Предпосылки создания изобретения

Область техники

Настоящее изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности, к измерительному оборудованию, силовой электронике, радиотехнике и связи, а также потребительской электронике. Изобретение предназначено для управления изменением сопротивления участка электрической цепи с помощью электронных средств.

Предшествующий уровень техники

Проблема изменения сопротивления участка электрической цепи в широком диапазоне с помощью электронных средств является одной из актуальных проблем, решение которой открывает новые возможности для создания автоматизированных электротехнических, радиоэлектронных и других устройств широкого применения, в том числе для Интернета вещей (1оТ).

Устройство управления электронно-управляемым резистором (ЭУР) обеспечивает формирование управляющего напряжения, которое изменяет сопротивление активного элемента электронно-управляемого резистора в широких пределах, в зависимости от величины входного воздействия.

Упомянутый ЭУР в общем случае включает в себя активный элемент, измерительный резистор и устройство управления для ЭУР. Входным воздействием является изменение сопротивления управляющего переменного резистора, например, механического потенциометра, фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.д., который не является частью ЭУР.

В данной области техники известен ряд решений. Например, в патентах RU2666786, RU2661348, RU2658681, US10447167, 1670920 (TW), 1674742 (TW) и KR10-2054359 описано устройство управления активным элементом ЭУР, имеющее нижеследующую совокупность существенных признаков (см. рис. 1 любой из указанных публикаций, на котором изображено известное устройство управления):

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к источнику управляющего напряжения; - второй вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР;

- третий вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к управляющему выводу активного элемента, входящего в состав электронно-управляемого резистора.

Известная схема управления дополнительно содержит операционный усилитель, опорный резистор, резистор обратной связи и источник постоянного напряжения, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к первому выводу опорного резистора, второй вывод которого подключён к первому выводу схемы управления.

При этом неинвертирующий вход операционного усилителя также подсоединён к первому выводу резистора обратной связи, второй вывод которого подсоединён к выходу операционного усилителя, который, в свою очередь, подсоединён к третьему выводу схемы управления, кроме того, инвертирующий вход операционного усилителя подключён к положительному полюсу источника постоянного напряжения.

Недостатками известного решения являются: недостаточная точность управления сопротивлением участка электрической цепи, особенно при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры окружающей среды);

- невозможность использовать для управления сопротивлением участка электрической цепи изменяющееся сопротивление переменных резисторов (фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.).

В качестве второго аналога выбрано техническое решение, раскрытое в описании изобретения SU1807554, опубликовано 07.04.93 г. (см. рис. 2 и 3 публикации). Известное решение для управления сопротивлением участка электрической цепи содержит:

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к высокопотенциальному выводу ЭУР;

- второй вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к первому входу измерительного резистора, входящего в состав ЭУР; - третий вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к источнику управляющего воздействия в виде изменяющегося аналогового напряжения;

- четвёртый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР.

Известное решение также содержит:

- схему преобразования управляющих воздействий;

- операционный усилитель;

- резистор обратной связи;

- ограничительный резистор;

- источник постоянного напряжения.

При этом неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к первому выводу ограничительного резистора, второй вывод которого подсоединён к четвёртому выводу схемы управления.

Инвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к выходу схемы преобразования управляющих воздействий, а также к первому выводу резистора обратной связи, второй вывод которого подсоединён к выходу операционного усилителя и к второму выводу схемы управления.

Первый вход схемы преобразования управляющих воздействий подсоединён к первому выводу схемы управления, второй вход схемы преобразования управляющих воздействий подсоединён к третьему выводу схемы управления, а третий вход схемы преобразования управляющих воздействий подсоединён к положительному полюсу источника постоянного напряжения.

Выход операционного усилителя подсоединён к второму выводу схемы управления.

Данное решение имеет следующие недостатки:

- отсутствие управления активным элементом ЭУР; невозможность использовать для управления изменяющееся сопротивление переменных резисторов (фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.);

- обратная зависимость сопротивления ЭУР от управляющего воздействия в виде изменяющегося аналогового напряжения;

- невозможность получить достаточно малую величину сопротивления электронно-управляемого резистора, что часто бывает необходимо на практике. Последнее связано с тем, что в известном техническом решении ток, протекающий через измерительный резистор, замыкается на общий провод через последовательно соединённые измерительный и ограничительный резисторы. Поэтому, на практике существует зависимость величины сопротивления ЭУР от величины сопротивления указанных резисторов. И пренебречь этой составляющей возможно только при условии, что сопротивление измерительного резистора во много раз больше суммарного сопротивления указанных резисторов, что и порождает вышеуказанный недостаток.

Известно также решение для управления сопротивлением участка электрической цепи, раскрытое в описании изобретения в патенте США N° 4833472 от 23 мая 1989 г.

Известное техническое решение содержит (см. рис. 1 указанной публикации):

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к высокопотенциальному выводу ЭУР;

- второй вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к первому выводу измерительного резистора, входящему в состав ЭУР;

- третий вывод (группа выводов) схемы управления, предназначенный для её подсоединения к источнику управляющих цифровых кодов; четвёртый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР; пятый вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к управляющему выводу активного элемента, входящего в состав ЭУР.

Известная схема управления также содержит операционный усилитель, умножитель и цифро-аналоговый преобразователь.

При этом неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к первому выводу схемы управления.

Инвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к выходу цифро-аналогового преобразователя, входы которого подсоединены к выходам умножителя, а выход операционного усилителя подсоединён к пятому выводу схемы управления. Третий вывод (группа выводов) устройства управления подсоединён к первому входу (группе входов) умножителя, а второй вход умножителя подсоединён к второму выводу схемы управления.

Основным недостатком известного решения является невозможность использовать для управления изменяющееся сопротивление переменных резисторов (фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.).

Известно также решение для управления сопротивлением участка электрической цепи, раскрытое в описании изобретения JPS5111404 от 7 октября 1976 года.

Известное техническое решение содержит (см. рис. 1 указанной публикации):

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к высокопотенциальному выводу ЭУР;

- второй вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к первому выводу измерительного резистора, входящему в состав ЭУР;

- третий вывод (группа выводов) схемы управления, предназначенный для её подсоединения к источнику управляющих цифровых кодов;

- четвёртый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к второму выводу источника управляющих цифровых кодов;

- пятый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР;

- шестой вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к управляющему выводу активного элемента, входящего в состав ЭУР.

Известная схема управления также содержит выходной и промежуточный операционные усилители, повторитель, инвертор, резистор смещения, опорный резистор и цифро-аналоговый преобразователь.

При этом вход повторителя подсоединён к первому выводу схемы управления, а его выход подсоединён к первому выводу опорного резистора, второй вывод которого подсоединён к инвертирующему входу промежуточного операционного усилителя.

Инвертирующий вход промежуточного операционного усилителя через резистор смещения также подсоединён к выходу цифро-аналогового преобразователя, входы которого подсоединены к третьему выводу (группе выводов) схемы управления.

Неинвертирующий вход промежуточного операционного усилителя подсоединён к пятому выводу схемы управления, а его выход подсоединён через инвертор к ненвертирующему входу выходного операционного усилителя, инвертирующий вход которого подсоединён к второму выводу схемы управления.

Недостатком известного решения является невозможность использовать для управления изменяющееся сопротивление переменных резисторов (фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.).

Известно также решение для управления сопротивлением участка электрической цепи, раскрытое в описании заявки на изобретение DE 3239309 от 26 апреля 1984 г.

Известное решение для управления сопротивлением участка электрической цепи содержит (см. рис.2 указанной публикации):

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к высокопотенциальному выводу ЭУР;

- второй вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к первому выводу преобразователя ток-напряжение, входящему в состав ЭУР;

- третий вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к источнику управляющего напряжения, выполненному в виде цифро-аналогового преобразователя; четвёртый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к второму выводу источника управляющего напряжения;

- пятый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР; шестой вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к управляющему выводу активного элемента, входящего в состав ЭУР.

Известная схема управления содержит также операционный усилитель и аналоговый делитель напряжения на ток.

При этом инвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к второму выводу схемы управления, а неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к выходу аналогового делителя напряжения на ток. Главным недостатком известного решения является невозможность использовать для управления изменяющееся сопротивление переменных резисторов (фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.).

В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрано техническое решение, раскрытое в описании европейской заявки на изобретение ЕР3182243А1, от 21 июня 2017. Известное решение для управления сопротивлением участка электрической цепи содержит (см. рис.1 указанной публикации, который аналогичен рис.1 настоящей заявки):

- первый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к высокопотенциальному выводу ЭУР;

- второй вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к первому выводу измерительного резистора, входящему в состав ЭУР;

- третий вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к первому выводу управляющего резистора; четвёртый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к второму выводу переменного управляющего резистора;

- пятый вывод схемы управления, предназначенный для её подсоединения к низкопотенциальному выводу ЭУР;

- шестой вывод схемы управления, являющийся её выходом и предназначенный для её подсоединения к управляющему входу активного элемента, входящего в состав ЭУР.

Известная схема управления содержит также операционный усилитель, опорный резистор, источник постоянного напряжения и неуправляемый генератор тока.

При этом неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к четвёртому выводу устройства управления и к первому выводу опорного резистора, второй вывод которого подсоединён к пятому выводу схемы управления.

Инвертирующий вход операционного усилителя подсоединён к второму выводу схемы управления.

Выход операционного усилителя подсоединён к шестому выводу схемы управления. Первый и третий выводы устройства управления соединены между собой и подсоединены к выходу неуправляемого генератора тока, вход которого подсоединён к положительному полюсу источника постоянного напряжения.

Недостатком известного технического решения является невозможность непосредственного использования цифровых потенциометров в качестве управляющего резистора.

Цифровые потенциометры не имеют ни активных элементов, ни измерительных резисторов, и, таким образом, не входят в предшествующий уровень техники.

Соответственно, в данной области техники существует потребность в устройстве управления ЭУР, которое позволяет точно устанавливать сопротивление (в том числе достаточно малое) для данной части схемы в широком диапазоне, а также позволяет использовать различные управляющие резисторы, включая цифровые потенциометры, для установки необходимого сопротивления.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является преодоление недостатков известных решений и создание таких устройств управления электронно- управляемыми резисторами, которые обеспечивают точную установку требуемого (в том числе достаточно малого) значения сопротивления участка электрической цепи в широких пределах, при этом позволяя использовать различные виды переменных управляющих резисторов, включая цифровые потенциометры, для упомянутой установки требуемого значения сопротивления.

Технический результат, который, как представляется, невозможно достичь ни одним из известных решений, заключается в возможности применения цифровых потенциометров в качестве переменного управляющего резистора для получения малых и сверхмалых сопротивлений ЭУР, При этом ЭУР, обладающие этими свойствами, можно использовать в широком диапазоне рабочих напряжений и токов.

В нижеследующих описании и формуле, если говорится, что элемент «соединён» с другим элементом, то элемент может быть «непосредственно соединён» с другим элементом или «электрически соединён» через третий элемент.

Кроме того, если иное не оговорено особо, термин «содержит» и его производные («содержащий», «содержащийся», «включающий в себя» и иные аналогичные термины) понимаются как включение указанных элементов, но не как исключение любых других элементов.

С одной стороны, для достижения указанного технического результата устройство управления ЭУР (одна из реализаций которого изображена на рис. 2) может содержать: генератор тока, вырабатывающий выходной ток; усилитель, принимающий входное напряжение, пропорциональное выходному току, и подающий усиленное входное напряжение на первый вход сумматора; делитель напряжения, содержащий резистор смещения и опорный резистор, включённые последовательно между высокопотенциальным и низкопотенциальным выводами ЭУР; буферный каскад, принимающий выходной сигнал измерительного резистора, входящего в состав ЭУР, причём выходное напряжение буферного каскада подаётся на генератор тока и на второй вход сумматора, на выходе которого формируется суммарное напряжение. Кроме того, устройство управления ЭУР может содержать операционный усилитель, на первый вход которого поступает напряжение со средней точки делителя, на второй вход которого поступает суммарное напряжение, а на выходе формируется управляющее напряжение, поступающее на активный элемент ЭУР.

Дополнительно к сказанному, переменный управляющий резистор одним своим выводом подсоединён к низкопотенциальному выводу ЭУР, вторым своим выводом подсоединён к токовому выходу устройства управления, при этом входное напряжение устройства управления представляет собой напряжение на переменном резисторе. Дополнительно к сказанному, активный элемент ЭУР может представлять собой полевой МОП-транзистор. Дополнительно к сказанному, генератор тока представляет собой управляемый генератор тока. Дополнительно к сказанному, активный элемент и измерительный резистор, входящие в состав ЭУР, могут быть соединены последовательно.

Дополнительно к сказанному, управляемый генератор тока (одна из реализаций которого изображена на рис. 3) может содержать второй операционный усилитель, принимающий выходное напряжение буферного каскада и напряжение, пропорциональное сопротивлению первого резистора управляемого генератора тока; первый транзистор, принимающий выходное напряжение второго операционного усилителя и выводящий задающий ток на первый резистор; второй резистор, включённый последовательно между источником напряжения и первым транзистором, при этом точка соединения второго резистора и первого транзистора подсоединена к первому входу третьего операционного усилителя; третий резистор, включённый последовательно между источником напряжения и вторым транзистором, при этом точка соединения третьего резистора и второго транзистора подсоединена ко второму входу третьего операционного усилителя; второй транзистор, принимающий выходное напряжение третьего операционного усилителя и подающий управляемый ток на выход управляемого генератора тока.

С другой стороны, ЭУР, содержащий вышеописанное устройство управления, может содержать: генератор тока, вырабатывающий выходной ток; усилитель, принимающий входное напряжение, пропорциональное выходному току и величине сопротивления переменного управляющего резистора, и подающий усиленное входное напряжение на первый вход сумматора; делитель напряжения, содержащий резистор смещения и опорный резистор, включённые последовательно между высокопотенциальным и низкопотенциальным выводами ЭУР; активный элемент и измерительный резистор, включённые последовательно между высокопотенциальным и низкопотенциальным выводами ЭУР; буферный каскад, принимающий выходной сигнал измерительного резистора, входящего в состав ЭУР, причём выходное напряжение буферного каскада подаётся на генератор тока и на второй вход сумматора, на выходе которого формируется суммарное напряжение. Кроме того, устройство управления ЭУР может содержать операционный усилитель, на первый вход которого поступает напряжение со средней точки делителя, на второй вход которого поступает суммарное напряжение, а на выходе формируется управляющее напряжение, поступающее на активный элемент ЭУР.

Дополнительно к сказанному, переменный управляющий резистор одним своим выводом подсоединён к низкопотенциальному выводу ЭУР, вторым своим выводом подсоединён к токовому выходу устройства управления, при этом входное напряжение устройства управления представляет собой напряжение на переменном резисторе. Дополнительно к сказанному, активный элемент ЭУР может представлять собой полевой МОП-транзистор. Дополнительно к сказанному, генератор тока представляет собой управляемый генератор тока.

Дополнительно к сказанному, управляемый генератор тока может содержать второй операционный усилитель, принимающий выходное напряжение буферного каскада и напряжение, пропорциональное сопротивлению первого резистора управляемого генератора тока; первый транзистор, принимающий выходное напряжение второго операционного усилителя и выводящий задающий ток на первый резистор; второй резистор, включённый последовательно между источником напряжения и первым транзистором, при этом точка соединения второго резистора и первого транзистора подсоединена к первому входу третьего операционного усилителя; третий резистор, включённый последовательно между источником напряжения и вторым транзистором, при этом точка соединения третьего резистора и второго транзистора подсоединена ко второму входу третьего операционного усилителя; второй транзистор, принимающий выходное напряжение третьего операционного усилителя и подающий управляемый ток на выход управляемого генератора тока.

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут изложены в нижеследующем описании, частично будут очевидны из этого описания или могут быть изучены при практическом использовании изобретения. Преимущества изобретения будут реализованы и достигнуты за счет структуры, конкретно указанной в описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.

Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются иллюстративными и пояснительными и предназначены для дополнительного объяснения заявленного изобретения.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Прилагаемые чертежи, которые представлены для углубления понимания заявляемого изобретения, включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов действия заявляемого изобретения.

На чертежах:

На рис.1 представлена схема устройства-прототипа (Prior art).

На рис.2 представлен один из возможных вариантов реализации устройства управления активным элементом ЭУР при управляющем воздействии в виде изменяющегося сопротивления переменного резистора (например, механического потенциометра, фоторезистора, терморезистора, цифрового потенциометра и т.п.).

На рис.З представлен один из возможных вариантов реализации управляемого генератора тока, входящего в состав устройства управления.

На рис.4 показаны экспериментальные результаты макетирования устройства. Подробное описание осуществления изобретения

Далее будут детально рассмотрены особенности реализации заявляемого изобретения, иллюстрируемые приложенными чертежами.

Для того, чтобы достичь вышеуказанного технического результата, предложенное устройство включает в себя (см. рис.2, который иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства управления 220 для электронно- управляемого резистора 222) следующие элементы и их связи:

- первый вывод 1 устройства управления 220/ предназначенный для его подсоединения к первому выводу переменного управляющего резистора Rc;

- второй вывод 2 устройства управления 220, предназначенный для его подсоединения к первому выводу измерительного резистора Rsense, входящему в состав ЭУР 222;

- третий вывод 3 устройства управления 220, предназначенный для его подсоединения к управляющему выводу активного элемента 224, входящего в состав ЭУР 222;

- четвёртый вывод 4 устройства управления 220, предназначенный для его подсоединения к второму выводу переменного управляющего резистора Rc;

- пятый вывод 5 устройства управления 220, предназначенный для его подсоединения к низкопотенциальному выводу 12 ЭУР 222;

- шестой вывод 6 устройства управления 220, предназначенный для его подсоединения к высокопотенциальному выводу 10 ЭУР 222

- операционный усилитель 208;

- опорный резистор R _ref ; а также

- источник постоянного напряжения 214 (например, батарея), причём неинвертирующий вход операционного усилителя 208 подсоединён к первому выводу опорного резистора R _ref , второй вывод которого подсоединён к пятому выводу 5 устройства управления 220, а выход операционного усилителя 208 подсоединён к третьему выводу 3 устройства управления 220.

Устройство управления 220 дополнительно снабжено:

- резистором смещения R _bias ;

- усилителем 204;

- сумматором 206;

- буферным каскадом 210; а также

- управляемым генератором тока 212, при этом

- первый вывод резистора смещения R _bias , подсоединён к шестому выводу 6 устройства 220, а второй вывод резистора смещения R _bias подсоединён к неинвертирующему входу операционного усилителя 208,

- вход усилителя 204 подсоединён к первому выводу 1 устройства, а выход усилителя 204 подсоединён к первому входу сумматора 206, выход которого подсоединён к инвертирующему входу операционного усилителя 208,

- второй вывод 2 устройства подсоединён к входу буферного каскада 210, выход которого подсоединён и к второму входу сумматора 206, и к управляющему входу 24 управляемого генератора тока 212,

- вход питания 22 упомянутого управляемого генератора тока 212 подсоединён к положительному выводу источника питания постоянного тока 214, отрицательный вывод которого подсоединён к общему проводу, а также

- выход 26 упомянутого управляемого генератора тока 212 подсоединён к упомянутому первому выводу 1 устройства, предназначенному для подачи через него управляющего воздействия в виде изменяющегося сопротивления переменного управляющего резистора R _c .

Введение резистора смещения R _bias , усилителя 204, сумматора 206, буферного каскада 210 и управляемого генератора тока 212 с соответствующими подсоединениями, согласно предлагаемому техническому решению, позволяет, в процессе преобразования напряжения Ui, поступающего с высокопотенциального вывода 10 ЭУР 222, создать на неинвертирующем входе операционного усилителя 208 потенциал:

Ui’ = Ui * R _ref /( R _ref + Rbias) , (1) где Rbias - величина сопротивления упомянутого резистора смещения,

Rref - значение сопротивления опорного резистора.

В то же время, на инвертирующий вход операционного усилителя 208 поступает суммарный сигнал S, слагаемые которого формируются следующим образом:

Первое слагаемое, Si, поступает на первый вход сумматора 206 с первого вывода 1 заявляемого устройства 220 через усилитель 204 с коэффициентом усиления К' и представляет собой усиленное падение напряжения на переменном управляющем резисторе R _c , созданное током leg управляемого генератора тока

212, т.е.

S = К' * leg* R _c (2)

Второе слагаемое, S2, поступает на второй вход сумматора 206 с второго вывода 2 заявляемого устройства через буферный каскад 210 с единичным коэффициентом передачи и представляет собой напряжение U2 с измерительного резистора R _sensc , входящего в состав ЭУР 222, управляемого предлагаемым устройством 220.

Это напряжение определяется формулой:

U 2 ⁼ Iq * R sense » (3) где Rs _ense - номинал измерительного резистора, который может быть выбран таким малым, как это только возможно с точки зрения технической реализации,

1о - величина тока, который протекает через электронно-управляемый резистор 222 и задаётся активным элементом 224, входящим в состав ЭУР 222. Следовательно,

S2 = U2 = Io * Rsense, (4)

А величина суммарного сигнала S на инвертирующем входе операционного усилителя 208 получается равной:

S = Si +S ₂ = K’ * leg* Rc + Io * Rsense (5)

Учтём теперь, что ток leg управляемого генератора тока 212 зависит от напряжения U2, поступающего на управляющий вход 24 управляемого генератора тока с выхода буферного каскада 210, т. е.

Icg= U ₂ *Gcg = Io * Rsense * Gcg, (6) где Gcg - коэффициент преобразования управляющего напряжения U2 в ток, имеющий размерность проводимости.

Следовательно, на основании формул (5) и (6), получаем, что:

S= К’ * Io * Rsense * Gcg * Rc +I ₀ * Rsense

= Io* R _se n _se *(l+ K’ * R _c * Gcg) (7)

Разница между Ui' и S с выхода операционного усилителя 208 подаётся в виде управляющего сигнала U _contr (U _contr ⁼ Ui' - S) на третий вывод 3 схемы управления 220, предназначенный для её подсоединения к управляющему выводу активного элемента 224, входящего в состав ЭУР 222, т.е. на выход заявляемого устройства. Благодаря большому коэффициенту усиления в цепи обратной связи (операционный усилитель 208 - активный элемент 224 ЭУР - измерительный резистор Rsense - буферный каскад 210 - сумматор 206 - операционный усилитель

208), с достаточной для практики точностью выполняется соотношение Ui ~ S.

Следовательно, см. (1) и (7):

Ui * Rref /( Rref + Rbias) = h * Rsense *(1+ K' * R _c * Gcg) , (8)

Откуда сразу же следует, что Ro - сопротивление ЭУР между высокопотенциальным выводом 10 и низкопотенциальным выводом 12 - равно:

Ro = Ui / Io = Rsense *(1+ K' * R _c * Gcg) /(1+ Rbias / Rref) (9)

Из формулы (9) видно, что сопротивление ЭУР согласно предлагаемому техническому решению прямо пропорционально величине сопротивления измерительного резистора Rsense, а также пропорционально величине управляющего воздействия, которое соответствует сопротивлению переменного управляющего резистора Rc (например, цифрового потенциометра).

Из формулы (9) также следует возможность получения малых и сверхмалых значений Ro при малых значениях R _sen se, при одновременном выполнении соотношений:

R _c * (К ^* * Gcg) « 1 И Rbias - R ref (Ю)

В качестве переменного управляющего резистора R _c , так же как, и в прототипе, могут быть использованы механический потенциометр, фоторезистор или терморезистор.

В отличие от прототипа, имеется возможность применения цифровых потенциометров в качестве переменного управляющего резистора для получения малых и сверхмалых значений сопротивлений ЭУР, которые можно использовать в широком диапазоне рабочих напряжений и токов, что позволяет достичь указанного выше технического результата.

Предлагаемое устройство управления электронно-управляемым резистором согласно рис.2 работает следующим образом.

При изменении управляющего воздействия, соответствующего изменению величины сопротивления переменного управляющего резистора R _c (например, цифрового потенциометра), напряжение UR _C передаётся с этого резистора через усилитель 204, имеющий коэффициент передачи К', и поступает на первый вход сумматора 206 в виде первого слагаемого Si = K'*UR _c . На второй вход сумматора 206 через буферный каскад 210 поступает второе слагаемое S2 в виде напряжения U2 с измерительного резистора R _sen se, входящего в состав ЭУР 222. Указанное напряжение определяется формулой (3), то есть U2 = Io * Rsense, поэтому и

S2 = Io * Rsense (см. формулу (4)), где Rsense - номинал измерительного резистора, который может быть выбран таким малым, как это только возможно с точки зрения технической реализации.

Значение напряжения U2, как указано выше, равно падению напряжения на измерительном резисторе R _sense , созданному током 1 ₀ , протекающим через ЭУР 222. Фактически ток 1о протекает по цепи: высокопотенциальный вывод 10 ЭУР 222 - активный элемент 224 - последовательно соединённый с ним измерительный резистор R _sense - низкопотенциальный вывод 12 ЭУР 222 (благодаря наличию разности потенциалов U _f между высокопотенциальным 10 и низкопотенциальным 12 выводами ЭУР 222).

Таким образом, в результате суммирования напряжений K'*UR _C and U2 , т.е.

K'*UR _C = SI и U2 = S2 = Io * Rsense, на выходе сумматора 206 формируется промежуточный сигнал:

S = Si + S ₂ = К'* U _Rc + Io * Rse _nse , (P) который поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 208.

В то же время с шестого вывода 6 устройства 220 через делитель, образованный резистором смещения R _bias и опорным резистором R _ref , на неинвертирующий вход операционного усилителя 208 поступает=потенциал Ui', равный (см. формулу (1)): Ui' = Ui /( 1+ R _bias / R _ref )·

С выхода операционного усилителя 208 на третий вывод 3 заявляемого устройства 220, предназначенный для его подсоединения к управляющему выводу активного элемента 224, входящего в состав электронно-управляемого резистора 222, т.е. на выход заявляемого устройства, поступает разность величин S и Ui' в виде управляющего напряжения U _COntr (U _co m _r = Ui' - S). С третьего вывода 3 заявляемого устройства 220 управляющее напряжение U _COntr подаётся на управляющий вывод активного элемента 224.

При этом, если величина промежуточного сигнала S на инвертирующем входе операционного усилителя 208 больше, чем величина напряжения Ui', то напряжение U _contr на управляющем выводе активного элемента 224 призакрывает активный элемент 224, ток 1о через него уменьшается, в результате уменьшается напряжение U2, которое через буферный каскад 210 поступает на второй вход сумматора 206 в виде второго слагаемого. S2 = Io* Rsense, см. формулу (4). Кроме того, напряжение U2 поступает на управляющий вход 24 управляемого генератора тока 212 и уменьшает его ток leg в соответствии с формулой (6): Icg= U2 *Gcg = I ₀

* Rsense * Gcg, где Gcg - коэффициент преобразования управляющего напряжения U2 в ток, имеющий размерность проводимости.

Уменьшение тока leg управляемого генератора тока 212 приводит к уменьшению падения напряжения на переменном управляющем резисторе Rc (например, на цифровом потенциометре), в результате, после усиления в К' раз в усилителе 204, уменьшается и первое слагаемое Si на первом входе сумматора 206, которое имеет вид (на основе формул (2) и (6)) :

Si = К' * leg* R _c = 1 ₀ * Rsense * Gcg* K' * Rc (12)

В результате суммирования слагаемых Si и S2 в сумматоре 206, на его ВЫХОДе формируется Промежуточный СИГНаЛ (СМ. формулу (7)): S = Io* Rsense *(1 + К' * R _c * Gcg) , который уменьшается в силу ранее описанного уменьшения тока 1о.

И в силу большого коэффициента усиления операционного усилителя 208 этот процесс будет происходить до тех пор, пока промежуточный сигнал S на инвертирующем входе операционного усилителя 208 не станет равным величине UV на неинвертирующем входе операционного усилителя 208.

С другой стороны, если величина промежуточного сигнала S на выходе сумматора 206 меньше, чем величина напряжения U ', то напряжение U _contr на управляющем выводе активного элемента 224 приоткрывает активный элемент 224, ток 1о через него увеличивается, в результате увеличивается напряжение U2, которое через буферный каскад 210 поступает на второй вход сумматора 206 в виде второго слагаемого S2 = Io * R _sense , см. формулу (4). Кроме того, напряжение U ₂ поступает на управляющий вход 24 управляемого генератора 212 тока и увеличивает его ток leg в соответствии с формулой (6): Icg= U2 *Gcg = Io * Rsense * Gcg, При этом возрастает также первое слагаемое: Si = Io * Rsense * Gcg* K' * Rc (согласно формуле (12)).

В результате суммирования двух возрастающих слагаемых Si и S2 в сумматоре 206 на его выходе формируется промежуточный сигнал S, описываемый формулой (7), который увеличивается в силу ранее описанного увеличения тока 1о.

И в силу большого коэффициента усиления усилителя 208 этот процесс будет происходить до тех пор, пока промежуточный сигнал S на инвертирующем ww ZWZZ/Z43 ^JJ PCT/RU2021/000199 входе операционного усилителя 208 снова не станет равным величине Ui' на неинвертирующем входе операционного усилителя 208, т.е. S = Ui'.

Таким образом, благодаря наличию глубокой обратной связи, охватывающей операционный усилитель 208 - активный элемент 224 ЭУР 222 - измерительный резистор R _sen se - буферный каскад 210 - сумматор 206 - операционный усилитель 208 в предлагаемом техническом решении с достаточной для практики точностью всегда будет выполняться соотношение

S = U ₎ '.

Или, подставляя соответствующие значения из (1) и (11), опять получаем формулу (8): Ui * Rref /( Rxef + Rbias) = Io* Rsense *(1+ K' * Rc * Gcg)

Соотношение (8) устойчиво выполняется при воздействии различных дестабилизирующих факторов, в том числе при изменении температуры в широких пределах, что обеспечивается глубиной упомянутой обратной связи.

Примем теперь во внимание, что величина сопротивления Ro между высокопотенциальным выводом 10 ЭУР 222 и его низкопотенциальным выводом 12 равна частному от деления напряжения Ui на ток 1о, протекающий по цепи: высокопотенциальный вывод 10 ЭУР 222 - активный элемент 224 - последовательно соединённый с ним измерительный резистор Rse _nse низкопотенциальный вывод 12 ЭУР 222 т.е.

Ro = Ui / Io (13)

Из соотношений (8) и (13) получаем величину сопротивления между высокопотенциальным выводом ЭУР 222 и его низкопотенциальным выводом:

Ro = Ui / Io = Rsense *0+ K' * R _c * Gcg) /(1+ Rbias / Rref), что соответствует формуле (9).

Таким образом, доказано, что путём формирования промежуточного сигнала на выходе сумматора 206 в виде (7): S= Io* R _sense *(1+ K' * R _c * Gcg), дальнейшей подачи этого сигнала на второй (инвертирующий) вход операционного усилителя 208, подачи на первый (неинвертирующий) вход операционного усилителя потенциала (см. формулу 1), равного Ui' = Ui /(1+ R _bias /R _ref ), и обеспечения равенства S = Ui' за счёт вышеописанной глубокой обратной связи, величина Ro сопротивления ЭУР 222 в предлагаемом техническом решении прямо пропорциональна величине сопротивления измерительного резистора R _sen se, а также пропорциональна величине управляющего воздействия, которое соответствует значению сопротивления переменного управляющего резистора R _c (например, цифрового потенциометра).

Из соотношения (9) следует возможность получения малых и сверхмалых значений Ro при достаточно большом токе 1о, который обеспечивается активным элементом 224. Таким образом, для управления сопротивлением участка электрической цепи используют управляющее воздействие, соответствующее значению изменяющегося сопротивления Rc (например, цифрового потенциометра), и при этом сопротивление ЭУР 222 пропорционально величине управляющего воздействия, которое соответствует значению сопротивления переменного управляющего резистора R _c (например, цифрового потенциометра).

На рис. 3 обозначены следующие элементы управляемого генератора тока

212:

- 302 - второй операционный усилитель;

- 303 - третий операционный усилитель;

- 311 - первый полевой МОП-транзистор;

- 312 - второй полевой МОП-транзистор;

- Rcgl - первый резистор управляемого генератора 212 тока;

- Rcg2 - второй резистор управляемого генератора 212 тока;

- Rcg3 - третий резистор управляемого генератора 212 тока;

Управляемый генератор тока 212 согласно рис. 3 работает следующим образом.

Сигнал S2, который является управляющим сигналом для управляемого генератора тока 212, поступает на его вход управления 24 и далее на неинвертирующий вход (+) второго операционного усилителя 302, выход которого подсоединён к затвору первого полевого МОП-транзистора 311. Исток первого полевого МОП-транзистора 311 подсоединён к инвертирующему входу (-) второго операционного усилителя 302 и к первому выводу первого резистора Rcgl управляемого генератора тока 212, второй вывод 28 первого резистора Rcgl подсоединён к низкопотенциальному выводу 12 ЭУР 222 (см. также рис.2). По цепи сток-исток первого полевого МОП-транзистора 311 протекает ток Icgl, который создаёт на первом резисторе Rcgl управляемого генератора тока 212 падение напряжения:

U cgl = Icgl* Rcgl (14) Благодаря глубокой обратной связи, которой охвачены второй операционный усилитель 302 и первый полевой МОП-транзистор 311 , сигнал S2 на неинвертирующем входе (+) второго операционного усилителя и напряжение

Ucgl на его инвертирующем входе (-) с достаточной для практики точностью равны между собой, т.е.

S ₂ = U cgl (15)

Отсюда ток, протекающий через первый МОП-транзистор 311, равен

Icgl = S ₂ / Rcgl, (16), и этот ток создаёт на втором резисторе Rcg2 управляемого генератора тока 212 падение напряжения:

U cg2 = Icgl * Rcg2 (17)

Поскольку первый вывод второго резистора Rcg2 подсоединён к выводу 22 управляемого генератора тока 212, на который подаётся напряжение питания Е, а второй вывод второго резистора Rcg2 подсоединён к неинвертирующему входу (+) третьего операционного усилителя 303, на указанном входе возникает напряжение

U +303 = Е — U cg2 (18)

Выход третьего операционного усилителя 303 подсоединён к затвору второго полевого МОП-транзистора 312, сток которого подсоединён к инвертирующему входу (-) третьего операционного усилителя 303 и к первому выводу третьего резистора Rcg3, второй вывод которого подсоединён к выводу 22 управляемого генератора тока 212, на который подаётся напряжение питания Е.

По цепи сток-исток второго полевого МОП-транзистора 312 протекает выходной ток leg управляемого генератора тока 212, который подаётся на вывод 26 управляемого генератора тока 212. Выходной ток leg создаёт на третьем резисторе Rcg3 управляемого генератора тока 212 падение напряжения

U cg3 = leg* Rcg3 (19)

В результате на инвертирующий вход (-) третьего операционного усилителя 303 с первого вывода третьего резистора Rcg3 поступает напряжение: и.зоз = Е - U cg3 (20)

Благодаря глубокой обратной связи, которой охвачены третий операционный усилитель 303 и второй полевой МОП-транзистор 312, значения напряжений на неинвертирующем входе (+) и на инвертирующем входе (-) третьего операционного усилителя 303 с достаточной для практики точностью равны между собой, т.е. и+зоз ⁼ U-зоз (21)

Откуда сразу же следует, см. (18) и (20):

Ucg2 = Ucg3 (22)

И, с учётом (17) и (19)

Icgl * Rcg2 = leg* Rcg3 (23)

Следовательно, выходной ток leg управляемого генератора тока 212 leg = leg 1 * Rcg2 / Rcg3 (24)

А поскольку Icgl зависит от управляющего сигнала S2, (см. 16), то получаем: leg = S ₂ * Rcg2 / (Rcgl * Rcg3) (25)

Или же, с учётом того, что сигнал S ₂ тождественно равен напряжению U ₂ , поступающему с измерительного резистора R _sense , входящего в состав ЭУР 222, получим окончательно leg = U ₂ * Rcg2 / (Rcgl * Rcg3) (26)

И этот ток не зависит от сопротивления переменного управляющего резистора Rc, внешнего по отношению к управляемому генератору тока 212, а определяется только внутренними сопротивлениями управляемого генератора тока 212 и управляющим напряжением U ₂ , поступающим с измерительного резистора Rsense.

Величина

Gcg = Rcg2 / (Rcgl * Rcg3) (27) характеризует коэффициент преобразования управляющего напряжения U ₂ в ток, имеет размерность проводимости и используется при определении величины сопротивления ЭУР 222 в предлагаемом техническом решении. Таким образом, управляемый генератор тока 212, выполненный, например, согласно рис.З, обеспечивает функционирование заявляемого устройства и получение заявленного технического результата.

Управляемый генератор тока 212 может быть выполнен и другими способами, например, согласно схеме, приведённой в источнике « LT 1789. Техническое описание и информация о продукте», LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2002, чертёж « 0.5А to 4А Voltage Controlled Current Source» (CM. также в Интернете https://www.analog.eom/ru/products/ltl789.html#product- overview). Также управляемый генератор тока 212 может быть выполнен, например, согласно схеме, приведённой в источнике Electrical Engineering Stack Exchange, статья «How should I design variable current source of 4-20mA with 24Vdc input?» (см. В Интернете https://electronics.stackexchange.com/questions/72192/how-sh ould-i- design-variable-currentsource-of-4-20ma-with-24vdc-input?rq= 1 ).

Возможно также выполнение управляемого генератора тока 212 на основе микросхемы LT 6552, как это показано в статье «Voltage controlled current source — ground referred input and output», Jim Williams, in Analog Circuit Design, 2013 (https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/controlled -current-source), и многими другими способами.

Делитель напряжения может быть резистивным делителем, или может быть выполнен в виде делителя из двух последовательно включенных транзисторов, или любым другим способом, обеспечивающим подачу на неинвертирующий вход операционного усилителя 208 части напряжения с высокопотенциального вывода 10 ЭУР 222.

Делитель напряжения также может быть внешним по отношению к устройству управления 220 и может быть подсоединён к нему через отдельный вывод, что позволяет не подавать на устройство управления 220 напряжение с высокопотенциального вывода 10 ЭУР 222.

Усилитель 204, буферный каскад 210 и сумматор 206 могут иметь различные схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность заявляемого устройства управления.

Устройство управления 220 может быть выполнено на стандартных электронных компонентах, таких как операционные усилители, транзисторы и резисторы, или на интегральных схемах, в том числе на заказных интегральных схемах. Например, усилитель 204, буферный каскад 210, управляемый генератор тока 212 могут быть выполнены на микросхемах операционных усилителей ОРА189, TLV9002IDR , MCP6002-E/SN и многих других. Основные параметры микросхем: OPEN-LOOP GAIN (нагрузка = 10 kO) не менее 100 дБ; Gain-bandwidth product не менее 1МГц; Rail-to-rail вход и выход. Такие же микросхемы могут быть использованы в качестве операционного усилителя 208. В качестве транзисторов управляемого генератора тока 212 могут использоваться транзисторы NTNUS3171PZ, NX3020NAK и им подобные. Основные параметры: RDS (on) не более 5,5 Ом, ток стока 1о не менее 100 мА. Остальные элементы устройства управления ЭУР (сумматор 206, источник постоянного напряжения 214) тривиальны и могут быть выполнены любым известным образом.

Номиналы резисторов могут быть выбраны следующими:

Rbias в пределах 100... 200 кОм;

Rref в пределах 50... 100 кОм.

Номиналы резисторов управляемого генератора тока Rcgl, Rcg2, Rcg3 выбираются в пределах 200 Ом...1 кОм.

Номинал измерительного резистора R _sen se, в зависимости от того, какой номинал ЭУР 222 нужно получить, может быть выбран от 10 миллиОм и более (например, до 100 Ом). В качестве активного элемента могут быть использованы различные транзисторы, в том числе полевые МОП-транзисторы, например, транзистор STT6N3LLH6 или его аналоги, если его RDS(on) на порядок меньше номинального значения ЭУР 222.

Заявленное устройство управления 220 для ЭУР 222 может быть выполнено, например, в виде микросхемы, микросборки или микроплаты. Сам ЭУР 222 также может быть изготовлен, например, в виде микросхемы, микросборки или микроплаты.

Предпочтительным является выполнение устройства управления 220 ЭУР 222 в виде интегральной микросхемы, что позволяет существенно уменьшить габариты устройства и снизить производственные затраты. Для сравнительно маломощных ЭУР (совокупная мощность рассеяния на активном элементе и измерительном резисторе не превосходит 1-2 Вт) целесообразно реализовать устройство управления, активный элемент и измерительный резистор как единую интегральную микросхему. И в том, и в другом случае делитель напряжения может либо входить в состав интегральной микросхемы, либо быть внешним по отношению к ней.

Экспериментальные результаты

С целью подтверждения достижимости заявленного технического результата, было проведено макетирование устройства управления 220, соответствующего рис.2, рис.З.

Результаты макетирования:

Напряжение питания: 5 В ± 5% Минимальное сопротивление переменного управляющего резистора R _c

(например, цифрового потенциометра): 100 Ом.

Максимальное сопротивление переменного управляющего резистора R _c (например, цифрового потенциометра): 10000 Ом.

Минимальное сопротивление ЭУР Ro _mm : 383,5 Ом.

Максимальное сопротивление ЭУР Ro _maX : 26225,9 Ом.

Диапазон регулировки сопротивления ЭУР: 68,4 раза.

Нелинейность зависимости сопротивления ЭУР 222 от сопротивления переменного управляющего резистора R _c (например, цифрового потенциометра) составляет не более 1,4%.

Зависимость сопротивления ЭУР 222 Ro от сопротивления переменного управляющего резистора R _c приведена на рис. 4 и представляет собой прямую линию, при этом измеренные значения сопротивления на взгляд неотличимы от расчётных.

Из приведённых данных следует, что технический результат, достигаемый заявляемым техническим решением, действительно заключается в возможности применения цифровых потенциометров в качестве переменного управляющего резистора для получения малых и сверхмалых сопротивлений ЭУР, которые можно использовать в широком диапазоне рабочих напряжений и токов.

Однако, заявленное изобретение не ограничено вышеизложенным.

Заявленное изобретение описано на основании того, что в настоящее время рассматривается как практически возможная реализация различных вариантов устройства. Однако следует иметь в виду, что заявленное изобретение не ограничено приведёнными вариантами, но, напротив, предназначено для использования в различных модификациях и равнозначных воплощениях, которые соответствуют идеям и духу приведённой ниже формулы.

Соответственно, рисунки и описание работы являются иллюстративными и не ограничивают возможности реализации изобретения.

Заявленное техническое решение определяется нижеследующей формулой изобретения.