專利名稱：有源負(fù)電阻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有源二端網(wǎng)絡(luò)，具體地說，是涉及一個(gè)負(fù)電阻裝置，可作為電力輸送及精密直流電源的輔助設(shè)施，或接成模擬電路及脈沖電路。
眾所周知，通常使用的普通電阻在通過電流時(shí)，兩端產(chǎn)生的電壓極性，與實(shí)際電流方向相同。即，電流進(jìn)入端的電位高于流出端的電位。而負(fù)電阻的外特性為端電壓方向與電流方向相反，電流流入端電位低于流出端電位;兩端電壓絕對(duì)值與電流絕對(duì)值成正比，與等效電阻絕對(duì)值成反比;電流為零時(shí)，端電壓為零。所以，從絕對(duì)值關(guān)系看，負(fù)電阻與普通電阻相同，而從電流與電壓極性關(guān)系看，確與普通電阻相反，故稱負(fù)電阻。
負(fù)電阻器件與等效負(fù)內(nèi)阻概念已出現(xiàn)過多年。US.pat.2974270提供了一種直流穩(wěn)壓電源電路，在電流回路中，串接一個(gè)電流取樣電路，變換為電壓后送入比較放大中，對(duì)輸出電壓形成正反饋，使得輸出電流增大時(shí)，輸出電壓也隨之增大。用等效概念分析，這時(shí)的電源內(nèi)阻為負(fù)值。這種負(fù)電阻電路的局限性在于它不能獨(dú)立存在于穩(wěn)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，阻值很難保持恒定。
單結(jié)晶體管是獨(dú)立的負(fù)阻器件，它的負(fù)阻工作區(qū)常被用于脈沖正反饋，做成極簡(jiǎn)單的脈沖振蕩電路。這種器件的缺點(diǎn)在于負(fù)阻特性只能存在于一段特定的工作區(qū)，阻值不恒定，耗散功率小。
本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種負(fù)阻值穩(wěn)定，可獨(dú)立構(gòu)成裝置，輸出功率大，交直流通用的有源負(fù)電阻裝置。
本裝置的特性是用以下措施實(shí)現(xiàn)的第一，與外線聯(lián)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(nèi)部，用直接耦合放大器結(jié)合電壓負(fù)反饋，使得兩端點(diǎn)在無電流輸入時(shí)，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(xiàn)較好的負(fù)阻特性。
第二，裝置內(nèi)部設(shè)置電流、電壓的反相變換結(jié)構(gòu)。變換比可人為調(diào)整，使之等效負(fù)阻值也隨之調(diào)整。
第三，本裝置用于工頻電力線時(shí)，利用電源頻率、相位與流入電流接近的情況，在設(shè)計(jì)功放級(jí)電源時(shí)，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(lián)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(fù)荷工作時(shí)，兩功放管在有電流輸出時(shí)，管壓降較低，內(nèi)損耗極小，提高了工作效率。
第四，單純用于工頻交流線路時(shí)，還可接成變壓器耦合方式。
第五，在任一端子內(nèi)串接一個(gè)限流電阻后，能使本裝置在飽和狀態(tài)下工作。這時(shí)在外電路并接電阻，可做成雙穩(wěn)態(tài)電路;并接電容器，可做成自激多諧振蕩器。
本發(fā)明與US.pat.2974270相比的優(yōu)點(diǎn)在于，可靈活地用于交流電源、直流電源外部，既能補(bǔ)償線路壓降，又能補(bǔ)償電源內(nèi)阻壓降。用于交流電力線時(shí)，工作效率可高于普通乙類功率放大器。用于精密直流電源時(shí)，可選用低漂移的元器件搭接電路，能獲得極穩(wěn)定的等效負(fù)電阻，可有效地補(bǔ)償聯(lián)接導(dǎo)線帶來的線路壓降。用于模擬或脈沖電子線路，可用很少的元件獲得雙穩(wěn)態(tài)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(fù)電阻電原理2、有源負(fù)電阻電路供電原理3、純交流有源負(fù)內(nèi)阻裝置圖4、電壓、電流波形5、斷電保護(hù)電路供電原理6、小功率有源負(fù)電阻原理7、負(fù)電阻雙穩(wěn)態(tài)電路圖8、負(fù)電阻多諧振蕩器電路圖9、用負(fù)電阻提高LC電路Q值原理圖以下結(jié)合附圖給出本裝置各部分電路的實(shí)例，并通過這些實(shí)例描述出發(fā)明的細(xì)節(jié)。
圖1實(shí)例提供的是一個(gè)負(fù)電阻原理圖，其電路由變換放大和功放兩部分組成。運(yùn)算放大器接成同相放大形式，信號(hào)電壓取自電阻R1上的端電壓。當(dāng)L1、L2兩端有電流通過時(shí)，如果是L1流入、L2流出，則該電流從L1經(jīng)R1、E1、BG1到L2構(gòu)成回路，電流方向顛倒時(shí)，電流經(jīng)L2、BG2、E2、R1到L1構(gòu)成回路。
對(duì)于不同的輸入電流，R1上有不同的壓降產(chǎn)生，該壓降經(jīng)電位器W分壓后，輸入給運(yùn)算放大器A，經(jīng)放大后輸出到功放級(jí)。調(diào)整W可得到所需的分壓比，電流電壓變換比值或稱負(fù)電阻值也得到調(diào)整。圖中R2、R3為負(fù)反饋電阻，用來減少裝置的漂移和線性度。
圖2實(shí)例提供的是有源負(fù)電阻裝置的電源供電電路。為了提高工頻交流使用時(shí)的效率，電源變壓器使用N1、N2、N3三組線圈。在直流低電壓場(chǎng)合工作時(shí)，開關(guān)K1-1、K1-2斷開，N2、N3輸出電壓不能夠成回路，因而不起作用。直流低電壓由整流、濾波、穩(wěn)壓?jiǎn)卧峁?。該電壓通過D5、D6輸送到功放級(jí)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(qū)別。
當(dāng)用于工頻線路時(shí)，通常有較大的電壓和電流輸出，這時(shí)的效率問題較突出。為此，本裝置設(shè)置有N2、N3兩輔助繞組，將開關(guān)K1-1、K1-2接通后，整流、濾波、穩(wěn)壓?jiǎn)卧恼妷憾?，通過N2繞組和D7、D8二級(jí)管在功放級(jí)的V1端得到一個(gè)由直流正電壓和正脈動(dòng)電壓合成的電壓。同樣，V2端得到一個(gè)負(fù)直流電壓和負(fù)脈動(dòng)電壓合成的電壓。
而功放級(jí)輸出電壓為正弦波，波形與V1或V2脈動(dòng)成份接近(見圖)，使得正半同時(shí)，BG1管VCE電壓是一個(gè)較恒定的小電壓。這時(shí)盡管流過管子的電流較大，其管耗確較小。而在正半周時(shí)，BG2管無電流，管耗也很小。
在負(fù)半周時(shí)，BG2管有電流出現(xiàn)，其管壓降與正半周時(shí)BG1管的情況類似。所以，這種供電方式的功放級(jí)無功損耗較小，可以得到很高的效率。
對(duì)于V3、V4電壓，則在D1、D2、和C1、C2的作用下較穩(wěn)定。
圖3實(shí)例提供的是一種僅用于交流場(chǎng)合的有源負(fù)內(nèi)阻。它是由電流互感器B1、輸出變壓器B2、運(yùn)算放大器A2、功放管BG3、BG4組成。
電源+E、-E的提供可參照?qǐng)D2方式。
當(dāng)線路中有交流電流時(shí)，電流互感器的次級(jí)有感應(yīng)電流并在W1上產(chǎn)生壓降，該電壓通過R4送入A2放大器，經(jīng)放大后送到功放級(jí)的BG3、BG4，再通過變壓器反回到動(dòng)力線中。從互感器和變壓器的同名端極性不難看出，B2次級(jí)的電壓方向與電流方向相反，電壓絕對(duì)值正比于電流絕對(duì)值，符合負(fù)電阻特性。
圖5實(shí)例提出的是斷電保護(hù)電路。其用途是在負(fù)電阻裝置因某種原因斷電時(shí)，如果端子L1、L2有電流，則由于內(nèi)阻較大而產(chǎn)生較高端電壓，造成裝置內(nèi)某些元件擊穿。保護(hù)電路由繼電器J1電阻R組成，繼電器兩常閉觸點(diǎn)分別接于端子L1、L2上，繼電器繞組與有源負(fù)電阻裝置中WY的+、-輸出端聯(lián)接。當(dāng)有電源電壓時(shí)，繼電器吸動(dòng)，使觸點(diǎn)斷開，負(fù)電阻裝置進(jìn)入正常工作狀態(tài);無電源電壓時(shí)，外線路電流通過常閉觸點(diǎn)和電阻R構(gòu)成回路，由于R取值較小，不會(huì)造成太高的電壓降，起到保護(hù)作用。電阻R的作用是防止在接通電源瞬間，WY電壓還未達(dá)到額定值，使繼電器未吸動(dòng)前，端子L1、L2間短路導(dǎo)至負(fù)阻裝置正飽和或負(fù)飽和，產(chǎn)生較大沖擊電流以至損壞元器件。
圖6實(shí)例提供的是用于模擬電路或脈沖電路的小功率有源負(fù)電阻。在端子L1與放大器A的同相輸入端之間，串聯(lián)一個(gè)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(shí)形成的瞬間電流沖擊。在選擇參數(shù)時(shí)，R7遠(yuǎn)小于負(fù)電阻絕對(duì)值，由于L1、L2兩端的等效電阻為R7與負(fù)電阻的串聯(lián)，總電仍然呈現(xiàn)負(fù)值。R8、R9的公共端引出，根據(jù)使用場(chǎng)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(lián)通。
圖7實(shí)例提供的是用有源負(fù)電阻聯(lián)接的雙穩(wěn)態(tài)電路。在選擇參數(shù)時(shí)，R11小于負(fù)電阻絕對(duì)值，使得-R與R11組成的環(huán)路總電阻小于零。這時(shí)如果有環(huán)路電流，就會(huì)在環(huán)路電壓升大于電壓降的作用下，越來越大，直至電路飽和，達(dá)到一種穩(wěn)態(tài);若開始的電流方向相反，就會(huì)在上述同樣的作用下，達(dá)到極性相反的另一種穩(wěn)態(tài)。
這兩種穩(wěn)態(tài)都是在電路飽和下形成的。所以正向、反向的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)。兩種穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)轉(zhuǎn)換是通過L1、L2兩端輸入反相電流實(shí)現(xiàn)的。觸發(fā)電流的大小與-R和R11的取值大小，以及負(fù)電阻的電源電壓有關(guān)，當(dāng)-R和R11取值較大時(shí)，觸發(fā)電流就可選得較小。
如果將R8、R9的公共端O點(diǎn)接地，觸發(fā)信號(hào)也可改為電壓形式，當(dāng)R11的取值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R7時(shí)，觸發(fā)信號(hào)電壓可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于±E的值。所以，這種雙穩(wěn)態(tài)電路具有觸發(fā)信號(hào)方式多雙向驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。如果將負(fù)電阻電路做成集成電路，比用與非門電路組成雙穩(wěn)態(tài)電路，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，使用更靈活。
圖8實(shí)例提供的是用有源負(fù)電阻聯(lián)接的自激多諧振蕩器。其電路特征是在L1、L2兩端子間并聯(lián)電容器C3。在C3與-R組成的環(huán)路中，無論哪一方向的激勵(lì)電流，都會(huì)在-R的電壓升作用下，越來越大，使負(fù)電阻飽和。與比時(shí)，C3充電，隨著C3端電壓的上升，環(huán)路電流逐漸減小，當(dāng)小到不能維持飽和時(shí)，L1、L2端電壓向減小的方向轉(zhuǎn)化，形成新的環(huán)路反饋。這樣循環(huán)往復(fù)，產(chǎn)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(shí)例給出的是用有源負(fù)電阻聯(lián)接的并聯(lián)諧振電路，-R用來補(bǔ)償電感L的內(nèi)阻，使諧振電路的Q值提高。使LC電路在低頻場(chǎng)合的Q值大幅度提高，創(chuàng)造了條件。
按照這一思想，用-R還可很容易的接成LC串聯(lián)諧振電路。本發(fā)明適用于電力輸送中的線路壓降補(bǔ)償，使負(fù)載端電壓不隨用電高峰、低谷波動(dòng)提高配電質(zhì)量;用于計(jì)量領(lǐng)域的恒壓供電時(shí)，可消除聯(lián)接導(dǎo)線內(nèi)阻壓降帶來的測(cè)試誤差;用于教學(xué)、科研領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室電源時(shí)，能將線路分支端的等效電阻調(diào)到零值附近，消除各儀器、設(shè)備間的寄生耦合干擾;在傳輸線較長(zhǎng)時(shí)，還能起到穩(wěn)定負(fù)載端電壓的作用。將本發(fā)明做成集成電路后，可廣泛用于模擬電路、脈沖電路。
這里提出的使用范圍，并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(fā)明精神實(shí)質(zhì)的情況下還能開發(fā)出更多領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種有源負(fù)電阻裝置，屬于有源二端網(wǎng)絡(luò)。該裝置由變換放大器及與其輸出端相連的功率放大器；供電電源分別接于變換放大器和功率故大器。其特征在于端子L1與變換電阻R1和調(diào)整電位器W聯(lián)接，R1、W的另一端接電源E1、E2公共端；運(yùn)算放大器同相輸入端接W滑動(dòng)點(diǎn)，反相端通過R2接E1、E2公共端；運(yùn)算放大器輸出端接BG1、BG2基極，BG1、BG2發(fā)射極聯(lián)接端子L2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步的特征在于，電源E1、E2、E3、E4是由主繞組N1，輔助繞組N2、N3，整流、濾波、穩(wěn)壓?jiǎn)卧猈Y、二極管網(wǎng)絡(luò)D1～D10，濾波電容C1、C2組成。主繞組N1的三端與WY輸入端聯(lián)接，輸出正電壓端接D3、D5的陽(yáng)極和開關(guān)K1-1;K1-1另一端接輔助繞組N2中心點(diǎn)，N2兩端點(diǎn)分別接D8、D7陽(yáng)極，D8、D7陰極聯(lián)接功放極V1、D5陰極和D1陽(yáng)極;D1、D3陰極與電容器C1正端和變換放大級(jí)V3聯(lián)接;WY負(fù)輸出端接D4、D6陰極和開關(guān)K1-2;K1-2另一端接N3中心點(diǎn)，N3兩端點(diǎn)接D9、D10陰極;D9、D10陽(yáng)極接D6陽(yáng)極、D2陰極和功放級(jí)V2;D2、D4陽(yáng)極接濾波電容C2負(fù)端和變換放大級(jí)V4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1呈2所述的裝置，其進(jìn)一步的特征在于端子L1接電流互感器初級(jí)同名端，該繞組另一端接輸出變壓器次級(jí)同名端，該繞組另一端接端子L2;電流互感器次級(jí)同名端接W1，另一端接地并聯(lián)接運(yùn)算放大器同相輸入端和W1的另一端;運(yùn)算放大器反相輸入端通過R4接W1的滑動(dòng)點(diǎn);運(yùn)算放大器輸出端接功放級(jí)BG3、BG4基極;BG3、BG4發(fā)射極接輸出變壓器初級(jí)同名端，該繞組另一端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其進(jìn)一步特征在于，端子L1接繼電器常閉接點(diǎn)，該接點(diǎn)另一端接電阻R，R的另一端接端子L2;繼電器繞組聯(lián)接于負(fù)電阻裝置中WY的正負(fù)輸出端之。
5.根據(jù)權(quán)要求1所述的裝置，其特征為，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(lián)接的功率放大器。
6.一種用有源負(fù)電阻聯(lián)接的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，其特征為，在端子L1、L2之間并接電阻R11。
7.一種用有源負(fù)電阻聯(lián)接的自激多諧振蕩器，其特征為，在端子L1、L2之間并接電容器C3。
8.一種用有源負(fù)電阻聯(lián)接的LC電路，端子L1與電容器C4聯(lián)接，L2與電感器L聯(lián)接，電感器另一端與電容器另一端聯(lián)接。
全文摘要
有源負(fù)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(wǎng)絡(luò)，該裝置的主要特征是在無偏置電壓或基準(zhǔn)電壓情況下，接有電流正反饋和電壓負(fù)反饋，使得零電流時(shí)，端電壓為零；其供電電源是三組繞組并與之聯(lián)接的由十只二極管組成的網(wǎng)絡(luò)，主要用途是補(bǔ)償線路壓降和電源內(nèi)阻帶來的不良影響，也可用于模擬電路和脈沖電路中。
文檔編號(hào)H03H11/44GK1066350SQ9110265
公開日1992年11月18日 申請(qǐng)日期1991年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月27日
發(fā)明者周琨, 李霽紅 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍二炮第一研究所