УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ШУМА В СИГНАЛЕ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2004 года по МПК H02J3/01 H01L35/28 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству, которое позволяет подавлять шум в сигнале питания и предотвращает вредное влияние от наложения, к примеру белого шума или паразитного волнового шума, вызванного ЭДС помехи, на колебание переменного тока, которое должно бы быть синусоидальным колебанием, подаваемым, например, от коммерчески доступного источника питания переменного тока напряжением 100 В на электромагнитные приборы (в том числе, электронные приборы). Более конкретно, изобретение относится к устройству, которое в общем случае может быть использовано в любом электронном приборе, подключенном к питающей входной цепи, не входящей в отдельные функциональные цепи электрического прибора.

Предшествующий уровень техники

Традиционно используются фильтры или подобные им устройства, настроенные на конкретную частоту, определяемую постоянной времени L, С и R, и формирующие отдельные функциональные цепи для заземления или выполняющие функцию токового элемента.

Однако в обычном устройстве этого типа за счет использования емкостного или индуктивного импеданса сигнал соответствующей частоты не удается подавить и не удается подавить указанный эффект по всем частотным полосам, и негативное влияние электромагнитного шума помехи можно исключить лишь частично. В отношении белого шума удовлетворительных результатов не получено.

Таким образом, невозможно преодолеть искажение речи в акустических приборах, искажение изображений или цвета при использовании видеоустройств и т.д., вызываемое шумовыми или помеховыми колебаниями с неспецифическим и нестабильным частотным спектром от источника питания переменного тока.

К тому же, в электромагнитных приборах в дополнение к катушкам имеется большое число подключенных или встроенных электрических, электронных элементов, таких как трансформаторы, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы. Выходной ток, включающий в себя вышеупомянутый шум стоячей волны, вызывается также такими электрическими характеристиками, как индуктивность, проводимость, емкость и т.п., присущими этим элементам, и такими свойствами материалов, как тепловой шум или рассеяние электронов. В результате интерференции шумов стоячих волн тока, в особенности вблизи нулевого уровня тока, возникает шум с еще более высокой энергией.

Поскольку шумы стоячей волны перекрывают обычный выходной сигнал, который должен быть, по существу, подобен входному сигналу, входной сигнал практически нельзя точно преобразовать. Шумы в электромагнитных приборах делают преобразование входных сигналов в звуковые сигналы, сигналы изображения, записи данных и т.п. неточным и нечетким, вследствие чего теряется научная и художественная ценность подаваемой информации и здоровья людей.

Цель данного изобретения состоит в преодолении указанных проблем и создании устройства, которое может быть легко интегрировано в электромагнитную аппаратуру конечного пользователя, простым подключением его к питающей входной цепи.

Раскрытие изобретения

Автор данного изобретения является одним из патентообладателей изобретения, по патенту Японии №2731456. Уделяя внимание, для улучшения качества звука, характеристикам элемента с PN-переходом (термомодуля), который подключен к каждой из функциональных цепей в "низкомощных цепях", с которыми связано данное изобретение, средство для решения вышеуказанных проблем обеспечивается в общем случае применением этих характеристик к питающим цепям "высокомощных цепей".

Указанный элемент с PN-переходом, который создает разность температур посредством эффекта Пельтье и вырабатывает термоэлектрический ток посредством эффекта Зеебека, поясняется ниже со ссылкой на п.1 формулы изобретения вышеупомянутого патента.

Фиг.6 показывает усовершенствованный элемент 61 для сигнального колебания электромагнитной цепи, содержащей переходную пару с секцией 62 полупроводникового материала Р-типа и секцией 63 полупроводникового материала N-типа, имеющую термоэлектрические свойства в переходе 64 и электродные секции 65 и 66 из материалов с противоположными свойствами на противоположных сторонах этого перехода, и выполненной с возможностью производить эффект Пельтье и эффект Зеебека в одном и том же элементе и подавлять обратный ток электромагнитной индукции, вызывающий шум стоячей волны, за счет того, что экзотермический эффект Пельтье происходит на переходе 64, а эндотермический эффект Пельтье происходит на обеих электродных секциях 65 и 66, что позволяет за счет наличия переходной разности Δ Tt температур, возникающей в результате экзотермического и эндотермического эффектов, вырабатывать переходную противоэлектродвижущую силу первой полярности между переходом 64 и обеими электродными секциями 65 и 66 вследствие эффекта Зеебека, когда ток течет в первом направлении между секцией 62 полупроводникового материала Р-типа и секцией 63 полупроводникового материала N-типа, и вырабатывать противоэлектродвижущую силу противоположной, второй полярности между обеими электродными секциями 65 и 66 инвертированием вышеупомянутой переходной разности Δ Td, когда ток течет во втором направлении, противоположном первому направлению.

Краткое описание фигур чертежей

Фиг.1 изображает структурную схему цепи, иллюстрирующей первый вариант выполнения устройства, согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 изображает структурную схему цепи, иллюстрирующей второй вариант выполнения устройства, согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 изображает структурную схему цепи, иллюстрирующей третий вариант выполнения устройства, согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 изображает структурную схему цепи, иллюстрирующей четвертый вариант выполнения устройства, согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 (а) изображает схему, содержащую розетку питания с удлинительным шнуром, а (b) изображает схему, содержащую розетку питания типа вставки, предназначенной для непосредственного вставления в настенную розетку.

Фиг.6 иллюстрирует выполнение исключающего шум элемента по настоящему изобретению, в частности, (а) - показывает прибор со спаянными объемными материалами, (b) - со спаянными тонко- и толстопленочными материалами, (с) - с объемными материалами, спаянными в виде буквы П с переходной металлической полоской, и с элементом модульного типа со множеством соединенных последовательно элементов.

Фиг.7 иллюстрирует пилообразные колебания, в частности, (а) нормальное пилообразное колебание, а (b) - нерегулярное пилообразное колебание, перекрытое шумом стоячей волны.

Лучший вариант осуществления изобретения

Вышеупомянутый улучшающий качество звучания элемент 61 с PN-переходом, показанный на фиг.6, содержит переходную пару с материалом 62 р-типа и материалом 63 n-типа проводимости, а выводы 67 и 68 присоединены в качестве электродных выводов к торцам 65 и 66 материалов, противоположным переходу 64, соответственно образующих граничные слои перехода. Фиг.6 (а) показывает улучшающий звучание элемент с объемными материалами, образующими переход. Фиг.6 (b) показывает улучшающий звучание элемент с тонкопленочными или толстопленочными материалами, образующими переход. Фиг.6 (с) показывает улучшающий звучание элемент с объемными материалами, соединенными в виде буквы П с помощью соединительной металлической полоски 69.

Принимая, что абсолютная термоэлектрическая мощность материала Р-типа составляет α Р, а абсолютная термоэлектродвижущая сила (термоэдс) материала N-типа составляет α N, относительная термоэдс мощность α R переходной пары обоих материалов определяется как разность абсолютных термоэдс обоих материалов (α Р-α N). При протекании тока через элементы 61 с PN-переходом, показанный на фиг.6, к примеру, от материала Р-типа 62 к материалу N-типа 63, экзотермический эффект Пельтье α R· I· T, пропорциональный относительной термоэдс α R=α Р-α N элемента 61, току I и абсолютной температуре Т перехода 64, происходит на переходе 64, а эндотермические эффекты Пельтье (α Р-α Cu)· I· T и (α Cu-α N)· I· T, пропорциональные относительной термоэлектрической мощности α R элемента 61, току I и абсолютной температуре Т электродных секций 65 и 66, происходят на обеих электродных секциях 65 и 66, так что общая величина этих эндотермических эффектов Пельтье становится α R· I· T. В результате температура перехода 64 поднимается, а температура обеих электродных секций 65 и 66 падает, создавая тем самым разность Δ Т температур между переходом 64 и электродными секциями 65 и 66 (температуры секций 65 и 66 одинаковы). Эта разность Δ T температур неустойчиво изменяется вследствие влияния Джоулевой теплоты I²R, выделяемой электрическим сопротивлением R элемента, и теплопередачи КΔ Т, вызванной теплопроводностью К, которая обратна тепловому сопротивлению.

Однако по отношению к внезапному изменению тока, влияние Джоулевой теплоты и теплопередачи чрезвычайно малы, и температурная разность Δ T изменяется очень быстро и неустойчиво, в основном за счет экзотермического и эндотермического эффектов Пельтье, так что когда температура перехода 64 становится Th, а температуры обеих электродных секций 65 и 66 становятся одинаковыми и равными Тc, между переходом 64 и обеими электродными секциями 65 и 66 вырабатывается переходная разность Δ Tt=Th-Тc температур.

Указанная вырабатываемая переходная разность Δ Tt температур обеспечивает переходную противоэдс α RΔ T, пропорциональную относительной термоэдс α R элемента между переходом 64 и обеими электродными секциями 65 и 66 вследствие эффекта Зеебека. Когда переходной ток течет к материалу N-типа 63 от материала Р-типа 62, электрод 65 имеет положительную полярность, а электрод 66 имеет отрицательную полярность. Когда текущий в элементе ток меняет направление, температура перехода, температуры обеих электродных секций и полярности электродов меняют знак.

Поскольку указанный эндотермический и экзотермический эффекты Пельтье и противоэдс Зеебека возникают за счет повышенной скорости движения электронов в граничных слоях перехода между переходом 64 и обеими электродными секциями 65 и 66 элемента, они происходят в окрестностях нулевого значения выходного тока за счет индуктивной составляющей катушки, когда направление тока, протекающего в цепи катушки электромагнитного прибора, резко меняется, в результате чего быстро подавляется обратный ток электромагнитной индукции, генерирующий шум стоячей волны и поддерживает выходной сигнал нормального вида, что дает положительный эффект.

В качестве материалов разных типов проводимости, видно из таблицы, включающей металлы и составы, у которых измерялись термоэлектрические мощности и которые показаны в виде ряда термоэлектрических мощностей по их уровням, используются материалы с большими положительными и отрицательными абсолютными значениями термоэдс. В этом смысле в качестве материала предпочтительно выбрать термоэлектрический полупроводниковый материал. Ввиду его большой абсолютной термоэдс α , большой проводимости σ и низкой теплопроводности К в подлежащем использованию температурном диапазоне, велики эффекты выработки разности Δ T₁ температур и выработки противоэлектродвижущей силы α Δ Т для одного и того же тока. Величина z=α ²σ^{/к в общем случае называется показателем качества термоэлектрического материала, и элемент с переходом, использующий термоэлектрический материал с высоким показателем качества, считается элементом, улучшающим звучание.}

Более конкретно, примерами материалов для использования в качестве элементов, идентифицированных как улучшающие звучание, являются в настоящее время материалы на основе

висмут-теллура, которые имеют высокий показатель z качества при температуре, близкой к комнатной.

Одним из примером материала р-типа является (Sb₂Те₃)_А(Вi₂Те₃)_B(Sb₂Sе₃)_C, где Те добавляется как донор к А=70-72, В=23-27 и С=3-5. Одним из примеров материала n-типа является (Bi₂Те₃)_D(Sb₂Те₃)_E(Вi₂Sе₃)_F, где металлогалогеновое соединение, подобное SbI₃ или HgBr₂, добавляется в качестве донора к D=90-98, Е=0-50 и F=2-5.

Фиг.7 иллюстрирует вышеупомянутый элемент с PN-переходом, состоящий из вышеуказанных материалов, используемых, например, для горизонтального и вертикального отклонения в телевидении. Фиг.7(а) показывает нормальное пилообразное колебание, а (b) - нерегулярное пилообразное колебание, на которое наложен шум стоячей волны. Последний ухудшает качество изображений, последовательно включенный в цепь элемент с PN-переходом может обеспечить эффект возвращения этого колебания к нормальному пилообразному виду (а).

В качестве примера, переменный ток с частотой 50 Гц, который подается пользователям Токийской компанией электропитания, изменяет направление своего течения каждую 1/100 секунды. Поскольку электроны имеют массу и инерцию, поток электронов, формирующий этот ток, не может быть адекватным такому изменению направления каждую 1/100 секунды (не может внезапно останавливаться), и электроны сталкиваются друг с другом и переходят в хаотическое состояние. Это состояние соответствует белому шуму.

Настоящее изобретение особенно актуально в плане предотвращения столкновений электронов друг с другом при хаотическом движении электронов и использует шумопонижающий элемент, который характеризуется тем, что "вырабатывает разность температур посредством эффекта Пельтье и вырабатывает термоэлектрический ток посредством эффекта Зеебека" для достижения вышеуказанного назначения, не затрагивая внутреннюю структуру устройства отображения изображения, например, телевизора и т.п., при подключении к источнику питания переменного тока.

Хотя данное изобретение может быть использовано и в многофазной цепи питания переменного тока, к примеру, трехфазной цепи питания переменного тока, ниже в качестве примера выполнения будет описана однофазная цепь питания переменного тока 100 В. Хотя в Японии используется переменный ток напряжением в 100 В, возможна конструктивная модификация для согласования с напряжением 200 В для источников напряжения питания или с напряжением 220 В или выше в зарубежных странах. Если цепь сконструирована с учетом напряжения пробоя, верхнего предела напряжения нет, и можно справиться с высоким напряжением цепи распределения питания или сверхвысоким напряжением цепи передачи. Можно менять конструкцию, с целью адаптации изобретения к токам большой силы или высокой мощности путем выбора токовых емкостей диода и элемента с PN-переходом в соответствии с целевыми величинами.

В базовой цепи, показанной на фиг.1, две линии L и R (данный пример взят для однофазного переменного тока, в случае трехфазного переменного тока будет три линии) между входом (ВХ) и выходом (ВЫХ) переменного тока разделяются каждая на ветвь а и ветвь b, подключенные параллельно, и ветвь а образует цепь C-a-da-ta-D прямого тока, которая образована последовательным подключением диода da к элементу ta с PN-переходом, и может вызывать эффект Пельтье и эффект Зеебека в одном и том же элементе, тогда как ветвь b образует цепь C-b-db-tb-D обратного тока, которая является последовательным подключением диода db к элементу tb с PN-переходом. То есть направление включения элемента ta с PN-переходом в линию а выбрано таким, что переход будет охлаждаться, когда постоянный ток, выпрямленный диодом da, течет в элемент с PN-переходом.

Линия b имеет такую же структуру цепи, и являющийся нагрузкой прибор подключается к выходу этой цепи. При использовании такого прибора, пульсирующий ток из-за полуволнового выпрямления течет в элемент ta с PN-переходом в данном направлении, и переход охлаждается за счет эффекта Пельтье, с образованием разности температур, которая вследствие эффекта Зеебека превращает прибор в тепловой генератор для преобразования, содержащего шум токового входного сигнала со входной стороны в поток термоэлектронов, который в свою очередь должен быть обеспечен.

Хотя фиг.1 показывает состояние, в котором две линии L и R разделены на две ветви а и b для образования последовательно соединенных цепей из диодов и элементов с PN-переходами, лишь одна из этих двух линий L или R может быть разделена на ветви, а оставшаяся линия остается в нормальном состоянии (т.е. вышеупомянутые последовательные цепи не образуются).

Фиг.2 показывает введение PN-перехода на выходной стороне цепи согласно фиг.1 в виде соединительной петли с обратным направлением NP, и при этом переход одного из двух элементов становится холодным, тогда как другой становится нагретым, и термическая ячейка закорачивается, так что в петле вырабатывается большой ток. Ток петли переносит электроны в соответствии с изменением нагрузки прибора, который подключен к ВЫХ, и заземлен. При поступлении отраженной волны со стороны прибора она поглощается.

На фиг.3 показан элемент ta с РN-переходом, также введенный перед диодом цепи по фиг.2 или на его входной стороне. В эксперименте с телеприемником с 37-дюймовым экраном качество изображения и звучания повысилось при использовании цепи по фиг.1. Цепь согласно фиг.2 дополнительно повысила качество указанных параметров по сравнению с цепью по фиг.1, а цепь по фиг.3 повысила качество еще больше. Введение петлеобразного шумоподавляющего элемента, встречно подключенного ко ВХ линии, как на фиг.4, привело к дальнейшему улучшению.

Фиг.6 представляет элемент в увеличенном масштабе, а реальные размеры элемента значительно меньше. Например, размеры (высота × глубина × длина) элемента с токовой емкостью 10 ампер составляют 2 мм × 2 мм × 3 мм, размеры такого же элемента с токовой емкостью 50 ампер составляют 5 мм × 5 мм × 3 мм, площадь поперечного сечения приблизительно пропорциональна интенсивности потока, а длина составляет около 3 мм.

Фиг.5(а) показывает пример выполнения розетки 51 с удлиняющим и снабженным вилкой шнуром 52, а фиг.5 (b) показывает пример выполнения розетки гнезда 54 с вилкой 53 для вставления в настенную розетку, причем оба сконструированы с возможностью использования в качестве рабочего источника питания для электронного прибора, такого как звуковое устройство или видеоаппаратура с подключением к сети переменного тока. Электрические цепи, показанные на фиг.1-3, встраиваются в корпус, показанный на фиг.5.

В качестве других вариантов выполнения, к примеру, цепь может быть сконструирована с возможностью включения между единственной линией и одним выводом токового ограничителя, например, в коробке плавких предохранителей или может быть сконструирована с формами и размерами, согласующимися с параметрами плавкого предохранителя, используемого в коробке плавких предохранителей, и может заменяться вместе с плавким предохранителем.

Промышленная применимость

Известно, что элемент с PN-переходом, производящий эффект Пельтье и эффект Зеебека в одном и том же элементе, может в своей основе обеспечить специальный шумоподавляющий эффект при подключении на стадии проектирования или на стадии изготовления к функциональной цепи наподобие цепи выведения речевого сигнала или цепи выведения видеоизображения.

Известно, что введение вышеупомянутого элемента с PN-переходом в схему отклонения по горизонтали или вертикали в телеприемнике, показанное, например, на фиг.7, может обеспечить эффект возвращения нерегулярного пилообразного колебания, которое имеет наложенный на него шум стоячей волны, как показано на фиг.7 (b), и ухудшает качество изображения, к нормальному пилообразному виду (а).

Однако поскольку рассматриваемое устройство сконструировано в виде автономного блока, который может по выбору легко подключаться пользователем между электромагнитным прибором, в котором оно не было предусмотрено, и источником питания переменного тока, подача питания переменного тока, например, к телеприемнику через указанное устройство позволяет существенно повысить качество изображения и звука и сделать их более естественными. Т.е. за счет исключения шумоподобного вихревого потока, вырабатываемого источником питания переменного тока, удается значительно ослабить флюоресцентные цвета и статическое электричество на телевизионном экране и улучшить качество звука.

По мере того, как конструкция цепи становится все более сложной от показанной на фиг.1 к показанной на фиг.4, эффекты все более возрастают. К числу видеоизображений, получаемых на телевизионном экране, качество которых заметно повышается при использовании заявленного устройства, можно отнести:

(1) Видеоизображения при естественном освещении (вода, горы, трава и цветы).

(2) Человеческие лица.

(3) Виды спорта, отличающиеся повышенной динамикой (бейсбол, борьба сумо и фигурное катание).

(4) Демонстрацию мод (цветная).

(5) Гастрономию (аналогично предыдущему).

(6) Кинофильмы, демонстрируемые с использованием видеомагнитофона.

Изобретение относится к электротехнике. Элемент ta с PN-переходом, который работает на эффектах Пельтье и Зеебека и вносит снижающий шум эффект, который предотвращает вредное влияние белого шума, содержащегося в колебании переменного тока для подачи от коммерчески доступного источника питания переменного тока, или паразитного шума или подобного ему шума, вызванного электромагнитной интерференцией в запитываемом электромагнитном приборе, и отличающийся эффективностью при монтаже на стадии конструирования или изготовления в каждой низкомощной функциональной цепи, что адаптирует прибор, снабженный указанным элементом, выполненным в виде элемента прибора или в виде автономного блока, к высокомощной цепи. Автономный блок сконструирован посредством разделения, по меньшей мере, одной из линий, подводимой к электромагнитному прибору между входным выводом ВХ питания переменного тока и выходным выводом ВЫХ на параллельные ветви а и b и подключения последовательного соединения диодов da, db и элемента ta, tb с PN-переходом к каждой ветви, что обеспечивает достижение технического результата - упрощение использования. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Устройство для подавления шума в сигнале питания переменного тока, подключаемое между источником питания переменного тока и входом питания электромагнитного прибора переменного тока, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна из линий отдельных фаз (например, L или R) источника питания переменного тока разделена на ветвь а и ветвь b, соединенные параллельно, каждая из параллельно соединенных ветвей а и b выполнена с возможностью формирования последовательной цепи из элемента ta и tb, соответственно, с PN-переходом, функционирующего на основе эффектов Пельтье и Зеебека, и диода d, причем параллельно соединенные ветви а и b подключены к узлу С и Е со стороны входа и к узлу D или F со стороны выхода, образуя петлю циркулирующего тока, входной вывод переменного тока (ВХ) снабжен входным соединителем в виде соединительной вилки или соединительной вилки со шнуром питания, а выходной вывод переменного тока (ВЫХ) снабжается выходным соединителем, выполненным в виде розетки или розетки с удлинительным шнуром.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы ta2 и tb2 с PN-переходом включены встречно параллельно друг с другом и подключены последовательно между узлом D или F параллельно соединенных ветвей а и b со стороны выхода и с выходным выводом переменного тока (ВЫХ).3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что элемент ta3 с PN-переходом подключен последовательно в прямом направлении между анодом диода, расположенного на входной стороне каждой ветви а и входным выводом переменного тока (ВХ), а элемент tb3 с PN-переходом подключен последовательно в обратном направлении между катодом диода, расположенного на входной стороне каждой ветви b и входным выводом переменного тока (ВХ).4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что элементы ta4 и tb4 с PN-переходом включены встречно параллельно друг с другом и подключены последовательно между узлом G или Н параллельно соединенных ветвей а и b со стороны входа элементов ta3 и tb3 с PN-переходом входным выводом переменного тока (ВХ).5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что цепь от входного вывода, по меньшей мере, одной из линий отдельных фаз источника питания переменного тока до выходного вывода помещается в электрически изолированный корпус.6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что, в случае использования в качестве питания трехфазного переменного тока, входные линии для упомянутого переменного тока выполнены из трех линий и токовой структуры каждой линии.7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что в качестве элемента с PN-переходом, функционирующего на основе эффектов Пельтье и Зеебека, использован усовершенствованный элемент 61 для электромагнитного колебания, содержащий переходную пару с секцией 62 полупроводникового материала Р-типа и секцией 63 полупроводникового материала N-типа, соединенными с возможностью генерирования термоэдс, на переходе 64, и электродные секции 65 и 66 материалов с противоположными свойствами на противоположных сторонах от упомянутого перехода, и при этом эффекты Пельтье и Зеебека в указанном элементе 61 возникают за счет того, что экзотермический эффект Пельтье возникает на переходе 64, а эндотермический эффект Пельтье возникает на обеих электродных секциях 65 и 66, за счет чего переходная разность ΔTt температур, возникающая за счет упомянутых экзотермического и эндотермического эффектов, способствует генерированию переходной противоэлектродвижущей силы первой полярности между переходом 64 и обеими электродными секциями 65 и 66 за счет эффекта Зеебека, при протекании тока в первом направлении между секцией 62 полупроводникового материала Р-типа и секцией 63 полупроводникового материала N-типа, и генерированию противоэлектродвижущей силы противоположной, второй полярности между обеими электродными секциями 65 и 66 путем инвертирования переходной разности ΔTd, при протекании тока во втором направлении, противоположном первому.