МОСТОВОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к формированию (синтезу) электрических сигналов, описываемых тригонометрической, например синусоидальной, многоступенчатой функцией к синтезу регулируемого дискретно по величине постоянного и переменного напряжений, и может найти применение в автоматике, вычислительной и преобразовательной технике.

Известен аналог изобретения [1] состоящий из инвертора, вторичных обмоток, коммутируемых ключами переменного тока, в котором с целью снижения массогабаритных показателей устройств используются высокочастотное промежуточное преобразование энергии и представление целых натуральных чисел с помощью симметричного многозначного кода. При этом могут быть сформированы все уровни напряжения, необходимые для генерации заданной периодической функции, аппроксимируемой ступенчатой формой кривой.

Недостатком аналога является повышенное количество вторичных обмоток, ключей переменного тока, повышенное напряжение на этих ключах и возможность построения только двухразрядных устройств. Отмеченные недостатки снижают технологичность (большое количество обмоток), надежность (повышенное количество ключей и повышенное напряжение на них) и повышают стоимость устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является функциональный преобразователь [2] в котором для реализации многоразрядности использовано последовательное включение разрядов и нагрузки. Все основные недостатки, присущие аналогу, характерны и для прототипа.

Цель изобретения упрощение устройства, повышение его технологичности и надежности, снижение стоимости.

Достигается это тем, что вторичные (разрядные) обмотки трансформатора каждого разряда включаются в диагонали многомостового преобразователя частоты, выполненного на ключах переменного тока. Многоразрядность функционального преобразователя достигается последовательным соединением многомостовых преобразователей частоты.

На фиг. 1 представлен мостовой трехразрядный функциональный преобразователь с реализацией пятиричной системы счисления с симметричной базой: 0; ±1; ±2. Преобразователь состоит из входного высокочастотного инвертора (частота 20 30 кГц), выполненного к примеру, по "нулевой" схеме, и трехразрядного цифрового многомостового преобразователя частоты.

Инвертор содержит силовые транзисторы 1 и 1', диоды 2, первичные обмотки 3 силового трансформатора.

Многомостовой цифровой преобразователь частоты состоит из трех групп вторичных обмоток 4-4', 5-5' и 6-6' и трех ячеек пятиключевых мостов переменного тока 7, 8 и 9. Первый мост содержит ключи переменного тока 10-14; второй 15-19 и т.д. Пятиричные мосты соединены между собой и нагрузкой 20 последовательно.

Схема управления состоит из задающего генератора 21, делителя частоты 22 и распределителя импульсов 23. Источник питания 24.

Соотношение витков групп обмоток 4-4'; 5-5' и 6-6' между собой равно 1: 5:25 и т.д. для выбранной пятиричной системы счисления.

На фиг. 2 представлен первый разряд 7 (ячейка) многомостового цифрового преобразователя частоты, реализующего многозначную систему счисления с основанием счисления, большим пяти. На фиг. 2 первичная обмотка 3; вторичные обмотки 25 27; ключи переменного тока 29 36.

Соотношение витков обмоток 25, 26, 27 в каждом из разрядов между собой равно 1:1:2 (для примера). Соотношение витков одноименных обмоток между разрядами определяется выбранным основанием счисления.

На фиг. 3 представлена экспериментальная осциллограмма выходного синусоидального напряжения, синтезированного трехразрядным, с основанием счисления, равным семи мостовым функциональным преобразователям.

Схема по фиг. 1 работает следующим образом.

Прямоугольные импульсы высокой частоты с делителя частоты 22 запускают силовой инвертор 1-2-3. При подаче напряжения питания от источника 24 на первичной обмотке 3 формируются прямоугольные импульсы напряжения. На вторичные обмотки 4-6 трансформируется напряжение, равное: в группе 4-4' по U; в группе 5-5' по 5U; в группе 6-6' по 25U на каждой из обмоток. При коммутации ключей в каждом из мостов (разряде) напряжения из группы обмоток могут поступать на выход многомостовой ячейки (a-b) поочередно в фазе или в противофазе, или в сумме, или выход ячейки может быть закорочен.

Таким образом, на выходе ячейки 7 можно сформировать напряжения: 0, ±U и ±2U; на выходе ячейки 8 (c-d)-напряжения 0, ±5U, ±10U и на выходе ячейки 9(e-f) напряжения 0, ±25U и ±50U. Например, в ячейке 8 при замыкании ключей 18 и 19 и размыкании всех ее остальных ключей на выходе (c-d) будет короткое замыкание, а напряжения с обмоткой 5 и 5' будут изолированы от выхода. При замыкании только ключей 15 и 17 на выход ячейки поступит напряжение +5V; при замыкании ключей 17 и 18 на выход ячейки поступит напряжение 5V; при замыкании ключей 15 и 19 поступит напряжение +10V, а при замыкании ключей 16 и 18 напряжение 10V. Аналогичный алгоритм работы ключей и в остальных ячейках преобразователя.

Поскольку ячейки между собой и нагрузкой соединены последовательно, то манипулируя величиной и полярностью напряжения с выхода каждой ячейки, можно сформировать на нагрузке любой уровень напряжения (K) от 0 до 62U обоих полярностей (при трех разрядах), от 0 до 12U при двух разрядах и т.д. по формуле , где P-основание счисления (в нашем случае P=5); n-количество разрядов.

Например, необходимо получить на нагрузке напряжение +8V. Для этого необходимо из 10U вычесть 2U, это достигается включением ключей 10 и 14 в ячейке 7 (напряжение +2U) и ключей 15 и 19 в ячейке 8 (напряжение +10U). Так как ячейки по полярности включены встречно, то на нагрузке сформируется напряжение +8U. Для формирования напряжения 7U необходимо включить ключи 10 и 14, а также 17 и 18 (напряжение 5U).

Управление срабатыванием ключей цифрового преобразователя частоты (ячейки 7, 8 и 9) производится от распределителя импульсов 23, содержащего программируемую микросхему ППЗУ.

Работа ячейки 7 многомостового цифрового преобразователя частоты по фиг. 2 происходит следующим образом.

Соотношение напряжений во вторичных обмотках 25 28 выбрано соответственно.

Обмотка 25 U; обмотка 26 U; обмотка 27 2U.

На базе этой структуры можно реализовать ячейки с различным основанием счисления.

Используя обмотку 25 и ключи 29-32, можно реализовать троичную систему счисления (0±1), используя обмотки 25 и 26, а также ключи 29 34, можно реализовать пятиричную систему счисления (0, ±1, ±2); используя обмотки 26 и 27, а также ключи 31 36, можно реализовать семиричную систему счисления (0, ±1, ±2, ±3), используя обмотки 25, 26 и 27, а также ключи 29 36, можно реализовать девятиричную систему счисления (0, ±1, ±2, ±3, ±4).

Подключением дополнительной обмотки и пары ключей можно увеличивать основание счисления ячейки и далее.

Соединением последовательно таких ячеек можно реализовать многоразрядную структуру.

Из анализа работы ячеек видно, что в каждой ячейке при любом алгоритме одновременно включается не более двух ключей. Максимальное напряжение прикладывается к крайним ключам и оно не превышает суммарного напряжения в группе обмоток для одной ячейки, а в прототипе это напряжение равно удвоенному групповому напряжению.

Этим, кстати, всегда и отличаются "нулевые" схемы от мостовых. Из фиг. 1 видно, что при реализации пятиричной системы счисления количество ключей равно количеству ключей в прототипе, однако при реализации семиричной и девятиричной систем счисления количество ключей сокращается на один.

В прототипе количество обмоток (l) в каждом разряде определяется по формуле l= p-1, а в предлагаемом устройстве для пятиричной системы счисления для семиричной для девятиричной l9=p/3. Это обстоятельство существенно упрощает технологию изготовления трансформатора, снижает его стоимость.

На базе приведенных структур могут быть синтезированы и многофазные функциональные преобразователи.

Преобразователь может быть использован в преобразовательных устройствах с квазисинусоидальным выходным напряжением, в моделирующих и вычислительных установках. Цель изобретения - упрощение, повышение надежности и экономической эффективности. Преобразователь состоит из высокочастотного инвертора с выходным трансформатором, вторичные обмотки которого поразрядно включены в диагонали многомостовых ячеек, а ячейки соединены последовательно между собой и нагрузкой. Синтез формы выходного напряжения осуществляется по принципу ступенчатой аппроксимации, а управление многомостовыми ячейками основывается на использовании многозначной симметричной системы счисления. 3 ил.

Мостовой функциональный преобразователь, содержащий задающий генератор, делитель частоты, распределитель импульсов, источник питания, силовые транзисторы, шунтирующие диоды, трансформатор, нагрузочный элемент и многоразрядный преобразователь частоты, каждый разряд которого состоит из пяти ключей, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, выход задающего генератора подключен к входу делителя частоты, выходы которого соединены соответственно с входом распределителя импульсов и базовыми выводами силовых транзисторов, эмиттерные выводы которых подключены к анодным выводам шунтирующих диодов и первому выводу источника питания, второй вывод которого соединен со средним выводом первичной обмотки трансформатора, крайние выводы которой подключены соответственно к коллекторным выводам силовых транзисторов и катодным выводам шунтирующих диодов, отличающийся тем, что каждый разряд многоразрядного преобразователя частоты выполнен в виде мостовой схемы, четыре плеча которой образованы соответственно четырьмя ключами, крайние выводы каждой секции вторичной обмотки трансформатора включены в диагональ соответствующей мостовой схемы, средний вывод каждой секции вторичной обмотки трансформатора соответствующей мостовой схемы через пятый ключ соединен со свободной вершиной этой мостовой схемы, этот вывод и вывод противолежащей ей вершины мостовых схем соединены с выводами нагрузочного элемента.