СИЛОВОЙ РЕЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК G06G7/25 H02M9/00 

Изобретение относится к вычислительной и преобразовательной технике и может быть использовано в качестве многофункционального схемного элемента интеллектуальных систем электропитания, воспроизводящих различные виды преобразований электрической энергии в зависимости от задающих информационных сигналов.

Известен одноканальный релятор, содержащий замыкающий и размыкающий ключи, образующие переключательный канал и связанные управляющими входами с выходом дифференциального компаратора, неинвертирующий и инвертирующий входы которого образуют компараторные входы одноканального релятора [1].

Известное устройство воспроизводит базовые операции предикатной алгебры выбора (ПАВ), к числу которых относятся ПАВ-дизъюнкция (V) и ПАВ-конъюнкция ()
V(y₁,y₂)=y₁•I(x₁-x₂)+y₂•I(x₂-x₁), (1)
(y₁,y₂)=y₁•I(x₂-x₁)+y₂•I(x₁-x₂), (2)
где y₁, y₂ - предметные переменные на входах переключательного канала;
х₁, х₂ - предикатные переменные на компараторных входах; I(х) - единичная функция, равная единице при х>0 и нулю при х<0.

Как видно ПАВ-дизъюнкция и ПАВ-конъюнкция воспроизводят бинарные операции альтернативного выбора одной из двух предметных переменных (либо у₁, либо у₂), которыми в общем случае могут быть математические объекты (действительные или комплексные числа, кортежи, матрицы и т.д.) или физические параметры, например питающие напряжения, удовлетворяющие условиям выделения у_i•1=у_i и поглощения y_i•0=0.

Однако в известном устройстве невозможны взаимозамещение предикатных переменных х₁←→х₂ и, следовательно, базовых ПАВ-операций V, блокирование переключательного канала, поскольку при любом соотношении предикатных переменных один из ключей находится в замкнутом состоянии, а также изменение параметров ключей за счет выбора односторонней или двухсторонней управляющей способности.

Указанные недостатки затрудняют возможность отождествления предикатных переменных с задающими информационными сигналами, а предметных переменных с питающими напряжениями необходимого для реализации процесса преобразования параметров и вида электрической энергии, что существенно ограничивает функциональные возможности известного устройства.

Известен одноканальный кодоуправляемый релятор, содержащий замыкающий и размыкающий ключи, образующие переключательный канал и связанные управляющими входами с выходом дифференциального компаратора через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального компаратора и свободный вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ образуют компараторные и первый цифровой вход одноканального кодоуправляемого релятора [2].

Известное устройство воспроизводит ПАВ-функцию

где W есть либо V либо ; D = {0,1} - цифровой сигнал на свободном входе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
Как видно из (3), цифровым сигналом D осуществляется взаимозамещение базовых ПАВ-операций V, однако отсутствует возможность блокирования переключательного канала и выбора параметров ключей путем задания односторонней или двухсторонней управляющей способности.

Указанные недостатки существенно ограничивают функциональные возможности известного устройства при осуществлении преобразования параметров и вида электрической энергии.

Цель предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей за счет повышения концентрации воспроизводимых видов преобразования электрической энергии постоянного и переменного напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что каждый ключ переключательного канала содержит два МДП-транзистора, соединенных истоками и затворами, два взаимозамещаемых зажима переменного тока, образованных стоками, зажим постоянного тока, образованный истоками, управляющий вход, образованный затворами, причем с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ связаны управляющие входы замыкающего ключа через первый логический элемент И и размыкающего ключа через логический элемент НЕ и второй логический элемент И, а свободные входы логических элементов И объединены и образуют второй цифровой вход силового релятора.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Силовой релятор 1 содержит переключательный канал 2, в котором МДП-транзисторы 3, 4, соединенные встречно-последовательно, образуют замыкающий ключ 5, а встречно-последовательно соединенные МДП-транзисторы 6, 7 образуют замыкающий ключ 8. Стоки МДП-транзисторов 3, 4 образуют взаимозамещаемые зажимы переменного тока 9, 10, истоки образуют зажим постоянного тока 11, а затворы - управляющий вход замыкающего ключа 5. Стоки МДП-транзисторов 6, 7 образуют взаимозамещаемые зажимы переменного тока 12, 13, истоки образуют зажим постоянного тока 14, а затворы - управляющий вход размыкающего ключа 8. Дифференциальный компаратор 15 подключен выходом к одному из входов логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 16, выход которого связан с управляющим входом замыкающего ключа 5 через первый логический элемент И 17, а с управляющим входом размыкающего ключа 8 через логический элемент НЕ 18 и второй логический элемент И 19. Неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального компаратора 15, свободный вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 16 и объединенные входы первого 17 и второго 19 логических элементов И образуют компараторные, первый и второй цифровые входы силового релятора 1, на которые подаются задающие информационные сигналы, как аналоговые (предикатные переменные х₁, х₂), так и цифровые (D₁, D₂).

Силовой релятор 1 функционирует следующим образом.

При подаче на компараторные и цифровые входы силового релятора 1 задающих информационных сигналов х₁, х₂, D₁, D₂ на выходе дифференциального компаратора 15 появляется уровень логической 1, если х₁>x₂, или логического 0, если х₁<х₂, т.е. формируется единичная функция I(х₁-х₂), которая логическими элементами 16, 17 преобразуется в функцию управления замыкающим ключом 5

а логическими элементами 16, 18 и 19 в функцию управления размыкающим ключом 8

Как видно, при x₁ > x₂ функции управления принимают значения Z₁=1 и Z₂= 0, обеспечивая включение МДП-транзисторов 3, 4 замыкающего ключа 5 и запирание МДП-транзисторов 6, 7 размыкающего ключа 8, а при х₁<х₂ функции управления принимают противоположные значения Z₁=0 и Z₂=1, обеспечивая запирание МДП-транзисторов 3, 4 замыкающего ключа 5 и включение МДП-транзисторов 6, 7 размыкающего ключа 8.

Цифровым сигналом D₁ обеспечивается взаимозамещение предикатных переменных х₁←→х₂, которое сопровождается взаимозамещением ключей переключательного канала 2 (ключ 5 становится размыкающим, а ключ 8 - замыкающим) и воспроизводимых ПАВ-операций. Цифровым сигналом D₂ обеспечивается блокирование переключательного канала 2, поскольку при D₂=0 независимо от соотношения предикатных переменных х₁, х₂ функции управления принимают нулевые значения Z₁=Z₂=0, запирающие все МДП-транзисторы одновременно.

Управляющая способность ключей переключательного канала 2 может изменяться в соответствии с видом воспроизводимого преобразования электрической энергии путем изменения схемы соединения МДП-транзисторов, возможного благодаря наличию трех зажимов в каждом ключе.

Замыкающий ключ 5 между зажимами переменного тока 9, 10 и размыкающий ключ 8 между зажимами переменного тока 12, 13 обладают двухсторонней управляющей способностью. При отрицательном напряжении на зажиме 9 (12) МДП-транзистор 3 (6) функционирует как диод, образованный n-областью стока и p-областью подложки, а МДП-транзистор 4 (7) функционирует в обычном ключевом режиме. При положительном напряжении на зажиме 9 (12) МДП-транзистор 3 (6) функционирует в ключевом режиме, а МДП-транзистор 4 (7) - в качестве диода. Таким образом, каждый из ключей 5 и 8 способен осуществлять коммутации при любой полярности напряжения на зажимах переключательного канала 2.

Объединением зажимов переменного тока 9 с 10 и 12 с 13 обеспечивается параллельное соединение МДП-транзисторов 3, 4 в замыкающем ключе 5 и МДП-транзисторов 6, 7 в размыкающем ключе 8. Нагрузочная способность по току переключательного канала 2 увеличивается практически в два раза, но функциональные возможности ключей ограничиваются односторонней управляющей способностью, т. е. способностью осуществлять коммутационные циклы включения-выключения только при одной полярности напряжения.

Силовой релятор 1 при наличии предметных переменных у₁, у₂ на входах 9, 12 переключательного канала 2 воспроизводит ПАВ-функцию

Значениям предметных переменных у₁=e(t), у₂=-е(t) соответствует подача на зажимы переменного тока 9, 12 переключательного канала 2 противофазных питающих напряжений, позволяющих преобразовать ПАВ-функцию (6) к виду
W(у₁,у₂) = D₂•{e(t)•D₁• Sign(x₁-x₂) + [-e(t)]•D₁•Sign(x₁-x₂)} , (7)
воспроизводящему логико-алгебраическую модель двухполупериодного выпрямителя (преобразование AC-DC). Здесь Sign(x) есть знаковая функция, равная +1 при х>0 и -1 при х<0.

Предикатной переменной х₁ путем отождествления с предметной переменной у₁ (т.е. х₁=y₁) придается функция сигнала синхронизации, изменяющегося синхронно с питающим напряжением e(t). Одновременно предикатная переменная х₂ приобретает функцию сигнала регулирования величины выпрямленного напряжения. В частном случае при х₂=0 ПАВ-функция (7) вырождается в логико-алгебраическую модель нерегулируемого двухполупериодного выпрямителя

которая показывает возможность изменения полярности выпрямленного напряжения цифровым сигналом D₁, а также блокирования процесса преобразования цифровым сигналом D₂, например, при возникновении аварийной ситуации. Замыкающий 5 и размыкающий 8 ключи переключательного канала 2 должны обладать, исходя из критерия реализуемости ПАВ-функций (7) и (8), двухсторонней управляющей способностью, т.е. для подключения переключательного канала 2 должны использоваться зажимы переменного тока 9, 10 и 12, 13 соответственно.

Значениям предметных переменных у₁=Е, у₂=-Е соответствует подача на зажимы 9, 12 переключательного канала 2 постоянных по величине, но противоположных по знаку питающих напряжений, при которых ПАВ-функция (6) преобразуется к виду

воспроизводящему логико-алгебраическую модель инвертора (преобразование DC-AC).

Предикатной переменной х₁ необходимо придать функцию задающего сигнала
x₁=u_з(t)=u_з(t+T_П), (10)
определяющего частоту f_П= 1/T_П энергетического процесса преобразования DC-AC. Тогда ПАВ-функция (9) при D₁=1 принимает значения

а при D₁=0 принимает значения

которым, с учетом периодичности задающего сигнала х₁=u_з(t), соответствует выходное переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной Е. Предикатная переменная х₂, как видно из (11), (12), способна выполнять функцию сигнала регулирования выходного переменного напряжения, а в частном случае, при х₂=0, осуществляется нерегулируемое преобразование DC-AC.

Процесс преобразования DC-AC в случае необходимости, например при возникновении аварийной ситуации, блокируется цифровым сигналом D₂, поскольку ПАВ-функция (9) при D₂=0 вырождается в тождество W(y₁, у₂)=0. Кроме того, цифровой сигнал D₂ позволяет реализовать алгоритмы трехпозиционного широтно-импульсного регулирования выходного напряжения, в процессе которого, как видно из (9), могут формироваться ПАВ-функции


при значениях цифрового сигнала D₁=1 и D₁=0 соответственно.

Взаимозамещение предикатных переменных х₁←→х₂ сопровождается, как следует из (9)-(12), изменением только фазы выходного переменного напряжения на противоположную, что подтверждает достаточность односторонней управляющей способности ключей 5 и 8 для реализации преобразования DC-AC и соответственно возможность объединения зажимов переменного тока 9 с 10 и 12 с 13 для увеличения нагрузочной способности переключательного канала 2.

Значениям предметных переменных у₁=Е, у₂=0 соответствует подключение к переключательному каналу 2 одного источника постоянного напряжения, при котором ПАВ-функцию (6) можно преобразовать к виду

воспроизводящему логико-алгебраическую модель широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения (преобразование DC-DC).

Предикатная переменная х₁ для реализации преобразования DC-DC должна удовлетворять условию (10). Тогда при D₁=1, как следует из (13), формируется ПАВ-функция

а при D₁=0 формируется ПАВ-функция

т. е. цифровым сигналом D₁ задается характер регулировочной характеристики: W(y₁, y₂)= f(x₂) или W(y₁,y₂)=-f(x₂). Цифровым сигналом D₂=0 процесс преобразования DC-DC блокируется, поскольку ПАВ-функция (13) вырождается в тождество W(y₁,y₂)=0.

Анализ ПАВ-функций (13)-(15) позволяет отметить достаточность односторонней управляющей способности замыкающего 5 и размыкающего 8 ключей для реализации преобразования DC-DC и возможность повышения нагрузочной способности переключательного канала путем объединения зажимов переменного тока 9 с 10 и 12 с 13.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает достижение положительного эффекта, который заключается в расширении функциональных возможностей за счет реализации различных видов преобразования электрической энергии, таких как AC-DC, DC-AC, DC-DC, а силовой релятор может использоваться в качестве многофункционального схемного элемента интеллектуальных систем электропитания с програмно-аппаратным заданием вида реализуемого преобразования.

Список источников информации
1. Волгин Л.И., Ребане Р.-В.Н. Аналоговый логический элемент для воспроизведения линейно-разрывных функций (его варианты). А.с. СССР 1270777, кл. G 06 G 7/25.

2. Андреев Д.В. Логическое устройство для ранговой обработки аналоговых сигналов. Патент РФ 2143739, кл. G 06 G 7/48, 7/25, 7/122.

Изобретение относится к вычислительной и преобразовательной технике и может быть использовано в качестве многофункционального схемного элемента интеллектуальных систем электропитания, воспроизводящих различные виды преобразований электрической энергии в зависимости от задающих информационных сигналов. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет повышения концентрации воспроизводимых видов преобразования электрической энергии постоянного и переменного напряжений. Устройство содержит дифференциальный компаратор, два логических элемента И, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, логический элемент НЕ, замыкающий и размыкающий ключи, выполненные на МДП-транзисторах. 1 ил.

Силовой релятор, содержащий замыкающий и размыкающий ключи, образующие переключательный канал и связанные управляющими входами с выходом дифференциального компаратора через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального компаратора и свободный вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ образуют компараторные и первый цифровой вход силового релятора, отличающийся тем, что каждый ключ переключательного канала содержит два МДП-транзистора, соединенных истоками и затворами, два взаимозамещаемых зажима переменного тока, образованных истоками, зажим постоянного тока, образованный истоками, управляющий вход, образованный затворами, причем с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕ ИЛИ связаны управляющие входы замыкающего ключа через первый логический элемент И и размыкающего ключа через логический элемент НЕ и второй логический элемент И, а свободные входы логических элементов И объединены и образуют второй цифровой вход силового релятора.