Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к электрорадиотехнике, в частности, к преобразователям переменного сигнала, и может быть использовано для электропитания переменным напряжением любой заданной формы сигнала, для длительной автономной работы и для других целей.

Уровень техники

Известен преобразователь переменного сигнала, включающий параллельно соединенные каскады усиления переменного сигнала и источник постоянного напряжения (Радиолюбитель, N°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.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является усилитель переменного сигнала, защищенный патентом РФ на полезную модель jN°70731, где один и тот же сигнал усиливается несколькими одинаковыми с одними и теми же функциями каскадами усиления, включёнными параллельно по входу и через трансформатор по выходу. Недостатком прототипа является то, что мощность свыше 700 Вт в нем создают за счет сигнала прямоугольной формы, поскольку усилить синусоидальный или другой (кроме прямоугольной формы) сигнал на указанную мощность (свыше 700 Вт) сложно из-за потерь по мощности, по теплу, сопротивлению элементов, характеристик элементов и сложности конструкции.

Недостатком прототипа является также то, что при отсутствии нагрузки или при минимальной нагрузке каждый каскад усиления потребляет ток и при выходе из строя от одного до всех кроме одного источников питания также выходят из строя соединённые с ними каскады усиления, в результате чего падает мощность всего устройства.

Известна так же статья МОИН. B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи 1986 г., и российская заявка на полезную модель N° 2009145468, где поочерёдно переключаются выводы первичной обмотки трансформатора.

Недостатком подобного включения является то, что тяжело согласовать задний фронт предыдущего сигнала включения выходного транзистора с передним фронтом последующего сигнала включения выходного транзистора, что приводит к следующим явлениям: если передний фронт последующего сигнала расположится раньше чем задний фронт предыдущего сигнала, то это приведёт к резкому увеличению тока и к выходу из строя выходного транзистора; если передний фронт последующего сигнала расположится не сразу, а позже, чем задний фронт предыдущего сигнала, то такой сигнал будет иметь форму частоты и перестанет согласовываться с выходным трансформатором и общей нагрузкой, а это приведёт или к резкому увеличению тока или к уменьшению выходной мощности. Применение же конденсатора, подключённого к обмоткам выходного трансформатора, ведёт к уменьшению мощности устройства

Известен также преобразователь переменного сигнала - см. российскую заявку на изобретение N° 2008138631, где с помощью включения с ограничением амплитуды последующего по времени включения выходного транзистора и одновременным включением с ограничением с полной амплитудой предыдущего по времени включения выходного транзистора удаётся устранить указанный выше недостаток и сделать сигнал монолитным. Но такое схемное решение приводит к потерям по теплу и усложнению конструкции. Кроме того, ток холостого хода во всех указанных преобразователях равен сумме токов холостого хода всех каскадов усиления и преобразования входящих в их состав. То есть, чем больше каскадов усиления и преобразования, тем больше ток холостого хода указанных преобразователей. Известны также электрические генераторы переменного тока - см. Никола Тесла. Статьи. 2-е издание. Самара, 2008г. Электрические генераторы переменного тока, стр. 29. В данных электрических генераторах переменного тока в качестве выходного элемента используется шаговый искатель или прерыватель, использующий твёрдые контакты и прерыватель, в котором размыкание и замыкание осуществляется с помощью ртути (так называемые ртутные прерыватели). Недостатком указанных устройств при использовании твёрдых контактов является их быстрое изнашивание и обгорание. Кроме того, недостатком указанных устройств является то, что форма выходного сигнала у них всегда прямоугольной формы.

Предлагаемый в настоящем изобретении преобразователь переменного сигнала свободен от вышеуказанных недостатков, так как при отсутствии нагрузки или минимальной нагрузке задействован и потребляет ток только один каскад усиления и преобразования, а при увеличении нагрузки каскады усиления и преобразования включаются поочерёдно. Также предлагаемый преобразователь переменного сигнала сохраняет работоспособность при выходе из строя от одного до всех, кроме одного, источников постоянного напряжения. Также предлагаемый преобразователь переменного сигнала не допускает потерь по теплу и более прост в конструкции так как в каждый момент времени открыт только один выходной элемент, а применение конденсаторов увеличивает КПД данного преобразователя. Кроме того, предлагаемый преобразователь переменного сигнала имеет любую форму выходного сигнала даже при применении ртутных прерывателей.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание устройства, у которого ток покоя не зависит от его выходной мощности и которое отличается от прототипов меньшим количеством деталей и более высокой надёжностью.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1. Преобразователь переменного сигнала, включающий N соединённых каскадов усиления переменного сигнала с возможностью неограниченного увеличения указанных каскадов, где N - натуральное число, а каждый источник постоянного напряжения является блоком питания своего индивидуального каскада усиления переменного сигнала, потребляет ток холостого хода, который не зависит от выходной мощности указанного преобразователя; преобразователь переменного сигнала включает в себя схемы поочерёдного включения каскадов усиления и преобразования указанного преобразователя при увеличении нагрузки указанного преобразователя и поочерёдного отключения указанных каскадов усиления и преобразования при уменьшении нагрузки, питание каскадов усиления и преобразования переменного сигнала указанного преобразователя осуществляют от индивидуального для каждого из указанных каскадов источника напряжения питания или от источника напряжения питания, который является общим для любого или любых или всех каскадов усиления и преобразования переменного сигнала указанного преобразователя .

2. При выходе из строя одного или нескольких или всех, кроме одного, источников питания каскадов усиления и преобразования, питание указанных каскадов может переключаться на не вышедший из строя источник питания или источники питания с помощью блоков коммутации, включенных в указанный преобразователь.

3. Преобразователь переменного сигнала может включать в себя полупроводниковые элементы или полупроводниковые элементы и элементы, замыкающие и размыкающие электрическую цепь или только элементы, замыкающие и размыкающие электрическую цепь, при этом замыкание и размыкание осуществляют с помощью твердых контактов или с помощью ртути (ртутные прерыватели).

4. Преобразователь переменного сигнала включает в себя конденсаторы и схемы заряда и разряда указанных конденсаторов, при этом, в указанном преобразователе переменного сигнала при поочерёдном включении выходных элементов каскадов усиления и преобразования каждый указанный выходной элемент создаёт заряд, напряжение которого после отключения указанного выходного элемента сохраняется до включения следующего выходного элемента.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображено устройство преобразователя переменного сигнала, включающего в себя пять каскадов усиления и преобразования. Указанный преобразователь работает следующим образом: допустим, что нужно получить указанную на фиг.1 форму выходного сигнала, оптимальную для данной общей нагрузки. Для этого указанная форма выходного сигнала разбивается на пять частей и каждая часть преобразовывается из сигнала прямоугольной формы и усиливается на своём каскаде усиления и преобразования и подаётся на выходной трансформатор с указанного каскада. В данном устройстве используются схемы 1-1, 1-2, 1-3, блоки коммутации БК 1-5, а также выходной согласующий элемент (трансформатор) и источники питания. Схема 1-1 представляет собой мультивибратор, выдающий сигнал прямоугольной формы, собранный на микросхеме 561 тм 2 или на любой аналогичной. На схеме 1-1 расположен также стабилизатор напряжения питания схем 1-1 и 1-2. На схеме 1-1 расположена также схема задания формы сигнала (далее по тексту - СЗФС), которая используется при ШИМ (широтно импульсное модулирование) преобразовании. Стабилизатор напряжения питания собран на микросхеме КРЕН или на любой аналогичной. Сигнал прямоугольной формы со схемы 1-1 поступает на каскады усиления и преобразования, которые выполнены одинаково, поэтому рассмотрим работу одного из них, а конкретно третьего каскада ЗВ, представленного на фиг.1. Сигнал прямоугольной формы со схемы 1-1 поступает на схемы Зп-1 каждого каскада, на которых указанный сигнал изменяется по длительности следующим образом: разобьём длительность указанного сигнала на пять частей, при этом в зависимости от формы задаваемого сигнала могут быть использованы от одной до пяти следующих одна за другой частей указанного сигнала. Указанное действие осуществляется с помощью микросхем 561 аг-1 или аналогичных, которые изменяют длительность и время появления сигнала. В схемы Зп-1 в данном случае входит одна микросхема 561 аг-1. Задание длительности и очерёдности импульсов, составляющих сигнал, создаётся с помощью резисторов R-l - R-7 номиналом 50 килоом и конденсаторами номиналом 1 микрофарад. Затем импульсы, составляющие сигнал, с указанных микросхем поочерёдно поступают на схему Зп-2. Схема Зп-2 работает следующим образом: импульс, полученный на микросхеме D-2 схемы Зп-1, через диод Д-3 поступает на схему Зп-2, далее указанный импульс через развязывающий диод Д-2 поступает на усилитель, собранный на транзисторе Т-1 номиналом КТ - 315 или любой аналогичный. Затем импульс, полученный на микросхеме D-1 схемы Зп-1, через диод Д-1 поступает на схему Зп-2 и через развязывающий диод Д-1 указанный импульс поступает на усилитель, собранный на транзисторе Т-1. В усилитель, собранный на транзисторе Т-1, входят также резисторы R-5 и R-6. Указанный усилитель в данном случае находится в составе схемы Зп-1, но может находиться и в составе схемы Зу-1. Указанный усилитель усиливает полученный сигнал по мощности. В состав схемы Зп-2 входит также ограничитель длительности и/или амплитуды сигнала, который работает следующим образом: как только нагрузка на данный каскад усиления и преобразования становится выше максимальной, то и ток становится выше максимально допустимого, поэтому образуется токовый сигнал, который приходит на усилитель токового сигнала, собранный на транзисторе Т-3 и резисторе R-4. Затем токовый сигнал поступает на цепочки, состоящие из диодов Д-5, Д-6, резисторов R-5, R-6 и конденсаторов. Указанные цепочки совместно с микросхемой D-1 служат для задания ограничения длительности сигнала. Ограничение длительности сигнала происходит следующим образом: с выхода микросхемы D-1 схемы Зп-1 импульс через развязывающий диод Д-7 поступает на микросхему D-1 схемы Зп-2, где его длительность увеличивается до суммы длительностей всех задействованных импульсов и с выхода указанной микросхемы поступает на базу транзистора Т-2, который своим коллектором соединён с эмиттером транзистора Т-1 и подаёт на него напряжение питания. Когда ток каскада усиления и преобразования в норме, то токовый сигнал отсутствует и длительность сигнала, открывающего транзистор Т-2, не ограничивается, поэтому транзистор Т-2 открыт и на транзисторе Т-1 есть питание в течение всей длительности сигнала, присутствующего на транзисторе Т-1. Когда ток каскада усиления и преобразования становится выше максимально допустимого, то и максимальный ток потребления, соединённого с ним источника питания, может стать выше максимально допустимого, если указанный источник питания рассчитан на тот же ток что и указанный каскад усиления и преобразования. Когда ток каскада усиления и преобразования становится выше максимально допустимого, то образуется токовый сигнал и длительность сигнала, открывающего транзистор Т-2, ограничивается, поэтому ограничивается и длительность сигнала усиливаемого на транзисторе Т-1. Ограничение амплитуды сигнала происходит следующим образом: когда ток каскада усиления и преобразования становится выше максимально допустимого, то образуется токовый сигнал, который открывает транзистор Т-3. С коллектора транзистора Т-3 токовый сигнал поступает на делитель напряжения на резисторе R-7 и развязывающий диод Д-4 и ограничивает амплитуду сигнала, присутствующего на транзисторе Т-1. Когда токовый сигнал отсутствует, то амплитуда сигнала присутствующего на транзисторе Т-1 остаётся без изменений. Затем сигнал с коллектора транзистора Т-1 схемы Зп-2 поступает на схему Зу-1. Схема Зу-1 представляет собой усилитель мощности, собранный на микросхеме К 174 УН-1 или по любой другой аналогичной схеме. Затем сигнал поступает на схему Зу-2. Схема Зу-2 представляет собой усилитель мощности, собранный на транзисторах Т-1, Т-2 и резисторах R-l, R-2, R-3. Диоды Д-1, Д-2, Д-3 служат для защиты выходного элемента транзистора Т-2 от обратного напряжения, возникающего при работе указанной схемы. Диоды Д-1, Д-3 и резистор R-4 на каскаде усиления и преобразования, подключённого к источнику питания с наибольшим напряжением или к обмотке трансформатора с наименьшим количеством витков, можно не применять на указанном каскаде усиления и преобразования из-за увеличения выходного сопротивления. В схему Зу-2 для сглаживания пауз между идущими поочерёдно выходными импульсами каскадов усиления и преобразования входит конденсатор С- 1. Резистор R-5 предназначен для заряда этого конденсатора при открытом выходном элементе транзисторе Т-2. Диод Д-4 предназначен для разряда этого конденсатора при закрытом транзисторе Т-2. То есть в указанном преобразователе переменного сигнала при поочерёдном включении выходных элементов каскадов усиления и преобразования каждый указанный выходной элемент при включении создаёт заряд, напряжение которого после отключения указанного выходного элемента остаётся до включения следующего по очереди выходного элемента.

Со схемы Зу-2 сигнал поступает на одну из первичных обмоток трансформаторов, в данном случае поступает на обмотку третьего трансформатора. Схема Зу-3 представляет собой датчик тока, который при увеличении тока данного каскада усиления и преобразования подаёт токовый сигнал на схему Зп-2. Схема Зу-3 собрана на шунте, применяемом для измерительных приборов или по любой аналогичной схеме. С объединённых с помощью оптоприборов (оптотиристоров) ОЭП 1-3 вторичных обмоток трансформаторов сигнал подаётся на общую нагрузку. Сигнал

б подаётся на схему 1-3, которая совместно со схемой 1-2 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения путём изменения длительности этого сигнала. Схема 1-3 работает следующим образом: с объединённых вторичных обмоток трансформаторов сигнал подаётся на резистор R-1, на котором выставляется нужная величина указанного напряжения при отсутствии общей нагрузки. Затем указанное напряжение выпрямляется на диоде Д-1 и поступает на выводы 1, 3 оптопары ОЭП-4. Между выводами 2, 4 оптопары ОЭП-4 находится изменяемое сопротивление, которое в свою очередь изменяет усиление схемы 1-2 следующим образом: Схема 1-2 представляет собой усилитель постоянного напряжения на транзисторе Т-1 и резисторах R-1, R-2 в базовую цепь которого включено изменяемое сопротивление между выводами 2, 4 оптопары ОЭП-4. Со схемы 1-2 усиленное постоянное напряжение поступает на делители напряжения R-1 - R-7 схем Зп-1 всех каскадов усиления и преобразования. Указанные делители напряжения R-1 - R-7 схем Зп-1 задают длительность и очерёдность импульсов, составляющих сигнал (см. изложенное выше). Изменение длительности выходного сигнала происходит следующим образом: если общей нагрузки нет или она минимальная, например, в режиме холостого хода, сигнал, который подаётся на схему 1-3, довольно сильный, и изменяемое сопротивление между выводами 2, 4 оптопары ОЭП-4 минимально, поэтому транзистор Т-1 усилителя постоянного напряжения схемы 1-2 открывается и отрицательное постоянное напряжение подаётся на делители напряжения R-1 - R-7 схем Зп-1 всех каскадов усиления и преобразования. Указанное напряжение уменьшает длительность импульсов, составляющих сигнал на всех кроме одного каскадов усиления и преобразования до нулевого значения, а на указанном любом одном каскаде усиления и преобразования длительность импульса становится минимальна и равна длительности самого сигнала. При этом транзистор Т-1 при открытии закрывает транзистор Т-2, а транзистор Т-2 при закрытии уменьшает напряжение на оптовходах оптотиристоров ОЭП 1-6. При этом указанные оптотиристоры закрываются и вторичные обмотки выходных трансформаторов разъединяются. Это делается для того, чтобы уменьшить ток холостого хода. То есть ток холостого хода в предлагаемом преобразователе переменного сигнала не зависит от максимальной мощности указанного преобразователя, так как всегда равен минимальному току потребления любого одного входящего в него каскада усиления и преобразования. Как только на вторичных обмотках выходных трансформаторов появляется общая нагрузка, то величина сигнала, который подаётся на схему 1-3, уменьшается и изменяемое сопротивление между выводами 2, 4 оптопары ОЭП-4 увеличивается, поэтому транзистор T-l усилителя постоянного напряжения схемы 1-2 закрывается и отрицательное постоянное напряжение, которое подаётся на делители напряжения R- 1 - R-7 и резисторы R-4, схем Зп-1 всех каскадов усиления и преобразования, уменьшается, а положительное напряжение увеличивается. Положительное напряжение по мере увеличения нагрузки, увеличивает длительность импульсов, составляющих сигнал, а значит и длительность самого сигнала. Указанное напряжение увеличивает длительность импульсов, составляющих сигнал на всех кроме одного каскадов усиления и преобразования выше нулевого значения, поэтому на выходах указанных каскадов усиления и преобразования поочерёдно появляются импульсы, составляющие сигнал. Очерёдность появления этих импульсов определяют цепочки R-4, Д-2 схем Зп- 1. При этом транзистор Т-1 при закрытии открывает транзистор Т-2, а транзистор Т-2 при открытии увеличивает напряжение на оптовходах оптотиристоров ОЭП 1-6. При этом указанные оптотиристоры поочерёдно открываются и вторичные обмотки выходных трансформаторов объединяются. Очерёдность открытия оптотиристоров ОЭП 1-6 определяют цепочка из R3 - R6 и Д1 - ДЗ схемы 1-2. Таким образом работают схемы поочерёдного включения каскадов усиления и преобразования указанного преобразователя при увеличении нагрузки и их поочерёдного отключения при уменьшении нагрузки. Как видно из вышеизложенного, увеличиваются по длительности все части, составляющие выходной сигнал, а значит и сам выходной сигнал, поэтому напряжение на выходе стабилизируется. Также указанная на фиг. 1 схема может с помощью схемы СЗФС осуществлять ШИМ преобразование следующим образом. Схема СЗФС подаёт управляющий сигнал нужной формы на задающие цепочки схемы 1-1. Поэтому со схемы 1-1 идёт широтно модулированный сигнал, то есть сигнал изменяющийся по длительности. Во всём остальном работа данного устройства остаётся без изменений.

Питание рассматриваемого устройства осуществляется от источников с одинаковым напряжением питания (см. фиг.1 и фиг.2) через блоки коммутации БК 1- 3. Указанные блоки коммутации предназначены для того, что бы при выходе из строя одного или нескольких или всех, кроме одного, источников питания каскадов усиления и преобразования, питание этих каскадов с помощью этих блоков коммутации переключалось на не вышедший из строя источник(и) питания. Так как все блоки БК работают одинаково рассмотрим работу БК 3, через который идёт питание каскада усиления и преобразования ЗВ. Указанный блок коммутации состоит из двупозиционного реле К-1, которое осуществляет коммутацию питания и схемы управления указанным реле. Схема управления указанным реле состоит из датчика контроля напряжения на микросхеме D-1; резисторов Rl , R2; конденсатора С-1 и двух ключей управления на транзисторах Т1 - Т4. При исправном источнике питания контакты реле находятся в положении, показанном на фиг.1 и фиг.2. На выходе микросхемы D-1 на контакте К 1-3 реле К-1 присутствует напряжение управления ключом, собранным на транзисторах Т1 - Т2, а на контакте К 1-2 реле К-1 указанного напряжения нет. При выходе из строя источника питания каскада усиления и преобразования ЗВ напряжение питания становится ниже допустимого и на выходе микросхемы D-1 , на контакте К 1-3 реле К-1 напряжение управления ключом исчезает, а на контакте К 1-2 реле К-1 появляется. Срабатывает ключ на транзисторах ТЗ - Т4, контакты реле К-1 переключаются и питание каскада усиления и преобразования ЗВ становится совместным с питанием каскада усиления и преобразования ЗГ. Питание схемы 1-1, 1-2 осуществляется с помощью диодов 3-3. Различие между фиг.1 и фиг.2 заключается в следующем: на фиг.2 присутствуют пять каскадов усиления и преобразования, к выходам каскадов усиления и преобразования подсоединены первичные обмотки общего выходного трансформатора, поэтому нет оптотиристоров. Во всём остальном работа схем, представленных на фиг.1 и фиг.2 одинакова.

На фиг.З, фиг.4, фиг.5, фиг.6 представлены способы построения выходного сигнала и некоторые формы выходного сигнала. На фиг.З представлена форма выходного сигнала, составленная из четырёх частей следующих одна за другой, каждая из которых приходит со своего каскада усиления и преобразования, номера этих каскадов усиления и преобразования указаны внизу формы выходного сигнала. На фиг.4 представлена форма выходного сигнала, составленная из пяти частей, следующих одна за другой, каждая из которых приходит со своего каскада усиления и преобразования, которые работают поочерёдно. На фиг.5 представлена форма выходного сигнала, составленная из пяти частей, причём части ЗА и ЗБ следуют одна за другой, а части ЗГ и ЗВ совпадают, так как эти каскады усиления и преобразования, с которых они приходят, работают одновременно. На фиг.5 представлена форма выходного сигнала где все каскады усиления и преобразования работают одновременно.

На фиг.7 представлен вариант схемы ЗУ-2 каскадов усиления и преобразования, где вместо выходного транзистора используются элементы с индукционным управлением, например, ртутные прерыватели, шаговые искатели и т. д.

Представленный вариант схемы ЗУ-2 работает аналогично варианту схемы ЗУ-2 с выходным транзистором. Отличие состоит в том, что транзистор Т-1 при его открытии подаёт импульс на катушку ртутного прерывателя, при этом контакты этого ртутного прерывателя соединяют вывод первичной обмотки выходного трансформатора с минусом напряжения питания. Ртутный прерыватель может также управлять амплитудой напряжения. На фиг. 8 представлены схемы Зу-2 каскадов усиления и преобразования, которые наряду с приведёнными выше схемами могут использоваться при работе данного устройства в режиме ШИМ преобразования. При этом количество самих каскадов усиления и преобразования может быть один - см. фиг. 8а или два - см. фиг. 86. Отличие устройства, представленного на фиг.8а и 86 от традиционного ШИМ преобразования состоит в отсутствии дросселя, функции которого выполняет обмотка 2. Конденсатор С1 заряжается и разряжается в зависимости от длительности выходного сигнала. Из-за потерь схема на фиг. 8а менее эффективна, чем схема на фиг. 86, так как схема на фиг. 86 включает два каскада усиления и преобразования, один из которых соединён с обмоткой 2 и включается по мере заряда конденсатора С1.

Промышленная применимость

Преобразователь переменного сигнала с подключёнными к нему аккумуляторами и батареями рекомендуется для применения в качестве автономного источника электропитания. Указанный преобразователь переменного сигнала обладает предельно низким током потребления без нагрузки (током холостого хода) который может быть равен току саморазряда подключённых к нему аккумуляторов и батарей. Причём ток холостого хода указанного преобразователя переменного сигнала не зависит от его максимальной мощности. Указанный преобразователь переменного сигнала позволяет менять подключённые к нему аккумуляторы и батареи не выключая указанный преобразователь. Указанный преобразователь переменного сигнала при использовании ртутных прерывателей отличается высокой надёжностью, так как указанные прерыватели тяжело вывести из строя. Указанный преобразователь переменного сигнала может оказаться незаменим для питания отдалённых и постоянно не обслуживаемых устройств автоматики. Указанный преобразователь отличается высоким КПД и низкой себестоимостью.