Циклотронный резонансный преобразователь СВЧ-колебаний с несколькими управляемыми выходами Российский патент 2022 года по МПК H03K4/00 H02J50/00 

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники, СВЧ-колебаний и дистанционной передачи энергии посредством электромагнитных колебаний. Рассматривается генератор переменного напряжения с несколькими уровнями выходного переменного напряжения на основе циклотронного резонансного преобразователя электромагнитных СВЧ-колебаний. Несколько уровней переменного напряжения востребовано для энергоснабжения бортовой аппаратуры, приборов и устройств космических аппаратов, таких как навигационные приборы, электрические ракетные двигатели (ЭРД).

I.1 Уровень техники

Одним из перспективных методов дистанционной беспроводной передачи энергии в настоящее время является передача энергии с использованием для передачи лучей электромагнитных колебаний оптического или СВЧ-диапазонов частот. Необходимость в этом возникает при дистанционной передаче энергии космическим аппаратам и станциям, а также три передаче энергии с космических аппаратов на Землю. Для энергоснабжения космических аппаратов используется энергия как постоянного, так и переменного тока, а также взаимное преобразование этих видов энергии. К потребителям энергии различных уровней напряжений на космических аппаратах относятся электрореактивные двигатели (ЭРД), напряжения питания которых в зависимости от типа двигателя находятся в пределах от десятков вольт до сотен тысяч вольт (сотни киловольт). Различные уровни напряжения востребованы для энергоснабжения навигационных приборов летательных аппаратов. Так, для электроснабжения навигационных приборов летательных аппаратов, таких как лазерные гироскопы, инклинометры, акселерометры применяются напряжения различных уровней: 2…3,6 В, 5 В, 12 В, 9-36 В, 27 В.

Применение трансформатора на ферромагнитном сердечнике или электромашинных генераторов для получения нескольких уровней напряжений в ряде случаев может оказаться неэффективным из-за большого веса и габаритов трансформатора или электромашинного генератора. Массо-габаритные характеристики устройств, содержащих трансформатор на ферромагнитном сердечнике, или электромашинные генераторы велики и составляют величины от γ=(3…5) кг/кВт до γ=30 кг/кВт. Далее предложен способ непосредственного получения энергии переменного тока при помощи резонансного циклотронного преобразователя колебаний электромагнитного поля СВЧ-диапазона частот с различным уровнем выходных напряжений. Преобразование постоянного напряжения (тока), получаемого на выходе циклотронного резонансного преобразователя СВЧ-колебаний, в переменное напряжение описано в работе [1].

I.2 Представление циклотронного резонансного преобразователя СВЧ-колебаний источником тока

Преобразование энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного тока описано в литературных источниках, где также приведены положительные результаты экспериментов такого преобразования [2, 3.6]. Схема преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока приведена на рисунке фиг. 1.

Фиг. 1 Схема циклотронного преобразователя

На рисунке фиг. 1 показаны:

-21 (электронная пушка);

-22 (резонатор);

-23 (реверсивная область);

-24 (коллектор);

-25 (нагрузка с сопротивлением R).

Электронная пушка генерирует поток электронов. Он поступает в резонатор, в который также вводится энергия электромагнитного поля СВЧ-диапазона с частотой ω. Под действием внешнего магнитного поля с магнитной индукцией В₀ поток электронов приобретает вращательное движение. На частоте циклотронного резонанса со, равной частоте электромагнитного поля со, энергия электромагнитного поля интенсивно поглощается вращающимся потоком электронов. В зоне рекуперации под воздействием внешнего магнитного поля с магнитной индукцией B₁, направление которого противоположно направлению магнитной индукции В₀, вращательное движение электронов преобразуется в поступательное и электроны оседают на коллекторе. В результате на нагрузке с сопротивлением R выделяется энергия постоянного тока. По отношению к внешней электрической цепи циклотронный преобразователь энергии может быть представлен реальным (не идеальным) источником тока, схема такого источника представлена на рисунке фиг. 2.

Фиг. 2 Электрическая схема замещения циклотронного преобразователя

Ток, генерируемый циклотронным преобразователем, на этом рисунке представлен источником тока J₂, проводимость g_BH учитывает внутренние потери энергии источника, ток 1вн это ток потерь генератора, ток J поступает во внешнюю цепь. В работах [4, 5] описаны устройства для генерирования переменных ЭДС с использованием импульсной аппроксимации синусоидальных функций. Принцип построения генератора переменного тока на основе циклотронного преобразователя с использованием широтно-модулированной импульсной аппроксимации используется в описываемом устройстве. Применение циклотронного преобразователя для энергоснабжения летательных аппаратов описано в работе [6].

I.3 Широтно-модулированная импульсная аппроксимация синусоидальной функции

В описываемом генераторе получение знакопеременной функции, аппроксимирующей синусоидальную функцию выходного тока (напряжения), основано на широтно- модулированной аппроксимации синусоидальной функции. На рисунке фиг. 3 представлена аппроксимация синусоидальной функции периодической последовательностью импульсов с периодом Т. По горизонтальной оси графиков отложено время t, период аппроксимирующей функции Т, указаны номера импульсов от 1 до 12. По вертикальной оси откладываются амплитуды импульсов выходного тока (напряжения). На рисунке фиг. 3 а форма выходного тока соответствует прямоугольному меандру. На выходные полюсы подаются импульсы с номерами 1…6, аппроксимирующие положительную полуволну тока, и импульсы с номерами 7…12, аппроксимирующие отрицательную полуволну тока. На рисунке 36 положительная полуволна тока аппроксимируется импульсами с номерами 2…5, отрицательная полуволна тока аппроксимируется импульсами с номерами 8…11. Н рисунке 3в положительная полуволна тока аппроксимируется импульсами с номерами 3 и 4, отрицательная полуволна тока аппроксимируются импульсами с номерами 9 и 10. Устройство содержит переключатель управляющих импульсов с тремя положениями 1-2-3. В зависимости от положения переключателя на первый выход устройства поступает сигнал, форма которого показана на рисунке фиг. 3а (первое положение переключателя), 3б (второе положение переключателя) или 3в (третье положение переключателя). На рисунках 3г, 3д и 3е показаны графики выходного сигнала, снимаемого со второго выхода устройства. Сигнал, соответствующий рисунку фиг. 3г имеет нулевое значение. Сигнал, соответствующий рисунку фиг. 3д, образован двумя положительными импульсами с номерами 1 и 6, и двумя отрицательными импульсами с номерами 7 и 12. Импульсы 1 и 6, (рис. фиг. 3д) дополняют положительную полуволну тока, показанную на рисунке фиг. 3б до значения J, импульсы с номерами 7 и 12 дополняют отрицательную, полуволну тока, показанную на рисунке 3б, до значения -J. Аналогично, импульсы, показанные на рисунке фиг. 3е, дополняют импульсы, показанные на рисунке фиг. 3в до значений J и -J. В положении 1 переключателя на выход 1 (генератор Г1) поступает сигнал, показанный на рисунке фиг. 3а, на второй выход (генератор Г2) поступает сигнал, показанный на рисунке фиг. 3г, во втором положении переключателя на выход Г1 поступает сигнал 3б, на второй выход (генератор Г2) в этом положении переключателя поступает сигнал 3д, в положении переключателя 3 на выход Г1 поступает сигнал 3в, на второй выход (генератор Г2) поступает сигнал 3е. При помощи переключателя с положениями 1, 2, 3 одновременно устанавливаются различные уровни амплитуд первых гармоник токов на первом и втором выходах устройства. Различие уровней обусловлено разным количеством импульсов на периоде, либо при одинаковом числе импульсов (см. рисунки фиг. 3б и 3е, а также 3в и 3д) различным расположением импульсов на протяжении периода Т.

Фиг. 3 Графики аппроксимирующих функций

Период Т разбивается на n интервалов с одинаковой длительностью TI. На рисунке фиг. З число импульсов на периоде Т принято равным 12. На рисунках фиг. 3а…3е каждый полупериод выходного тока (напряжения) длительностью Т/2 с положительными и отрицательными значениями образуется из шести интервалов длительностью TI каждый. Положительный полупериод аппроксимируется интервалами с номерами 1…6, отрицательный полу период аппроксимируется интервалами с номерами 7…12.

Управление энергией импульсов, амплитудой первой гармоники тока (напряжения) на выходе в рассматриваемом устройстве осуществляется управлением количеством импульсов с одинаковой амплитудой J одинаковой длительностью TI, передаваемых от источника тока на выходные полюсы устройства, и управлением расположением этих импульсов на протяжении периода Т, то есть от номеров передаваемых на выход импульсов. В рассматриваемом устройстве используются два генератора Г1 и Г2 с разными уровнями выходных токов (напряжений). Управление количеством импульсов на периоде Т на выходе устройства и номерами импульсов, передаваемых на выход каждого генератора, осуществляется с использованием коммутатора управляющих импульсов. Управление полярностью импульсов осуществляется при помощи коммутатора силовых импульсов. Управляющие импульсы принимают значения 1 или 0 (условно). При этом значению 1 генератора Г1 соответствует значение 0 управляющего импульса генератора Г2. На рисунке фиг. 3б каждый полупериод аппроксимируется четырьмя импульсами. Положительный полупериод аппроксимируется импульсами с номерами 2…5, отрицательный полупериод импульсами с номерами 8…11. На рисунке фиг. 3в каждый полупериод аппроксимируется двумя импульсами. Положительный полупериод аппроксимируется импульсами с номерами 3 и 4, отрицательный полупериод аппроксимируемся импульсами с номерами 9 и 10. Получение выходного напряжения разных уровней в описываемом устройстве получается в результате реализации схем, работа которых основана на аппроксимации, показанной на рисунке фиг. 3.

II.1 Цель изобретения. Целью изобретения является разработка устройства для генерирования переменного периодического тока (напряжения) с несколькими значениями уровней, с использованием в качестве источника энергии циклотронного резонансного преобразователя СВЧ-колебаний. Форма генерируемого тока (напряжения) представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с одинаковой амплитудой и одинаковой длительностью. Генерирование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Характерным для предлагаемого генератора является использование коммутатора (синтезатора) импульсов разной полярности с целью получения последовательности импульсов, аппроксимирующих синусоидальную функцию.

II.2. Изобретательский уровень.

Предлагаемое устройство для генерирования переменного тока различных уровней с использованием преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона в энергию постоянного тока на основе резонансного циклотронного преобразователя. Устройство отличается от известных устройств, в которых переменный синусоидальный ток высокого напряжения получается в результате использования инверторов и повышающих трансформаторов, либо с помощью электромашинных генераторов тем, что:

- синусоидальный ток генерируются в результате синтеза импульсных функций разной полярности;

- постоянный ток создается циклотронным резонансным преобразователем вида энергии и снимаются с коллектора преобразователя;

- количество импульсных функций на периоде синусоидальной функции задается блоком управления и для разных значений выходного тока (напряжения) задается количеством импульсных функций, длительностью TI каждый, на периоде Т. Ток на выходе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов тока заданной величины и одинаковой длительности TI, повторяющихся с заданной частотой. Далее рассматривается вариант генератора с использованием шести уровней выходного тока (напряжения);

- Устройство имеет два выхода с различными значениями выходного тока (напряжения) -генераторы Г1 и Г2;

- Для подключения источника тока к выходным полюсам генераторов Г1 и Г2 используются блоки коммутации силовых импульсов, при помощи которого осуществляется подключение токов требуемой величины и полярности к первому и второму выходам устройства в последовательности, задаваемой блоком управления.

- Различные уровни выходного тока реализуются в результате использования двух выходов и при помощи переключателя на три положения. Каждое из положений переключателя позволяет получить на каждом выходе различные уровни выходного тока (напряжения). Всего при помощи устройства можно получить шесть различных уровней амплитуд первых гармоник тока.

III. Раскрытие сущности изобретения

III.1 Структурная схема устройства

Структурная схема устройства для n=12, двух выходов и шести уровней выходного тока (напржения) показана на рисунке фиг. 4.

Фигура 4 Структурная схема устройства

На рисунке фиг. 4 показаны блоки Б1, Б2, Б3, Б4. На рисунке показаны входные и выходные полюсы этих блоков, при помощи которых блоки соединяются между собой и с внешними устройствами. На рисунке фиг. 4 показаны:

1. Блок управления Б1. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов u_упр. Управляющие импульсы 8₁…8₁₂ поступают на вход блока коммутации управляющих импульсов, блок Б2, а затем в заданном алгоритмом порядке на управляющие электроды силовых ключей, блок Б3.

2. Блок коммутации управляющих импульсов Б2. Обеспечивает перераспределение поступающих от блока Б1 управляющих импульсов в заданном алгоритмом порядке и их поступление на управляющие электроды силовых ключей, блок Б3. Содержит переключатель на три положения 1-2-3 при помощи которого осуществляется управление уровнями выходного тока (напряжения) для каждого из двух выходов устройства. Это позволяет получить шесть уровней выходного тока (напряжения). Содержит модули Б21 и Б22, и переключатель с секциями П21 и П22.

3. Блок коммутации силовых импульсов Б3

Блок коммутации силовых импульсов Б3 содержит модуль Б3 1 и модуль Б32. Каждый модуль предназначен для управления положительной или отрицательной полярностью силовых импульсов, подаваемых на выход устройства. При помощи модуля Б3 1 осуществляется управление полярностью импульсов, подаваемых на первый выход устройства (генератор Г1) к полюсам 10₁₁ и 1021. При помощи модуля Б32 осуществляется управление полярностью импульсов, подаваемых на второй выход устройства (генератор Г2) к полюсам 10₁₂ и 10₂₂.

4. Источник постоянного тока, блок Б4. Генерирует постоянный ток J, который преобразуется в периодическую знакопеременную последовательность импульсов. Всего в предлагаемом устройстве реализуется шесть уровней выходного тока (напряжения). Графики этих функций показаны на рисунке фиг. 3. Показаны шесть различных графиков выходного тока (напряжения), снимаемых с выхода 1, полюсы 10₁₁ и 10₂₁ (генератор Г1) и выхода 2, полюсы 10₁₂ и 10₂₂ (генератор Г2).

III.2 Блок управления

Блок управления Б1 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания периодической последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности ТI=Т/n, где Т - период функции, n - количество тактовых импульсов на периоде Т. Рассматривается устройство с n=12. Генератор тактовых импульсов 1 формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции, которая аппроксимируется последовательностью импульсных функций на выходе устройства. При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации силовых импульсов Б3, источник тока Б4 подключается в заданные блоком управления моменты времени, к выходным полюсам блока коммутации 10₁₁ и 10₂₁, а также 10₁₂ и 10₂₂. Коммутация осуществляется в открытом состоянии силового ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна 77. Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5.

Фиг. 5 Принципиальная схема блока управления

Генерируемые боком Б1 импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₁₂ дешифратора 7 и поступают на одноименные полюсы модуля Б21 и модуля Б22 блока Б2. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8₁…8n. Для n=12 это полюсы 8₁…8₁₂.

Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6₁. По входу 62 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 61 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу ₆₂ устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8₁…8_n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.

Управляющие импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₁₂ дешифратора 7 и поступают на вход блока коммутации Б2.

III.3 Блок коммутации управляющих импульсов Б2. Схема блока коммутации управляющих импульсов показана на рисунке фиг. 7.

Фиг. 6 Блок коммутации управляющих импульсов

Блок Б2 содержит два модуля коммутации управляющих импульсов Б21 и Б22, а также переключатель на три положения 1-2-3. При помощи модуля Б21 управляющие импульсы с полюсов 8₁…8₁₂ поступают в заданной последовательности на выходные полюсы 12₁ и 12₂. При помощи модуля Б22 управляющие импульсы, поступающие с полюсов 8₁…8₁₂ поступают в заданной последовательности на выходные полюсы 12₃ и 12₄.

Модуль Б21 блока Б2 и модуль Б3 1 блока Б3 совместно с выходными полюсами 10₁₁ и 10₂₁ образуют первый генератор (Г1). Модуль Б22 блока Б2 и модуль Б32 блока Б3 совместно с выходными полюсами 10₁₂ и 10₂₂ образуют второй генератор (Г2). При помощи генератора Г1 реализуются формы выходного сигнала, показанные на рисунках 3а, 3б, 3в, при помощи генератора Г2 реализуются формы выходного сигнача, показанные на рисунках 3г, 3д, 3е.

Модуль Б21 включает коммутатор положительных импульсов КУИ1П1 и коммутатор отрицательных импульсов КУИ01. Модуль Б22 содержит коммутатор положительных импульсов КУИ1П2 и коммутатор отрицательных импульсов КУИ02.

КУИ предназначен для коммутации управляющих импульсов, поступающих от блока управления Б1 и передачи их в требуемой для работы устройства последовательности на управляющие электроды силовых ключей, расположенных в блоке Б3.

Входными для КУИ являются полюсы 8₁…8₁₂, выходными являются полюсы 12₁, 12₂, и 12₃, 12₄.

На рисунке фиг. 7 представлены графики управляющих импульсов, необходимых для формирования импульсных функций, показанных на рисунке фиг. 3.

Одним из основных элементов блока Б2 является переключатель. Переключатель содержит две секции - П1 и П2. При помощи секции П1 осуществляются коммутации в модуле Б21, при помощи секции П2 осуществляются коммутации в модуле Б22. Работа секций П1 и П2 синхронизирована. Переключатель может быть реализован механически или на электронных компонентах.

В положении 1 секции П1 на первом выходе устройства (Г1) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3а, в положении 1 секции П2 на втором выходе устройства (Г2) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3г.

В положении 2 секции П1 на первом выходе устройства (Г1) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3б, в положении 2 секции П2 на втором выходе устройства (Г2) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3д.

В положении 3 секции П1 на первом выходе устройства (Г1) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3в, в положении 1 секции П2 на втором выходе устройства (Г2) реализуется сигнал, показанный на рисунке 3е.

Фиг. 7 Графики управляющих импульс

В положении переключателя 1 на рисунке фиг. 6, модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₁…8_б посредством диодов D1,1…D1,6 формируют положительный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7а. Эти импульсы поступают на полюс 12i коммутатора.

В положении переключателя 1 на рисунке фиг. 6, модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₇…8₁₂ посредством D1,7…D1,12 формируют отрицательный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7б. Эти импульсы поступают на полюс 12₁ коммутатора.

В положении переключателя 1 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с полюсов с номерами 8₁…8₆ на выход устройства не поступают, соответственно рисунку фиг. 7ж.

В положении переключателя 1 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с полюсов с номерами 8₇…8₁₂ на выход устройства не поступают, соответственно рисунку фиг. 7з. В положении переключателя 2 на рисунке фиг. 6, модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₂…8₅ посредством диодов D2,2…D2,5 формируют положительный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7в. Эти импульсы поступают на полюс 12₁ коммутатора.

В положении переключателя 2 на рисунке фиг. 6, модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8_в…8₁₁ посредством диодов D2,8…D2,11 формируют отрицательный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7 г. Эти импульсы поступают на полюс 12 г коммутатора.

В положении переключателя 2 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₁ и 8₆ посредством диодов D4,1…D4,6 формируют положительный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7и. Эти импульсы поступают на полюс 12₃ коммутатора.

В положении переключателя 2 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₇ и 8₁₂ посредством диодов D4,7 и D4,12 формируют отрицательный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7к. Эти импульсы поступают на полюс 12₄ коммутатора.

В положении переключателя 3 на рисунке фиг. 6, модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₃ и 8₄ посредством диодов D3,3 и D3,4 формируют положительный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7д. Эти импульсы поступают на полюс 12₁ коммутатора.

В положении переключателя 3 на рисунке фиг. 6 модуль Б21, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₉ и 8₁₀ посредством диодов D3,9 и D3,10 формируют отрицательный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7е. Эти импульсы поступают на полюс 12₂ коммутатора.

В положении переключателя 3 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₁ и 8₂, а также с номерами 8₅ и 8₆ посредством диодов D5,1, D5,2. D5,5 и D5,6 формируют положительный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7 л. Эти импульсы поступают на полюс 12₃ коммутатора.

В положении переключателя 3 на рисунке фиг. 6, модуль Б22, управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₇ и 8₈, а также 8₁₁ и 8₁₂ посредством диодов D5,7 и D5,8, а также D5,11, D5,12 формируют отрицательный выходной сигнал, соответственно рисунку фиг. 7м. Эти импульсы поступают на полюс 12₄ коммутатора.

Указанные диоды нужны для предотвращения взаимного влияния сигналов.

Управляющие импульсы генератора Г1, формирующие на выходе устройства импульсы с положительными значениями амплитуды, являются выходными модуля Б21 и снимаются с полюса 12₁, Управляющие импульсы, формирующие на выходе устройства импульсы с отрицательными значениями амплитуды, являются выходными модуля Б21 и снимаются с полюса 12₂.

Управляющие импульсы генератора Г2, формирующие на выходе устройства импульсы с положительными значениями амплитуды, являются выходными модуля Б22 и снимаются с полюса 12₃, Управляющие импульсы генератора Г2, формирующие на выходе устройства импульсы с отрицательными значениями амплитуды, являются выходными модуля Б22 и снимаются с полюса 124.

III.4 Блок коммутации силовых импульсов Б3

Электрическая схема блока коммутации силовых импульсов совместно с блоком Б3 совместно с блоком источника постоянного тока Б4 показана на рисунке фиг. 8.

Фиг. 8 Электрическая схема блоков 3 и 4

Блок коммутации силовых импульсов Б3 содержит модуль Б3 1 и модуль Б32. Каждый модуль предназначен для управления положительной или отрицательной полярностью силовых импульсов, подаваемых на выход устройства. При помощи модуля Б3 1 осуществляется управление полярностью импульсов, подаваемых на первый выход устройства (генератор Г1) к полюсам 10₁₁ и 10₂₁. При помощи модуля Б32 осуществляется управление полярностью импульсов, подаваемых на второй выход устройства (генератор Г2) к полюсам 10₁₂ и 10₂₂.

Модуль Б3 1 содержит силовые ключи К11, К21, К31, К41. При помощи ключей К11 и К31 импульс тока с амплитудой J передается от источника тока, блок 4, на выходные полюсы 10₁₁ и 10₂₁. Это происходит при поступлении на управляющие электроды этих ключей управляющего импульса с полюса 12₁ При помощи ключей К21 и К41 импульс тока с амплитудой J передается от источника тока, блок 4, на выходные полюсы 10₁₁ и 10₂₁ инверсно. Это происходит при поступлении на управляющие электроды этих ключей управляющего импульса с полюса 12₂. Полюсы 10₁₁ и 10₂₁ образуют выход устройства с номером 1, генератор Г1.

Модуль Б32 содержит силовые ключи К12, К22, К32, К42. При помощи ключей К12 и К3 2 импульс тока с амплитудой J передается от источника тока, блок 4, на выходные полюсы 1012 и 10₂₂. Это происходит при поступлении на управляющие электроды этих ключей управляющего импульса с полюса 12з. При помощи ключей К22 и К42 импульс тока с амплитудой J передается от источника тока, блок 4, на выходные полюсы 10₁₂ и 10₂₂ инверсно.. Это происходит при поступлении на управляющие электроды этих ключей управляющего импульса с полюса 12₄.

Коммутация импульсов с положительной и отрицательной полярностью первого выхода устройства осуществляется при помощи модуля Б31 с использованием управляемых ключей К11…К41. Ток источника подключается ключами К11…К41, расположенными в блоке коммутации, к выходным клеммам блока коммутации 10₁₁ и 10₂₁. Полюс 111 источника тока соединяется с входом ключей К11 и К21, полюс 1b соединяется с входом ключей К31 и К41. Выход ключа К11 соединяется с выходным полюсом 10₁₁, выход ключа К21 соединяется с полюсом 10₂₁. Выход ключа К31 соединяется с полюсом 10₂₁, выход ключа К4 соединяется с полюсом 10₁.

Коммутация импульсов с положительной и отрицательной полярностью второго выхода устройства осуществляется при помощи модуля Б32 с использованием управляемых ключей К12…К42. Ток источника, блок Б4, подключается ключами К12…К42, расположенными в блоке коммутации, к выходным клеммам блока коммутации 10₁₂ и 10₂₂. Полюс 111 источника тока соединяется с входом ключей К12 и К22, полюс 112 соединяется с входом ключей К32 и К42. Выход ключа К12 соединяется с выходным полюсом 10₁₂, выход ключа К22 соединяется с полюсом 10₂₁. Выход ключа К32 соединяется с полюсом 10₂₂, выход ключа К42 соединяется с полюсом 10₁₂. Аналогично осуществляется управление полярностью импульсов, подаваемых на второй выход устройства

После блока коммутации импульсы тока поступает на выходные полюсы генератора с положительной или отрицательной полярностью для получения импульсной функции, аппроксимирующей синусоидальную функцию тока.

III.4 Источник постоянного тока, блок Б4. Источник постоянного тока генерирует электрическую энергию постоянного тока J в результате преобразования электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона частот.

Циклотронный резонансный преобразователь, блок Б4, изображен на рисунке фиг. 1. Он включает коллектор, камеру преобразования энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного тока, электронную пушку. Полюсами 11₁ и 11₂ генератор постоянного тока подключается к блоку коммутации силовых импульсов Б3. На электрической схеме он представляется источником тока, как показано на рисунке фиг. 2. Постоянный ток, снимаемый с коллектора резонансного преобразователя, преобразуется в последовательность импульсов положительной и отрицательной полярности. Эти последовательности показаны на рисунках 3а-3е. Они поступает к полюсам 11₁₁ и 11₂₁ первого выхода устройства (генератор Г1). и к полюсам 11₁₂ и 11₂₂ второго выхода устройства (генератор Г2).

IV. Краткое описание чертежей

1. Циклотронный резонансный преобразователь (ЦРП)

2. Электрическая схема ЦРП

3. Графики токов (напряжений) на выходе устройства

4. Структурная схема устройства

5. Принципиальная схема блока управления

6. Блок коммутации управляющих импульсов

7. Графики управляющих импульсов

8. Электрическая схема блоков Б3 и Б4

V. Уровни выходных токов (напряжений)

Устройство предназначено для преобразования постоянного тока, снимаемого с коллектора циклотронного преобразователя, в повторяющуюся последовательность импульсов прямоугольной формы с положительной и отрицательной полярностью и различной скважностью импульсов. При этом можно получить шесть уровней выходного тока (напряжения).

Представленные на рисунке фиг. З функции могут быть разложены в ряды Фурье:

где

Вследствие симметрии функций i(t), показанных на рисунке фиг. 3, коэффициент и все коэффициенты равны 0.

Следовательно:

Значения амплитуд первых гармоник рядов, аппроксимирующих функции рисунок фиг. 3а…3е записаны в таблице 1.

В таблице амплитуды первых гармоник J₁ тока на первом и втором выходах генератора выражены через величину постоянного тока J, генерируемого циклотронным резонансным преобразователем СВЧ-колебаний. В первом положении переключателя на первом выходе генератора (Г1) амплитуда первой гармоники выходного тока максимальна и равняется величине 4J разделенной на число "пи", т.е. 4J/π. На втором выходе генератора (Г2) величина первой гармоники тока равна 0. В третьем положении ключа амплитуды первой гармоники тока на первом (Г1) и втором (Г2) выходах генератора одинаковы и равны половине максимального значения. Они равны 2J/πt. Во втором положении ключа на первом выходе амплитуда первой гармоники равна 3,464 J/π, на втором выходе 0,538J/π.

Устройство позволяет получить шесть различных уровней выходного тока (напряжения) - от максимального значения 4J/n до минимального нулевого значения. Ток на первом выходе генератора в зависимости от номера положения переключателя р=1, 2, 3 изменяется по закону\ J1_p=J₁₁ cos[30°(р-1)], где

J₁₁ - амплитуда первой гармоники тока на первом выходе генератора в первом положении переключателя.

VI. Осуществление изобретения

Устройство предназначено для преобразования постоянного тока,

снимаемого с коллектора циклотронного преобразователя, в переменный ток различных уровней. Управление уровнями выходного тока (напряжения) осуществляется с использованием двух выходов - выход 1 (генератор Г1) и выход 2 (генератор Г2) и переключателя на три положения. В первом положении переключателя энергия постоянного тока, поступающая от циклотронного преобразователя СВЧ-колебаний, преобразуется в энергию переменного тока и снимается с первого выхода устройства. С второго выхода устройства в этом положении переключателя энергия не снимается. В третьем положении переключателя амплитуды первых гармоник синусоидального тока, снимаемого с первого и второго выходов, одинаковы. Во втором положении переключателя уровни выходного тока, снимаемого с первого и второго выходов, занимают промежуточное положение по сравнению с уровнями первого и третьего положений переключателя.

Переменный ток, снимаемый с первого и второго выходов устройства, представляется повторяющейся последовательностью импульсов прямоугольной формы с положительной и отрицательной полярностью. При необходимости форма выходного тока (напряжения) может быть приближена к синусоидальной в результате установки фильтра, фильтрующего высшие гармоники выходного тока (напряжения). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6₁ логического элемента И2 блока 1 (Б1). После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации (Б2) посредством одного из полюсов 8₁, i=1…n.

Управляющие импульсы, снимаемые с полюсов 8₁…8₁₂ блока Б1, поступают на входы модулей Б21 и Б22. После коммутации с требуемой последовательностью и использованием переключателя на три положения управляющие импульсы поступают на вход блока коммутации силовых импульсов, включающего модули Б31 и F32. Модуль Б31 содержит управляемые силовые ключи K11, К21, К31, К41, модуль Б32 содержит управляемые силовые ключи К12, К22, К32, К42. При помощи этих ключей осуществляется коммутация тока, поступающего от блока Б4, перераспределение его в требуемые моменты времени на первый и второй выходы устройства. Управление работой ключей осуществляется при помощи импульсов, поступающих на управляющие электроды ключей, генерируемых блоком Б1 и распределяемых блоком Б2.

VII. Литература

1. Гаврилов Л.П. Генератор переменного тока на основе циклотронного преобразователя энергии СВЧ-колебаний Патент №2753765 от 27 ноября 2020 года.

2. Будзинский Ю.Ф., Быковский С.Б., Ванге В. Нетрадиционная вакуумная СВЧ-электроника на основе поперечных волн электронного потока / ЭЛЕКТРОНИКА, Наука, Технологии, Бизнес, №4, 2005 г .

3. Саввин В.Л., Казарян Г.М., Коннов А.В., Михеев Д.А., Пеклевский А.В., Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе/ Журнал РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, №11, 2011.

4. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС, патент №2633662 от 16.10.2017

5. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018.

6. Коннов А.В., Никитин А.П. Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов / Патент RU113434 U1, от 2012.02.10.

Устройство предназначено для преобразования постоянного тока, снимаемого с коллектора циклотронного преобразователя СВЧ-колебаний, в переменный ток различных уровней. Технический результат – повышение точности управления потоками энергии. Для этого управление уровнями выходного тока (напряжения) осуществляется с использованием двух выходов - выход 1 (генератор Г1) и выход 2 (генератор Г2) и переключателя на три положения. В первом положении переключателя энергия постоянного тока, поступающая от циклотронного преобразователя СВЧ-колебаний, преобразуется в энергию переменного тока и снимается с первого выхода устройства. Со второго выхода устройства в этом положении переключателя энергия не снимается. В третьем положении переключателя амплитуды первых гармоник синусоидального тока, снимаемого с первого и второго выходов, одинаковы. Во втором положении переключателя уровни выходного тока, снимаемого с первого и второго выходов, занимают промежуточное положение по сравнению с уровнями первого и третьего положений переключателя. 8 ил., 1 табл.

Циклотронный резонансный преобразователь (ЦРП), преобразующий вводимую в устройство энергию высокочастотных электромагнитных колебаний СВЧ диапазона частот в энергию постоянного тока (источника постоянного тока), которая снимается с полюсов 11₁ и 11₂ (блок Б4) и затем преобразуется в энергию двух управляемых по величине потоков электромагнитной энергии переменного тока заданной частоты, частота переменного тока задается генератором тактовых импульсов блока управления (Б1), управление величиной энергии каждого потока осуществляется дискретно от нуля до максимального значения при помощи переключателя на три положения, энергия первого потока (генератор Г1) снимается с полюсов 10₁₁-10₂₁, второй поток энергии переменного тока (генератор Г2) снимается с полюсов 10₁₂-10₂₂, отличающийся тем, что содержит:

- блок управления (Б1), который посредством выходных полюсов (полюсы 8₁…8₁₂) соединяется с коммутатором управляющих импульсов (блок Б2), состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ) (1), элемента И (2), счетчика числа импульсов (3), схемы сравнения (4), регистра (5), кнопки запуска устройства (6₁), дешифратора (7), входа для установки числа временных интервалов (6₂), выход ГТИ (1) подсоединен к первому входу элемента И (2), ко второму входу элемента И (2) подключена кнопка запуска устройства (6₁), выход элемента И (2) подсоединен к первому входу счетчика (3), выход которого подсоединен к входу дешифратора (7) и к первому входу схемы сравнения (4,) выход схемы сравнения (4) соединен со вторым входом счетчика (3), ко второму входу схемы сравнения (4) подсоединен регистр (5), по входу (6₂) которого заносится число временных интервалов n на периоде Т, с выхода счетчика (3) импульсы поступают на вход дешифратора (7), выходные полюсы (8₁…8₁₂) дешифратора (7) соединяются с одноименными полюсами 8₁…8₁₂ переключателя П1 модуля Б21 и одноименными полюсами 8₁…8₁₂ переключателя П2 модуля Б22, которые расположены в блоке Б2;

- блок коммутации управляющих импульсов (блок Б2), который содержит синхронно работающие переключатели П1 и П2 с входными полюсами 8₁…8₁₂ у переключателя П1 и входными полюсами 8₁…8₁₂ у переключателя П2, каждый переключатель имеет три положения 1-2-3, в положении 1 переключателя П1 управляющие сигналы посредством диодов D1,1…D1,6 передаются с входных полюсов 8₁…8₆ на выходной для блока Б2 полюс 12₁, посредством диодов D1,7…D1,12 управляющие импульсы передаются с входных полюсов 8₇…8₁₂ на выходной для блока Б2 полюс 12₂,

в положении 2 переключателя П1 управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₂…8₅ посредством диодов D2,2…D2,5 поступают на полюс 12₁ коммутатора, а посредством диодов D2,8…D2,11 с полюсов 8₈…8₁₁ управляющие импульсы поступают на полюс 12₂ коммутатора,

в положении 3 переключателя П1 управляющие импульсы с входных полюсов с номерами 8₃ и 8₄ посредством диодов D3,3 и D3,4 формируют положительный выходной сигнал, который поступает на полюс 12₁ коммутатора, а посредством диодов D3,9 и D3,10 управляющие импульсы с полюсов 8₉ и 8₁₀ поступают на полюс 12₂ коммутатора,

в положении 1 переключателя П2 на выходные полюсы коммутатора управляющие импульсы не поступают,

в положении 2 переключателя П2 с входных полюсов 8₁ и 8₆ посредством диодов D4,1 и D4,6 управляющие сигнала поступают на полюс 12₃ коммутатора, а с входных полюсов 8₇ и 8₁₂ посредством диодов D4,7 и D4,12 управляющие сигнала поступают на полюс 12₄,

в положении 3 переключателя П2 с входных полюсов 8₁, 8₂ и 8₅, 8₆ посредством диодов D5,1 и D5,2, а также D5,5 и D5,6 управляющие сигналы поступают на полюс 12₃ коммутатора,

в положении 3 переключателя П2 с входных полюсов 8₇, 8₈ и 8₁₁, 8₁₂ посредством диодов D5,7 и D5,8, а также D5,11 и D5,12 управляющие сигналы поступают на полюс 12₄ коммутатора;

- блок коммутации силовых импульсов Б3, который содержит:

- входные полюсы 11₁ и 11₂, при помощи которых блок коммутации силовых импульсов соединяется с источником тока, блок Б4, ток снимается с полюсов коллектор (24) - общая шина (земля) ЦРП,

- модуль Б31 с выходными полюсами 10₁₁ и 10₂₁, которые являются выходными полюсами для всего устройства (генератор Г1),

- модуль Б32 с выходными полюсами 10₁₂ и 10₂₂, которые являются выходными полюсами для всего устройства (генератор Г2),

- входные полюсы 11₁ и 11_2, при помощи которых блок Б3 соединяется с блоком Б4,

- входные полюсы 12₁ и 12_2, при помощи которых модуль Б31 соединяется с модулем Б21 блока Б2,

- входные полюсы 12₃ и 12_4, при помощи которых модуль Б32 соединяется с модулем Б22 блока Б2,

- управляемые силовые ключи К11, К21, К31, К41, относящиеся к модулю Б31, первый вход ключей К11 и К21 соединяется с полюсом 11₁ блока Б4, второй вход ключа К11 соединяется с полюсом 12₁, второй вход ключа К21 соединяется с полюсом 12₂, выход ключа К11 соединяется с полюсом 10₁₁, выход ключа К21 соединяется с полюсом 10₂₁, первый вход ключей К31 и К41 соединяется с полюсом 11₂, второй вход ключа К31 соединяется с полюсом 12₁, второй вход ключа К41 соединяется с полюсом 12₂, выход ключа К31 соединяется с полюсом 10₂₁, выход ключа К41 соединяется с полюсом 10₁₁,

- управляемые силовые ключи К12, К22, К32, К42, относящиеся к модулю Б32, первый вход ключей К12 и К22 соединяется с полюсом 11₁ блока Б4, второй вход ключа К12 соединяется с полюсом 12₃, второй вход ключа К22 соединяется с полюсом 12₄, выход ключа К12 соединяется с полюсом 10₁₂, выход ключа К22 соединяется с полюсом 10₂₂, первый вход ключей К32 и К42 соединяется с полюсом 11₂, второй вход ключа К32 соединяется с полюсом 12₃, второй вход ключа К42 соединяется с полюсом 12₄, выход ключа К32 соединяется с полюсом 10₂₂, выход ключа К42 соединяется с полюсом 10₁₂.