Преобразователь переменного сигнала
Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности, к преобразователям переменного сигнала, и может быть использовано в качестве автономного источника электропитания, для построения электростанций с нестабильными параметрами для выработки электроэнергии (ветровые, приливные, мусоросжигающие и т.д. электростанции). Предлагаемый преобразователь переменного сигнала позволяет использовать трансформаторы с низким количеством витков на обмотках. Указанный преобразователь переменного сигнала имеет неограниченный потенциал развития, дешев в изготовлении и не требует дорогих специальных деталей.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрорадиотехнике, в частности, к преобразователям переменного сигнала, и может быть использовано для электропитания переменным напряжением любой формы сигнала и для других целей.
Уровень техники
Известен преобразователь переменного сигнала, включающий параллельно соединенные каскады усиления переменного сигнала и источник постоянного напряжения (Радиолюбитель, 
6, 1999, с.24). Недостатками указанного преобразователя является то, что он имеет невысокую надежность, поскольку выход из строя источника постоянного напряжения приводит к прекращению функционирования всего усилителя, а его выходная мощность ограничена мощностными характеристиками активных элементов (транзисторов, ламп и т.п.), на которых он построен.
Известно также усиление при помощи парных усилителей поточным методом (Европейский патент ЕР 0474930 В1). Недостатком указанного устройства является то, что резисторы соединяются последовательно с выходом для того, чтобы нагрузка на каждый усилитель была одинаковой и для компенсации разницы параметров усилителей и источников питания. Данные резисторы имеют разную величину и подбираются индивидуально. Это ведет к уменьшению мощности и сложной наладке устройства.
Наиболее близкими по технической сущности (прототипами) являются:
а) усилитель переменного сигнала, защищенный патентом РФ на полезную модель 70731, где один и тот же сигнал усиливается несколькими одинаковыми каскадами усиления с одними и теми же функциями, причем указанные каскады включены параллельно по входу и через трансформатор по выходу. В указанном усилителе переменного сигнала большую мощность (свыше 700 Вт) создают за счет сигнала прямоугольной формы, поскольку усилить сигнал синусоидальной формы (или другой формы кроме прямоугольной) на большую мощность, например, свыше 700 Вт, сложно из-за потерь по мощности, по теплу, сопротивлению элементов, характеристик элементов и сложности конструкции;
б) патентная заявка РФ на изобретение 200813 8631 (опубликована 27.06.2009, Бюл. 18), где при нескольких каскадах усиления и преобразования и источников питания можно получать сигнал любой заданной формы и при увеличении мощности выше максимальной на какой-либо каскад усиления и преобразования излишек этой мощности перераспределяется на другие каскады усиления и преобразования. Недостатком указанного изобретения является то, что в нем нужно использовать переключатели между источниками питания, поскольку каждый источник питания коммутируется только со своей обмоткой выходного согласующего элемента трансформатора, а также то, что невозможно использовать одну первичную обмотку с несколькими выводами выходного согласующего элемента указанного трансформатора. Кроме того, невозможно увеличить время работы преобразователя переменного сигнала без увеличения мощности; искажается выходной сигнал (кроме сигнала прямоугольной формы) при работе каскадов усиления и преобразования с общим или общими источниками питания; форма сигнала сильно зависит от обмоток трансформатора; полярность питания зависит от блока управления или каскадов усиления и преобразования; элементы, составляющие источники питания, используются неполно.
Сущность полезной модели
Задачей предлагаемого технического решения является создание преобразователя переменного сигнала (далее по тексту - ППС), имеющего преимущества по сравнению с прототипами.
Технический результат в результате применения предлагаемой полезной модели заключается в том, что:
1. работоспособность ППС сохраняется без использования переключателей между источниками питания;
2. имеется возможность неограниченно увеличивать время работы ППС за счет увеличения количества каскадов усиления и преобразования переменного сигнала и источников постоянного напряжения при одном и том же выходном согласующем элементе (трансформаторе);
3. ППС позволяет более гибко модулировать выходной сигнал и в меньшей степени зависеть от обмоток трансформатора при построении формы выходного сигнала и иметь меньшее, чем стандартное, количество витков на первичной и вторичной обмотке трансформатора;
4. выходной сигнал нужной формы ППС, составленный из нескольких сигналов прямоугольной формы, не искажается при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников питания и каскадов усиления и преобразования;
5. в ППС нет необходимости в общем соединении между блоком управления и каскадами усиления и преобразования, в согласовании технических характеристик указанного соединения, а блок управления может питаться от отдельного источника питания, при этом указанный блок управления может находиться на значительном расстоянии от каскадов усиления и преобразования;
6. в ППС более эффективно используются элементы, составляющие источники питания.
Раскрытие полезной модели
Указанный технический результат достигается тем, что:
1. При выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников постоянного напряжения и каскадов усиления и преобразования предлагаемый ППС сохраняет все свои технические параметры (кроме продолжительности работы) без использования переключателей между источниками питания, поскольку каждая обмотка коммутируется со всеми источниками питания через усиливающе-коммутационные элементы и соединена с каждым каскадом усиления и преобразования. Продолжительность работы при этом уменьшается.
2. Выходной сигнал ППС нужной формы при нагрузке на него ниже максимальной не искажается при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников питания и каскадов усиления и преобразования ППС, так как указанные каскады при нагрузке ниже максимальной работают одинаково и имеют одинаковое строение (схему), и каждый каскад усиления и преобразования имеет N(N>1) количество выходов, на которые приходят в любой пропорции по форме задаваемого выходного сигнала все импульсы, составляющие выходной сигнал, причем каждый выход каждого каскада соединяется с соответствующим по функции (одинаковым по схеме) выходом всех других каскадов и с выводом участка обмотки трансформатора, при этом импульсы на указанных выходах являются одинаковыми, а мощность каждого усиливающе-коммутационного элемента равна мощности выходного элемента (трансформатора).
3. ППС имеет возможность неограниченно увеличивать продолжительность работы ППС за счет увеличения количества каскадов усиления и преобразования переменного сигнала и источников постоянного напряжения (аккумуляторов), не увеличивая при этом количество обмоток трансформатора и количество трансформаторов, так как мощность каждого усиливающе-коммутационного элемента равна мощности выходного элемента (трансформатора).
4. ППС позволяет модулировать свой выходной сигнал в более широком диапазоне и иметь на первичной и вторичной обмотке трансформатора меньшее, чем стандартное количество витков, потому что положительные и отрицательные полупериоды этого сигнала разделяются на N количество импульсов, следующих один за другим, и приходящих либо на один и тот же, либо на разные выводы участков первичной обмотки трансформатора. Длительность импульсов и интервал между ними могут быть любыми и выбираются по форме задаваемого выходного сигнала ППС, причем интервал между импульсами может отсутствовать, если они подаются на разные выводы участков обмотки трансформатора, что позволяет меньше зависеть от обмоток трансформатора при построении формы выходного сигнала, потому что на каждый участок обмотки трансформатора может приходить в составе этого сигнала от одного до N количества импульсов.
5. За счет меньшей длительности импульса выходной коммутирующий элемент ППС, который коммутируют и усиливает данный импульс, выдерживает большую мощность (до определенного предела), что в результате позволяет применять в ППС трансформатор с меньшим количеством витков на первичной и вторичной обмотках.
6. Питание и полярность питания у блока управления и каскадов усиления и преобразования могут быть разными, а общее соединение у блока управления и каскадов усиления и преобразования может быть разным либо отсутствовать, поскольку в блок управления введены известные оптоэлектронные приборы (далее по тексту - «оэп»), например, оптопары, оптоволоконные линии и т.д. для передачи сигнала от блока управления до каскадов усиления и преобразования, которые не требуют для передачи сигнала общего соединения.
7. Каждый каскад усиления и преобразования соединяется со своим источником питания посредством нескольких соединений, которые соединяют последовательно соединенные элементы питания, составляющие источник питания, и блоки усиления и преобразования, входящие в указанный каскад усиления и преобразования, при этом количество этих соединений определяется по форме выходного сигнала, а каждому соединению соответствует свой индивидуальный блок усиления и преобразования и свой индивидуальный источник питания.
8. Увеличение мощности и/или продолжительности работы ППС происходит в результате: а) увеличения количества выходных элементов (трансформаторов), каждый из которых своими выводами первичной обмотки соединен с выводами первичных обмоток остальных выходных элементов (трансформаторов) ППС, и б) увеличения количества каскадов усиления и преобразования соединенных с выводами первичных обмоток указанных трансформаторов и источников питания указанных каскадов.
9. Увеличение мощности и/или продолжительности работы ППС происходит в результате: а) увеличения количества выходных элементов (трансформаторов), каждый из которых своими выводами первичной и вторичной обмотки соединен с выводами первичных и вторичных обмоток остальных выходных элементов (трансформаторов) ППС, и б) увеличения количества каскадов усиления и преобразования соединенных с выводами первичных обмоток указанных трансформаторов и источников питания указанных каскадов.
Схема каждого усиливающе-коммутационного элемента может быть любой, однако нежелательной является схема включения диода параллельно указанному элементу.
Так как мощность каждого усиливающее-коммутирующего элемента равна мощности трансформатора, то при работе с одним трансформатором (если нагрузка не выше максимальной) схемы 3п-1 не воздействуют на проходящий через них импульс. ППС позволяет использовать в качестве выходных коммутирующих элементов тиристоры или семисторы при любой форме сигнала, что повышает мощность и снижает теплоотдачу. ППС может применяться для электропитания любого устройства. Если источник питания ППС составлен из нескольких элементов, то ППС, работающий только на указанном источнике в соответствии с описанным в п.6 формулы полезной модели режимом, может сохранять работоспособность при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, элемента источника питания. Выходной сигнал при этом искажается.
10. Работоспособность ППС при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников постоянного напряжения и каскадов усиления и преобразования сохраняется. При повышении нагрузки до максимальной сохранении заданное напряжение на выходе ППС сохраняется. Кроме того, имеется возможность неограниченного увеличения выходной мощности и/или продолжительности работы ППC за счет увеличения количества каскадов усиления и преобразования и источников постоянного напряжения.
11. Излишки мощности между каскадами ППС перераспределяются. Указанный результат обеспечивают схемы 3п-1. При этом, напряжение на выходе указанного ППС не может уменьшиться из-за схем 1-2 и 1-3, которые выдают сигнал, увеличенный по длительности и/или амплитуде, на схемы 3п-1. При нагрузке выше максимальной напряжение на выходе указанного ППС снижается. Указанный результат обеспечивают схемы 3п-1.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема преобразователя переменного сигнала по схемному решению 1.
На фиг.2 представлена схема преобразователя переменного сигнала по схемному решению 2.
На фиг.3 представлена схема преобразователя переменного сигнала по пункту 6 формулы полезной модели.
На фиг.4-14 представлены формы сигналов ППС при преобразовании переменного сигнала.
Осуществление полезной модели
ППС может иметь на выходе любую форму сигнала и любой вид напряжения (однофазное, трехфазное и т.д.), при этом ППС может работать в любом из схемных решений, но наиболее оптимальным является схемное решение двухплечевого мультивибратора. Поскольку схемы каждого плеча ПЛ-1; ПЛ-2 ППС одинаковы, то на фиг.1 представлено одно плечо ППС.
На фиг.1 изображена функциональная (структурная) схема ППС по схемному решению 1. В состав указанной схемы входят: блок управления 1, соединение 2, каскад усиления и преобразования 3-1, состоящий из блоков усиления и преобразования 3-1А, 3-1Б, 3-1N (где N>1), токового датчика 3-4-1, диодов 3-3-1; каскад усиления и преобразования 3-2, состоящий из блоков усиления и преобразования 3-2А, 3-2Б, 3-2N, токового датчика 3-4-1, диодов 3-3-1; каскад усиления и преобразования 3-3N; трансформатор 4; источники питания (аккумуляторы) 5-1, 5-2, 5N; конденсатор 6; соединения 7 и 8. В состав блока управления 1 входят схемы мультивибратора 1-1, преобразователя 1-2, 1п-3, оптоэлектронные приборы 1оэп-5. В состав блоков 3-1А и 3-1Б входят схемы 3п-1-1a, 3у-1-1a и выходные коммутирующие элементы 3у-2-1а и 3у-2-1Б. В состав блоков 3-2А, 3-2Б входят схемы преобразования 3п-1-2а, усиления 3у-1-2а и выходные коммутирующие элементы 3у-2-2А и 3у-2-2Б.
Сигнал прямоугольной формы (см. фиг.4а) создается на схемах 1-1 и поступает на схемы 1-2. На схемах 1-2 указанный сигнал изменяется по длительности и/или амплитуде в зависимости от нагрузки на выходе ППС (см. фиг.4б) для того, чтобы напряжение на выходе ППС было одинаковым при любой нагрузке не выше максимальной. Нагрузка на выходе ППС определяется схемой 1-3, которая служит датчиком нагрузки для схемы 1-2.
На схемах 1п-3 сигнал преобразовывается по длительности и разделяется на импульсы так, что окончание сигнала (задний фронт) на схеме 3п-1А почти совпадает или совпадает с началом (передним фронтом) сигнала на схеме 3п-1Б (см. фиг.4в, фиг 4 г, фиг 4д) и так далее. При этом количество схем 1п-3N может составлять от одной до N по заданной форме сигнала (см. фиг.7а, фиг.76, фиг.7в), а количество импульсов в преобразованном сигнале на схемах 1п-3А, 1п-3Б, 1п-3N может составлять от одного до N по заданной форме сигнала.
Далее, импульсы, полученные на схемах 1п-3А, 1п-3Б, 1п-3N, поступают на схемы 1оэп-5, служащие для их передачи с помощью указанных схем по соединениям 2 на схемы 3п-1-1A, 3п-1-2Б и на схемы 3п-1N, которые находятся на блоках 3-1А, 3-1Б, 3-1N. Каждой схеме 1оэп-5 соответствует свое соединение 2 и свои схемы и блоки, обозначенные на схеме определенной буквой. Причем количество блоков 3-1N равно количеству схем 3п-1N, а количество блоков 3-1N и схем 3п-1N может составлять от одного до N по заданной форме сигнала. Эти блоки и схемы находятся на каскадах усиления и преобразования 3-1, 3-2, 3N. Причем количество каскадов усиления и преобразования 3N может быть от одного до N по заданной форме сигнала. Схемы 3п-1 либо оставляют импульсы без изменения (см. фиг.5а, фиг.5б, фиг.5в), либо могут их уменьшить по длительности и/или амплитуде (см. фиг.6а, фиг.6б, фиг.6в), компенсируя разницу каскадов усиления и преобразования и/или источников питания. Схемы 3п-1 работают от токовых датчиков 3-4. Схемы 3п-1 и токовые датчики 3-4 срабатывают, когда мощность на каком-либо из каскадов усиления и преобразования становится выше максимальной. Далее, после прохождения импульсами схем усиления 3у-1 и выходных коммутирующих элементов 3у-2 импульсы, полученные на каскадах усиления и преобразования (см. фиг.5г, фиг.6г, фиг.7г), поступают на выводы первичной обмотки 4А, 4Б, 4N выходного трансформатора 4. Причем количество обмоток N может быть от одного до N по заданной форме сигнала. На выходном трансформаторе импульсы, полученные на каскадах усиления и преобразования, усиливаются на каждой обмотке по амплитуде (см. фиг.9а, фиг.9б, фиг.9в; фиг.10а, фиг.10б, фиг.10в) и суммируются, образуя сигнал заданной формы на обмотке В (см. фиг.11а, фиг.12а, фиг.13а). Конденсатор 6 сглаживает углы и паузы между импульсами полученного сигнала (см. фиг.11б, фиг.12б, фиг.13б). Питание данной схемы происходит от источников питания 5А, 5Б, 5N. Каждый из каскадов усиления и преобразования ППС питается от своего источника питания посредством соединений 7. Питание блока 1 происходит через диоды 3-3, расположенные на каскадах 3, и через соединения 8, поэтому при неисправности каскадов 3 от одного до всех, кроме одного, и/или неисправности источников питания от одного до всех, кроме одного, напряжение питания на блоке 1 сохраняется.
На фиг.2 изображено схемное решение 2 преобразования переменного сигнала. Схемное решение 2 отличается от схемного решения 1 тем, что на схемах 1п-3 сигнал разделяется на множество импульсов, следующих друг за другом (см. фиг.14а, фиг.14б). Схемы Зп-1 либо оставляют сигнал без изменения (см. фиг.14а), либо могут уменьшить импульсы, составляющие сигнал по длительности и/или амплитуде (см. фиг.14б), компенсируя разницу каскадов усиления и преобразования и источников питания. На схемах 3п-1 нужный по форме выходного сигнала импульс выделяется из этого множества и через выходы 3п-1а, 3п-16, 3п-1N схем 3п-1 подается на соответствующие схемы усиления Зу-1 и далее на выходные коммутирующие элементы 3у-2. В блоке 1 количество схем 1п-3 и 1 оэп-5 равно одному. Причем схемы 3п-1 находятся на каскадах усиления и преобразования и их количество равно количеству каскадов усиления и преобразования.
На фиг.3 изображено схемное решение преобразования переменного сигнала по пункту 6 формулы полезной модели. Это схемное решение отличается от схемных решений 1 или 2 тем, что каждый выходной коммутирующий элемент в составе своего блока усиления и преобразования 3-1 подключается через свое индивидуальное соединение 7 к своему элементу, входящему в состав источника питания (аккумулятора). Каждое подключение обозначено соответствующей буквой.
Это схемное решение отличается от схемных решений 1 или 2 так же тем, что:
- выходы выходных коммутирующих элементов 3у-2 соединены между собой,
- первичная обмотка трансформатора на одно плечо имеет только два вывода,
- импульсы, составляющие выходной сигнал, суммируются на первичной обмотке (см. фиг.11а, фиг.12а, фиг.13а) трансформатора,
- токовые датчики Зу-3 находятся в общем соединении источников питания,
- количество элементов, составляющих каждый источник питания, равно количеству блоков усиления и преобразования, входящих в состав каскадов усиления и преобразования, к которому этот источник питания подсоединен.
1. Преобразователь переменного сигнала (ППС), имеющий прямое (непосредственное) соединение нагрузки с выходом и включающий N количество (N>1) параллельно соединенных каскадов усиления и преобразования переменного сигнала из сигнала прямоугольной формы в сигнал любой заданной формы, а также два и более источников постоянного напряжения, каждый из которых является источником питания своего индивидуального каскада усиления и преобразования переменного сигнала и преобразователь переменного сигнала, у которого выходной согласующий элемент (трансформатор) на первичных обмотках, подключенных к каскадам усиления и преобразования, имеет количество витков, рассчитанное по форме выходного задаваемого сигнала, при этом на каскадах усиления и преобразования переменный сигнал по форме задаваемого выходного сигнала изменяется по длительности, затем на выходном согласующем элементе (трансформаторе) переменные сигналы, полученные на каскадах усиления и преобразования суммируются в сигнал любой заданной, или приближенный к заданной формы, отличающийся тем, что каждый каскад усиления и преобразования работает одинаково со всеми каскадами усиления и преобразования и имеет рассчитанное по форме выходного задаваемого сигнала количество выходов, причем максимальная мощность сигнала или импульсов, составляющих сигнал на каждом из них, равна мощности выходного согласующего элемента (трансформатора) и тем, что выходной согласующий элемент (трансформатор) имеет одну первичную обмотку с выводами, рассчитанными по форме выходного задаваемого сигнала, причем каждый вывод первичной обмотки коммутируется (подключается и отключается во время работы) с каждым источником питания и соединен со своим индивидуальным выходом каждого каскада усиления и преобразования, поэтому не нужны переключатели между источниками питания.
2. Преобразователь переменного сигнала по п.1, отличающийся тем, что в преобразователь переменного сигнала введено N количество каскадов усиления и преобразования и источников питания при одном и том же выходном согласующем элементе (трансформаторе) по рассчитанной продолжительности работы преобразователя переменного сигнала.
3. Преобразователь переменного сигнала по п.1, отличающийся тем, что каждый полупериод сигнала прямоугольной формы разделяется на рассчитанное по форме выходного задаваемого сигнала N количество импульсов прямоугольной формы, следующих один за другим, которые подаются в количестве, рассчитанном по форме выходного сигнала с выходов каждого каскада усиления и преобразования на каждый вывод выходного согласующего элемента (трансформатора), причем каждому импульсу или комбинации импульсов соответствует свой индивидуальный вывод выходного согласующего элемента (трансформатора) и свой индивидуальный выход каждого каскада усиления и преобразования, а количество импульсов на каждом из выводов выходного согласующего элемента (трансформатора) рассчитано по форме выходного задаваемого сигнала, что позволяет модулировать выходной сигнал в более широком диапазоне и применять выходной согласующий элемент (трансформатор) с меньшим, чем стандартное количеством витков на первичной и вторичной обмотках трансформатора.
4. Преобразователь переменного сигнала по п.1 или 3, отличающийся тем, что выходной сигнал по форме задаваемого выходного сигнала, составленный из нескольких сигналов прямоугольной формы, не искажается при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников питания и каскадов усиления и преобразования.
5. Преобразователь переменного сигнала по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что введены оптоэлектронные приборы для передачи сигнала от блока управления до каскадов усиления и преобразования, которые не требуют для передачи сигнала общего соединения, поэтому напряжение питания блока управления подается от отдельного источника питания и блок управления может находиться на значительном расстоянии от каскадов усиления и преобразования.
6. Преобразователь переменного сигнала по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в преобразователь переменного сигнала введены соединения по форме выходного сигнала между последовательно соединенными элементами каждого источника и подключенного к нему каскада усиления и преобразования, причем каждому соединению соответствует свой блок усиления и преобразования.
