lo pradowe jest przylaczone do galezi poprzecznej zapewnia sie wlasciwe równolegle przesuniecie odcinka narastajacego charakterystyki, a gdy po¬ laryzujace zródlo pradowe jest przylaczone do ga¬ lezi wzdluznej zapewnia sie wlasciwe równolegle przesuniecie poziomego odcinka charakterystyki.Polaczenie^ kilku elementarnych diodowych czlo¬ nów nieliniowych pozwala na uzyskanie dowol¬ nego czlonu nieliniowego o charakterystyce wie- loodcinkowej o jednym lub o wiekszej liczbie wejsc i wyjsc. Wynalazek jest blizej objasniony na przykladzie wykonania przedstawionym na ry¬ sunku.Na* fig. 1 przedstawiono schemat czwórnikowego diodowego elementarnego czlonu nieliniowego, którego charakterystyka w dolnym zakresie ma przebieg poziomy a nastepnie liniowo narastajacy, na Fig. 2 podano przebieg tej charakterystyki, na Fig. 3 przedstawiono schemat czwórnikowego diodowego elementarnego czlonu nieliniowego dla sygnalów pradowych, którego charakterystyka w dolnym zakresie ma przebieg liniowo narastajacy a nastepnie przebieg poziomy, na Fig. 4 podano przebieg tej charakterystyki.W przykladzie podanym na Fig. 1 sygnaly pra¬ dowe wejsciowy i wyjsciowy oznaczono odpo¬ wiednio Iwe oraz 1^. Czwórnik jest utworzony przez uklad diod Bt i D2 oraz zródel pradowych polaryzujacych Ia i Ib . Jezeli pradowy sygnal wejsciowy jest mniejszy od wartosci Ia hlb to dioda D4 jest polaryzowana w kierunku przewo¬ dzenia, gdyz w tym kierunku przez nia plynie róznica pradów (Ia+I^)—Iwe. Sygnal wyjsciowy Iwy jest równy pradowi polaryzujacemu 1^ gdyz dioda D2 jest polaryzowana wstecznie a prad jej jest praktycznie pomijamy. Tak wiec w zakresie pradu wejsciowego mniejszego od sumy pradów Ia+Ib charakterystyka czwórnika przebiega po¬ ziomo tak jak to przykladowo podaje Fig. 2.Jezeli pradowy sygnal wejsciowy Iwe jest wiek¬ szy od wartosci I +1 to dioda Dt polaryzowana jest w kierunku wstecznym przez zródlo sygnalu wejsciowego. Prad wyjsciowy Iwy jest równy róz¬ nicy pradów Iwe —Ia. gdyz prad wsteczny diody Di jest pomijamy, a dioda D2 polaryzowana jest w kierunku przewodzenia i przewodzi róznice pra¬ dów I^ —Ib. Tak wiec w rozpatrywanym zakre- 4 sie pradu wejsciowego (Iwe"Ia+Ij) charaktery¬ styka czwórnika narasta liniowo tak jak to przy¬ kladowo podaje Fig. 2.W przykladzie podanym na Fig. 3 sygnaly pra- 5 dowe wejsciowy i wyjsciowy oznaczono odpowied¬ nio Iwe oraz 1^, czwórnik jest utworzony przez uklad diod Dx i D2 i zródel pradowych polary¬ zujacych Ia i Ib oraz zródlo napieciowe pomocni¬ cze Up. Jezeli pradowy sygnal wejsciowy Iwe jest 10 mniejszy od wartosci Ia+Ib to pomocnicze zródlo napieciowe Up polaryzuje wstecznie diode Dj i na wyjsciu czwórnika prad jest równy wartosci Iwe—Ia, poniewaz prad wsteczny diody Dj jest pomijalny, a dioda D2 jest polaryzowana w kie- 15 runku przewodzenia i przewodzi prad Ib—Iwe .W zakresie tym, charakterystyka czwórnika, na¬ rasta liniowo tak jak to przykladowo podano na Fig. 4.Jezeli pradowy sygnal wejsciowy Iwe jest wiek- 20 szyod wartosci Ia+Ib to wystepuje wsteczna po¬ laryzacja diody D2 przez zródlo napiecia Up^ Prad wyjsciowy Iwy przyjmuje wartosc równa Ib, gdyz prad wsteczny diody D2 jest pomijalny a dioda ii jest polaryzowana w kierunku przewodzenia 25 i przewodzi róznice pradów (Iwe—Ia)—Ib. Tak wiec w zakresie pradu wejsciowego wiekszego od wartosci I +1^ charakterystyka czwórnika prze¬ biega poziomo tak jak to przykladowo podaje Fig. 4. 30 Istotna zaleta diodowych ukladów wedlug wy¬ nalazku jest to, ze dzieki odpowiedniemu wyko¬ rzystaniu pradowej charakterystyki diody o prak¬ tycznie pomijalnym pradzie wstecznym (np. diody krzemowej) umozliwiaja one realizacje bardzo 35 stabilnych i niemal dokladnie wieloodcinkowych charakterystyk nieliniowych. Przy stosowaniu przecietnych diod krzemowych uchyby powodo¬ wane zmiana temperatury diod sa pomijalne (rze¬ du 0,02% w stosunku do 5 mA dla temperatury 40 50°C), a o niestabilnosci charakterystyk decyduje jedynie stabilnosc polaryzujacych pomocniczych zródel pradowych. PL