Магниточувствительная интегральная схема для стабилизации электрического тока

Магниточувствительная интегральная схема для стабилизации электрического тока

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в устройствах контроля и управления, в системах освещения, автоматики и роботехники, измерительной технике.

Известно, что устройства стабилизации электрического тока, широко применяемые в различных областях техники, вне зависимости от конкретного принципа их функционирования, с неизбежностью содержат элемент измерения величины контролируемого тока и регулирующий элемент, управляющий величиной контролируемого тока и поддерживающий ее необходимое значение (Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства: справочник. М.: Радио и связь, 1984, 400 с.).

Недостатками таких электронных стабилизаторов тока являются сложность конструкции и большие массо-габаритные характеристики.

Наиболее близким к данному изобретению техническим решением, принятым за прототип, является устройство стабилизации электрического тока, содержащее измерительный элемент и интегральную схему (ИС) типа LM 117, состоящую из регулирующего элемента, операционного усилителя, каскада сравнения выходного сигнала операционного усилителя со значением тока, которое необходимо стабилизировать, и элементы, минимизирующие влияние изменений температуры окружающей среды (LM117/LM317A/LM3173-TerminalAdjustable Regulator [Электронный ресурс] // National Semiconductor: [сайт]. URL: http://www.national.com/ds/LM/LM117.pdf (дата обращения: 20.01.2011)). В качестве измерительного элемента используется резистор, регулирующий элемент представляет собой транзистор, включенный в цепь, ток которой подлежит регулированию и стабилизации, а связь измерительного и стабилизирующего элементов осуществляют через элемент управления. Таким образом, прототипу присущи использование двух функционально различных элементов, обеспечивающих возможность стабилизации электрического тока, и усложнение конструкции с целью повышения температурной надежности.

Однако это устройство обеспечивает стабилизацию токов, величина которых превосходит несколько миллиампер и не обеспечивает стабилизацию микротоков.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание магниточувствительной интегральной схемы (МЧИС) для стабилизации электрического тока, характеризующейся простотой конструкции, высокой температурной надежностью и возможностью стабилизации микротоков.

Поставленная задача достигается магниточувствительной интегральной схемой для стабилизации электрического тока, содержащей первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал на основе эффекта Холла, имеющий две управляющие полевые системы типа металл-диэлектрик-полупроводник и два контакта для включения непосредственно в цепь стабилизируемого тока, операционный усилитель и каскад сравнения выходного сигнала операционного усилителя со значением тока, который необходимо стабилизировать, при этом операционный усилитель и каскад сравнения образуют петлю обратной связи между контактами для снятия ЭДС Холла первичного преобразователя магнитного поля и электродами полевых затворов управляющей полевой системы первичного преобразователя магнитного поля.

В качестве первичного преобразователя магнитного поля может быть использован полевой датчик Холла, конструкция которого содержит две управляющих полевых системы типа металл-диэлектрик-полупроводник (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37).

Для стабилизации малых и микротоков в диапазоне порядка 10^-6-10^-3 А магниточувствительная интегральная схема может дополнительно содержать постоянный магнит, выполненный в виде ее основания.

Техническим результатом, полученным при решении данной задачи, является создание высокочувствительной МЧИС для стабилизации электрического тока, характеризующейся простотой конструкции и повышенной термической надежностью.

На фиг.1 изображена принципиальная схема МЧИС по изобретению.

В таблице 1 приведены данные о величинах тока, стабилизированного МЧИС по изобретению, при изменении величины сопротивления нагрузки R_H в цепи стабилизируемого тока.

В таблице 2 приведены данные о величинах тока, стабилизированного МЧИС по изобретению, содержащей в качестве основания постоянный магнит, при изменении величины сопротивления нагрузки R_H в цепи стабилизируемого тока.

В таблице 3 приведены данные о температурной зависимости величины тока, стабилизированного МЧИС по изобретению.

Заявляемая МЧИС содержит управляемый электрическим полем первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал 1, функционирующий на основе эффекта Холла и имеющий две управляющих полевых системы типа металл-диэлектрик-полупроводник, операционный усилитель 2, выполняющий функцию предварительного усиления магнитоиндуцированного сигнала первичного преобразователя магнитного поля 1 и каскад сравнения 3 выходного сигнала операционного усилителя 2 со значением тока, которое необходимо стабилизировать. Операционный усилитель 2 и каскад сравнения 3 образуют петлю обратной связи между выходными контактами 4 и 5 первичного преобразователя магнитного поля 1 и электродами полевых затворов 6 и 7 управляющей полевой системы первичного преобразователя магнитного поля 1, управляющих одновременно или по отдельности протеканием тока через первичный преобразователь магнитного поля 1. Причем первичный преобразователь магнитного поля 1 имеет два контакта 8 и 9 для включения МЧИС непосредственно в цепь 10, по которой протекает стабилизируемый ток.

Таким образом, в данной МЧИС первичный преобразователь магнитного поля 1 выполняет как функцию непрерывного измерения величины тока цепи, так и функцию поддержания величины тока на заданном уровне. Помимо этого, стабилизация тока, протекающего через первичный преобразователь, одновременно обеспечивает повышение устойчивости функционирования предлагаемой МЧИС при изменении температуры окружающей среды, поскольку физическая причина влияния температуры связана с изменением величины тока первичного преобразователя магнитного поля, которое автоматически корректируется петлей обратной связи вне зависимости от причины, породившей эти изменения.

Принцип действия предлагаемой МЧИС основан на том, что стабилизируемый ток индуцирует электрический сигнал на выходных контактах 4 и 5 первичного преобразователя магнитного поля 1. Указанный сигнал поступает на операционный усилитель 2, усиливается до необходимого уровня и через каскад сравнения 3 поступает на электроды любого из полевых затворов 6 и 7 или одновременно на оба электрода 6 и 7, управляющих величиной тока первичного преобразователя магнитного поля 1, что необходимым образом изменяет значение стабилизируемого тока в цепи 10. При возрастании тока в цепи 10 каскад сравнения 3 уменьшает потенциал на затворах 6 и/или 7 первичного преобразователя магнитного поля 1, что приводит к уменьшению значения тока в цепи 10 до требуемой стабилизируемой величины. Обратная картина наблюдается в том случае, если ток в цепи 10 уменьшается. Начальное значение потенциала на управляющих полевых затворах 6 и/или 7 первичного преобразователя магнитного поля 1 соответствует середине линейного участка холл-затворной характеристики.

В таблице 1 приведены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования МЧИС по изобретению на основе первичного преобразователя магнитного поля типа полевого датчика Холла для стабилизации электрического тока. В эксперименте стабилизировались три различных значения номинала тока, протекающего через цепь 10, порядка 10 мкА, 250 мкА и 1 мА. Соответствующие значения задавались источником питания типа PSP-603. С помощью изменения величины сопротивления нагрузки R_H, находящегося в цепи стабилизируемого тока 10, создавалась ситуация, которая должна была бы привести к аналогичному изменению величины тока, протекающего через цепь. Однако, как следует из данных таблицы 1, за счет использования МЧИС по изобретению, при изменении сопротивления нагрузки R_H в 3×10⁴ раз величина тока вне зависимости от выбранного номинала стабилизируется с точностью порядка ±5%.

При использовании МЧИС по изобретению, в которой в качестве основания использовался постоянный магнит, напряженностью порядка 10 мТл, при изменении нагрузки в цепи стабилизуемого тока в 3×10⁴ раз величина тока стабилизируется с точностью порядка ±2,2% (таблица 2).

Таблица 3 иллюстрирует температурную зависимость величины стабилизированного тока при включении МЧИС по изобретению в токовую цепь 10, содержащую сопротивление нагрузки R_H, равное 15000 Ом. Из таблицы видно, что изменение величины тока в цепи 10 при изменении температуры от комнатной (23°С) до 150°С составляет около 2% от своего значения при комнатной температуре.

Таким образом предлагаемая настоящим изобретением МЧИС позволит упростить конструкцию микроэлектронного стабилизатора тока и осуществлять стабилизацию микро- и малых токов в диапазоне от 10^-6 А до 10^-3 А.

Таблица 1
Величина стабилизированного тока, мкА	Величина сопротивления нагрузки, Ом
10,3	15000
10,5	7500
11,2	0,5
245	15000
249	7500
265	0,5
1002	15000
1024	7500
1078	0,5

Таблица 2
Величина стабилизированного тока, мкА	Величина сопротивления нагрузки, Ом
1,00	15000
1,01	7500
1,04	0,5
188	15000
195	7500
196	0,5
1002	15000
1029	7500
1037	0,5

Таблица 3
Величина стабилизированного тока, мкА	Температура, °С
196	23
196	50
194	100
192	150

1. Магниточувствительная интегральная схема для стабилизации электрического тока, содержащая первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал на основе эффекта Холла, имеющий две управляющих полевых системы типа металл-диэлектрик-полупроводник и два контакта для включения его непосредственно в цепь стабилизируемого тока, операционный усилитель и каскад сравнения выходного сигнала операционного усилителя со значением тока, который необходимо стабилизировать, при этом операционный усилитель и каскад сравнения образуют петлю обратной связи между контактами для снятия ЭДС Холла первичного преобразователя магнитного поля и электродами полевых затворов управляющей полевой системы первичного преобразователя магнитного поля.

2. Магниточувствительная интегральная схема для стабилизации электрического тока по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит постоянный магнит, выполненный в виде ее основания.