有源負電阻裝置的製作方法

2023-04-29 21:09:56

專利名稱：有源負電阻裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於有源二端網絡，具體地說，是涉及一個負電阻裝置，可作為電力輸送及精密直流電源的輔助設施，或接成模擬電路及脈衝電路。
眾所周知，通常使用的普通電阻在通過電流時，兩端產生的電壓極性，與實際電流方向相同。即，電流進入端的電位高於流出端的電位。而負電阻的外特性為端電壓方向與電流方向相反，電流流入端電位低於流出端電位;兩端電壓絕對值與電流絕對值成正比，與等效電阻絕對值成反比;電流為零時，端電壓為零。所以，從絕對值關係看，負電阻與普通電阻相同，而從電流與電壓極性關係看，確與普通電阻相反，故稱負電阻。
負電阻器件與等效負內阻概念已出現過多年。US.pat.2974270提供了一種直流穩壓電源電路，在電流迴路中，串接一個電流取樣電路，變換為電壓後送入比較放大中，對輸出電壓形成正反饋，使得輸出電流增大時，輸出電壓也隨之增大。用等效概念分析，這時的電源內阻為負值。這種負電阻電路的局限性在於它不能獨立存在於穩壓電源外部，而且只能輸出直流電壓;在輸出不同電流情況下，阻值很難保持恆定。
單結電晶體是獨立的負阻器件，它的負阻工作區常被用於脈衝正反饋，做成極簡單的脈衝振蕩電路。這種器件的缺點在於負阻特性只能存在於一段特定的工作區，阻值不恆定，耗散功率小。
本發明的任務在於，提出一種負阻值穩定，可獨立構成裝置，輸出功率大，交直流通用的有源負電阻裝置。
本裝置的特性是用以下措施實現的第一，與外線聯接的兩端中的任何一端，既可作為電流流入端，又可作為電流流出端。裝置內部，用直接耦合放大器結合電壓負反饋，使得兩端點在無電流輸入時，電壓為零。輸入電流可以是直流，也可以是交流，這兩種情況都可呈現較好的負阻特性。
第二，裝置內部設置電流、電壓的反相變換結構。變換比可人為調整，使之等效負阻值也隨之調整。
第三，本裝置用於工頻電力線時，利用電源頻率、相位與流入電流接近的情況，在設計功放級電源時，用二組帶濾波的整流電路和兩組不帶濾波的整流電路串聯方式。使兩功放管集電極電壓為一正弦電壓與一較小直流電壓疊加的合成電壓。這樣，裝置在滿負荷工作時，兩功放管在有電流輸出時，管壓降較低，內損耗極小，提高了工作效率。
第四，單純用於工頻交流線路時，還可接成變壓器耦合方式。
第五，在任一端子內串接一個限流電阻後，能使本裝置在飽和狀態下工作。這時在外電路並接電阻，可做成雙穩態電路;並接電容器，可做成自激多諧振蕩器。
本發明與US.pat.2974270相比的優點在於，可靈活地用於交流電源、直流電源外部，既能補償線路壓降，又能補償電源內阻壓降。用於交流電力線時，工作效率可高於普通乙類功率放大器。用於精密直流電源時，可選用低漂移的元器件搭接電路，能獲得極穩定的等效負電阻，可有效地補償聯接導線帶來的線路壓降。用於模擬或脈衝電子線路，可用很少的元件獲得雙穩態電路、自激多諧振蕩器或提高LC電路Q值。
附圖和圖面說明

圖1、有源負電阻電原理2、有源負電阻電路供電原理3、純交流有源負內阻裝置圖4、電壓、電流波形5、斷電保護電路供電原理6、小功率有源負電阻原理7、負電阻雙穩態電路圖8、負電阻多諧振蕩器電路圖9、用負電阻提高LC電路Q值原理圖以下結合附圖給出本裝置各部分電路的實例，並通過這些實例描述出發明的細節。
圖1實例提供的是一個負電阻原理圖，其電路由變換放大和功放兩部分組成。運算放大器接成同相放大形式，信號電壓取自電阻R1上的端電壓。當L1、L2兩端有電流通過時，如果是L1流入、L2流出，則該電流從L1經R1、E1、BG1到L2構成迴路，電流方向顛倒時，電流經L2、BG2、E2、R1到L1構成迴路。
對於不同的輸入電流，R1上有不同的壓降產生，該壓降經電位器W分壓後，輸入給運算放大器A，經放大後輸出到功放級。調整W可得到所需的分壓比，電流電壓變換比值或稱負電阻值也得到調整。圖中R2、R3為負反饋電阻，用來減少裝置的漂移和線性度。
圖2實例提供的是有源負電阻裝置的電源供電電路。為了提高工頻交流使用時的效率，電源變壓器使用N1、N2、N3三組線圈。在直流低電壓場合工作時，開關K1-1、K1-2斷開，N2、N3輸出電壓不能夠成迴路，因而不起作用。直流低電壓由整流、濾波、穩壓單元提供。該電壓通過D5、D6輸送到功放級V1、V2端;通過D3、D4輸送到變換放大單元的V3、V4端。這種送電方式與普通電源沒有原則區別。
當用於工頻線路時，通常有較大的電壓和電流輸出，這時的效率問題較突出。為此，本裝置設置有N2、N3兩輔助繞組，將開關K1-1、K1-2接通後，整流、濾波、穩壓單元的正電壓端，通過N2繞組和D7、D8二級管在功放級的V1端得到一個由直流正電壓和正脈動電壓合成的電壓。同樣，V2端得到一個負直流電壓和負脈動電壓合成的電壓。
而功放級輸出電壓為正弦波，波形與V1或V2脈動成份接近(見圖)，使得正半同時，BG1管VCE電壓是一個較恆定的小電壓。這時儘管流過管子的電流較大，其管耗確較小。而在正半周時，BG2管無電流，管耗也很小。
在負半周時，BG2管有電流出現，其管壓降與正半周時BG1管的情況類似。所以，這種供電方式的功放級無功損耗較小，可以得到很高的效率。
對於V3、V4電壓，則在D1、D2、和C1、C2的作用下較穩定。
圖3實例提供的是一種僅用於交流場合的有源負內阻。它是由電流互感器B1、輸出變壓器B2、運算放大器A2、功放管BG3、BG4組成。
電源+E、-E的提供可參照圖2方式。
當線路中有交流電流時，電流互感器的次級有感應電流並在W1上產生壓降，該電壓通過R4送入A2放大器，經放大後送到功放級的BG3、BG4，再通過變壓器反回到動力線中。從互感器和變壓器的同名端極性不難看出，B2次級的電壓方向與電流方向相反，電壓絕對值正比於電流絕對值，符合負電阻特性。
圖5實例提出的是斷電保護電路。其用途是在負電阻裝置因某種原因斷電時，如果端子L1、L2有電流，則由於內阻較大而產生較高端電壓，造成裝置內某些元件擊穿。保護電路由繼電器J1電阻R組成，繼電器兩常閉觸點分別接於端子L1、L2上，繼電器繞組與有源負電阻裝置中WY的+、-輸出端聯接。當有電源電壓時，繼電器吸動，使觸點斷開，負電阻裝置進入正常工作狀態;無電源電壓時，外線路電流通過常閉觸點和電阻R構成迴路，由於R取值較小，不會造成太高的電壓降，起到保護作用。電阻R的作用是防止在接通電源瞬間，WY電壓還未達到額定值，使繼電器未吸動前，端子L1、L2間短路導至負阻裝置正飽和或負飽和，產生較大衝擊電流以至損壞元器件。
圖6實例提供的是用於模擬電路或脈衝電路的小功率有源負電阻。在端子L1與放大器A的同相輸入端之間，串聯一個限流電阻R7，作用是防止L1、L2兩端外電路電阻或容抗過小時形成的瞬間電流衝擊。在選擇參數時，R7遠小於負電阻絕對值，由於L1、L2兩端的等效電阻為R7與負電阻的串聯，總電仍然呈現負值。R8、R9的公共端引出，根據使用場合，可以接地，也可以不接地。不論是否接地，該端都必須與+E用-E的中性線聯通。
圖7實例提供的是用有源負電阻聯接的雙穩態電路。在選擇參數時，R11小於負電阻絕對值，使得-R與R11組成的環路總電阻小於零。這時如果有環路電流，就會在環路電壓升大於電壓降的作用下，越來越大，直至電路飽和，達到一種穩態;若開始的電流方向相反，就會在上述同樣的作用下，達到極性相反的另一種穩態。
這兩種穩態都是在電路飽和下形成的。所以正向、反向的負載驅動能力都很強。兩種穩態的觸發轉換是通過L1、L2兩端輸入反相電流實現的。觸發電流的大小與-R和R11的取值大小，以及負電阻的電源電壓有關，當-R和R11取值較大時，觸發電流就可選得較小。
如果將R8、R9的公共端O點接地，觸發信號也可改為電壓形式，當R11的取值遠遠小於R7時，觸發信號電壓可以遠遠小於±E的值。所以，這種雙穩態電路具有觸發信號方式多雙向驅動負載能力強的特點。如果將負電阻電路做成集成電路，比用與非門電路組成雙穩態電路，結構更簡單，使用更靈活。
圖8實例提供的是用有源負電阻聯接的自激多諧振蕩器。其電路特徵是在L1、L2兩端子間並聯電容器C3。在C3與-R組成的環路中，無論哪一方向的激勵電流，都會在-R的電壓升作用下，越來越大，使負電阻飽和。與比時，C3充電，隨著C3端電壓的上升，環路電流逐漸減小，當小到不能維持飽和時，L1、L2端電壓向減小的方向轉化，形成新的環路反饋。這樣循環往復，產生交變電壓。若將R8、R9公共端接地，L2端輸出的電壓為矩形波。圖9實例給出的是用有源負電阻聯接的並聯諧振電路，-R用來補償電感L的內阻，使諧振電路的Q值提高。使LC電路在低頻場合的Q值大幅度提高，創造了條件。
按照這一思想，用-R還可很容易的接成LC串聯諧振電路。本發明適用於電力輸送中的線路壓降補償，使負載端電壓不隨用電高峰、低谷波動提高配電質量;用於計量領域的恆壓供電時，可消除聯接導線內阻壓降帶來的測試誤差;用於教學、科研領域的實驗室電源時，能將線路分支端的等效電阻調到零值附近，消除各儀器、設備間的寄生耦合幹擾;在傳輸線較長時，還能起到穩定負載端電壓的作用。將本發明做成集成電路後，可廣泛用於模擬電路、脈衝電路。
這裡提出的使用範圍，並不是限制本裝置的用途，而僅僅是提供例證，相反的，在不違背本發明精神實質的情況下還能開發出更多領域的應用市場。
權利要求
1.一種有源負電阻裝置，屬於有源二端網絡。該裝置由變換放大器及與其輸出端相連的功率放大器；供電電源分別接於變換放大器和功率故大器。其特徵在於端子L1與變換電阻R1和調整電位器W聯接，R1、W的另一端接電源E1、E2公共端；運算放大器同相輸入端接W滑動點，反相端通過R2接E1、E2公共端；運算放大器輸出端接BG1、BG2基極，BG1、BG2發射極聯接端子L2。
2.根據權利要求1所述的裝置，其進一步的特徵在於，電源E1、E2、E3、E4是由主繞組N1，輔助繞組N2、N3，整流、濾波、穩壓單元WY、二極體網絡D1～D10，濾波電容C1、C2組成。主繞組N1的三端與WY輸入端聯接，輸出正電壓端接D3、D5的陽極和開關K1-1;K1-1另一端接輔助繞組N2中心點，N2兩端點分別接D8、D7陽極，D8、D7陰極聯接功放極V1、D5陰極和D1陽極;D1、D3陰極與電容器C1正端和變換放大級V3聯接;WY負輸出端接D4、D6陰極和開關K1-2;K1-2另一端接N3中心點，N3兩端點接D9、D10陰極;D9、D10陽極接D6陽極、D2陰極和功放級V2;D2、D4陽極接濾波電容C2負端和變換放大級V4。
3.根據權利要求1呈2所述的裝置，其進一步的特徵在於端子L1接電流互感器初級同名端，該繞組另一端接輸出變壓器次級同名端，該繞組另一端接端子L2;電流互感器次級同名端接W1，另一端接地並聯接運算放大器同相輸入端和W1的另一端;運算放大器反相輸入端通過R4接W1的滑動點;運算放大器輸出端接功放級BG3、BG4基極;BG3、BG4發射極接輸出變壓器初級同名端，該繞組另一端接地。
4.根據權利要求1、2或3所述的裝置，其進一步特徵在於，端子L1接繼電器常閉接點，該接點另一端接電阻R，R的另一端接端子L2;繼電器繞組聯接於負電阻裝置中WY的正負輸出端之。
5.根據權要求1所述的裝置，其特徵為，在端子L1與放大器A同相輸入端之間，串接電阻R7。去掉與A輸出端聯接的功率放大器。
6.一種用有源負電阻聯接的雙穩態觸發電路，其特徵為，在端子L1、L2之間並接電阻R11。
7.一種用有源負電阻聯接的自激多諧振蕩器，其特徵為，在端子L1、L2之間並接電容器C3。
8.一種用有源負電阻聯接的LC電路，端子L1與電容器C4聯接，L2與電感器L聯接，電感器另一端與電容器另一端聯接。
全文摘要
有源負電阻裝置是一種由電子線路組成的，具有端電壓與電流極性相反特性的有源二端網絡，該裝置的主要特徵是在無偏置電壓或基準電壓情況下，接有電流正反饋和電壓負反饋，使得零電流時，端電壓為零；其供電電源是三組繞組並與之聯接的由十隻二極體組成的網絡，主要用途是補償線路壓降和電源內阻帶來的不良影響，也可用於模擬電路和脈衝電路中。
文檔編號H03H11/44GK1066350SQ9110265
公開日1992年11月18日 申請日期1991年4月27日 優先權日1991年4月27日
發明者周琨, 李霽紅 申請人:中國人民解放軍二炮第一研究所