Генератор синусоидальных колебаний Советский патент 1993 года по МПК H03B5/40 

сопротивления нагрузки, малый динамический диапазон выходного напряжения.

Наиболее близким к заявляемому устройству подходит устройство, содержащее четыре силовых транзистора, рекуперирующие диоды, интеграторы, RS-триггеры, выходной трансформатор, трансформатор обратной связи. Недостатком подобного устройства является низкий динамический ди- апазон- регулирования выходного напряжения и йалая его стабильность при изменении сопротивления нагрузки.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона регулирования выходного напряжения и повышение его стабильности при изменении сопротивления нагрузки,

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее четыре согласно последовательно соединительных управляемых ключа, четыре рекуперирующих диода, емкостной делитель, четыре импульсных усилителя, управляющий трансформатор, две индуктивности, два конденсатора, выходной трансформатор, трансформатор обратной связи, два выпрямительных диода, два сумматора, два интегратора, два компаратора, два RS-триггера, два элемента И, элемент И-НЕ, генератор прямоугольных импульсов, блок формирователя управляющих сигналов, причем управляющие входы четырех управляемых ключей соединены с соответствующими выходами четырех импульсных усилителей, входы которых соединены с соответствующими вторичными обмотками управляющего трансформатора, Вход первого управляемого ключа соединен с положительной шиной источника питания, катодом первого рекуперирующего диода и первым конденсатором емкостного делителя, причем анод первого рекуперирующего диода соединен с катодом второго рекуперирующего диода, выходом второго и входом третьего управляемого ключа, а анод второго рекуперирующего диода соединен с отрицательной шиной источника питания, вторым конденсатором емкостного делителя и выходом четвертого управля- емого ключа, причем катод третьего рекуперирующего диода соединен с выходом первого и входом второго управляемого ключа, а анод четвертого рекуперирующего диода - с входом-четвертого управляемого ключа, а анод третьего и катод четвертого рекуперирующих диодов соединены со средней точкой емкостного делителя, нагрузка соединена со вторичной обмоткой выходного трансформатора, причем первичная обмотка трансформатора обратной связи и последовательно соединенные первая индуктивность и первый конденсэтор

подключены между выходом второго управляемого ключа и средней точкой емкостного делителя, вторая обмотка трансформатора обратной связи соединена с анодами первого и второго выпрямительных диодов, катоды которых соединены с первыми входами первого и второго сумматоров соответственно, а средняя точка обмотки соединена с общей информационной шиной, причем

0 второй вход первого и второго сумматоров объединены и соединены с выходом блока формирователя управляющих сигналов, а выход первого и второго сумматоров соединены со входами первого и второго интегра5 торов соответственно, выход первого и второго интеграторов соединены со входами первого и второго компараторов соответ- ственно, а выходы первого и второго компараторов соединены с R-входами пер0 вого и второго RS-триггеров соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго элемента И соот- ветственно, причем выходы первого и второго элемента И соединены с первичной

5 обмоткой управляющего трансформатора, второй вход первого элемента И соединен с С-входом первого RS-триггера и выходом первого элемента И-НЕ, вход которого соединен с С-входом второго RS-триггера, вто0 рым входом второго элемента И и выходом генератора прямоугольных импульсов. Введены дополнительно второй и третий элементы И-НЕ,.третий и четвертый элементы И, причем входы второго и третьего элемента

5 И-НЕ соединены с катодом первого и второго выпрямительных диодов соответственно, а выходы второго и третьего элемента И-НЕ соединены с первыми входами третьего и четвертого элемента И, вторые входы которых

0 соединены с выходами первого и второго элемента И соответственно, а выходы третьего и четвертого элемента И соединены с третьими входами первого и второго сумматоров соответственно, параллельно первому конденса5 тору подключены последовательно соединенные вторая индуктивность и второй конденсатор, причем параллельно второму конденсатору подключена первичная обмотка выходного трансформатора.

0 На фиг. 1 дана электрическая схема устройства; на фиг,2 - диаграммы работы устройства. Генератор синусоидальных колебаний содержит управляемые ключи 1-4, рекуперирующие диоды 5-8, конденсаторы 9, 10

5 емкостного делителя, катушки 11 и 12 индуктивности, конденсаторы 13 и 14, выходной трансформатор 15, нагрузку 16, источник 17 питания, импульсные усилители 18-21, управляющий трансформатор 22, трансформатор 23 обратной связи, выпрямительные диоды 24 и 25, генератор, 26, четыре элемента И 27-30, три элемента И- НЕ 31-33,, два RS-триггера 34 и 35, два компаратора 36 и 37, два интегратора 38 и 39, два сумматора 40 и 41, блок 42 формирователя управляющих сигналов. При этом выход блока 42 формирователя управляющих сигналов подключен к первым входам сумматоров 40 и 41, вторые входы которых соединены с катодами выпрямительных диодов 25 и 24 и входами элементов И-НЕ 32 и 33 соответственно, третьи входы сумматоров 40 и 41 соединены с выходами элементов И 29 и 30 соответственно, причем выходы сумматоров 40 и 41 соединены с входами интеграторов 38 и 39 соответственно, выходы которых соединены с входами компараторов 36 и 37 соответственно, выходы которых соедшены с R-входами RS-трйггеров 35 и 34 соответственно, выходы которых соединены с первым входом элементов 14 28 и 27 соответственно, причем второй вход элемента И 27 соединен с синхровходом С RS- триггера 35 и выходом элемента И-НЕ 31, вход которого соединен с синхровходом С RS-триггера 34, вторым входом элемента И 27 и выходом генератора 26, причем выходы элементов И 27 и 28 соединены с первыми входами элементов И 29 и 30 соответственно и первичной обмотки, управляющего трансформатора 22, вторые входы элементов И 29 и 30 соединены с выходами элементов 32 и 33 соответственно, причем вторичные обмотки управляющего трансформатора 22 соединены с входами соответствующих импульсных усилителей 18-21, выходы которых соединены с управляющими входами управляемых ключей 1-4 соответственно, причем вход управляемого ключа 1 соединен с положительной шиной источника 17 питания, катодом рекуперирующего диода 5 и одной обкладкой конденсатора 9 емкостного делителя, другая обкладка которого соединена с точкой соединения первой обкладки конденсатора 10 емкостного делителя, катодом рекуперирующего диода 8 и анода диода 7, катод которого соединен с выходом управляемого ключа 1 и входом управляемого ключа 2, выход которого соединен с анодом диода 5, катодом рекуперирующего диода 6 и входом управляемого ключа 3, выход которого соединен с анодом рекуперирующего диода 8 и входом управляемого ключа 4, выход которого соединен с анодом рекуперирующего диода б, второй обкладкой конденсатора 10 емкостного делителя и отрицательной шиной источника питания, причем выход управляемого ключа 2 соединен с одним концом катушки 11 индуктивности и одним концом первичной обмотки трансформатора 23 обратной связи, а второй конец катушки 11 индуктивности соединен с одним концом катушки 12 индуктивности и

5 первой обкладкой конденсатора 13, второй конец катушки 12 индуктивности соединен с первой обкладкой конденсатора 14, причем вторая обкладка конденсатора 14 соединена со второй обкладкой конденсатора 13 и вто0 рым концом первичной обмотки трансформатора 23 обратной связи, причем параллельно конденсатору 14 подключена первичная обмотка выходного трансформатора 15, вторичная обмотка которого соединена с нагрузкой.

5 16, причем аноды выпрямительных диодов 24 и 25 соединены с началом и концом вторич- ной обмотки трансформатора 23 обратной связи, соответственно, средняя точка которой соединена с общей информационной шиной.

0 Устройство работает следующим образом.

Перестраиваемый генератор 26 (фиг.1) вырабатывает сигнал прямоугольной формы со скважностью два (фиг.2, б). Частота

5 следования сигнала может перестраиваться. С помощью блока 42 формирователя управляющих сигналов устанавливается требуемое выходное напряжение на нагрузке 16. Отрицательное напряжение с движка

0 потенциометра блока 42 формирователя управляющих сигналов поступает на первый вход сумматора 40 и 41 (момент ti-ts, фиг.2,а) и заряжает конденсаторы интеграторов 38 и 39. При этом напряжение на

5 выходах интегратора увеличивается по пилообразному закону (фиг.2,в),i,

Поскольку схема управления симметрична, то оба канала, содержащие: первый - сумматор 40, интегратор 38, компаратор

0 36, RS-триггер 35, элементы И 28 и 29, элемент И-НЕ 32; второй -сумматор 41, интегратор 39, компаратор 37, RS-триггер 34, элементы И 27 и 30, элемент И-НЕ 33 - работают идентично. Таким образом, мож5 но рассмотреть работу схемы на примере одного, первого, канала. Напряжение с выхода интегратора 38 поступает на вход ком- паратора 36. Поскольку на выходе интегратора имеется положительный потен0 циал (фиг.2, г, моменты ti-ta). С приходом тактового импульса (фиг,2, б, момент ti) положительный потенциал через логический элемент И 28 поступает на первичную обмотку управляющего трансформатора 22, а

5 через логический элемент И 29 - на первый резистор сумматора 40 (фиг.2, д) и начинает разряжать конденсатор интегратора 38

(фиг.2, в, момент ti-tz). Положительный импульс через импульсные усилители 18 и 20 поступает на управляющие входы управляемых ключей 1 иЗ соответственно. При этом управляемый ключ 1 открывается с задержкой на время Тз.вкл, а управляемый ключ 3 закрывается (при этом управляемый ключ 2 открыт, а управляемый ключ 4 - закрыт). Задержка включения управляемого ключа 1 (и управляемого ключа 4) необходима для предотвращения сквозных токов при работе устройства. На вторичной обмотке трансформатора 23 обратной связи появляется импульс положительной полярности, который через выпрямительный диод 2.5 поступает на второй вход сумматора 40 и на вход логического элемента Й-НЕ 32, импульс на выходе элемента И 29 прекращается (фиг.2 д, момент ta), и конденсатор интегратора 38 разряжается импульсом с выпрямленного диода 25, напряжение на выходе интегратора 38 уменьшается до тех пор, пока напряжение на его /выходе не достигнет нуля (фиг.2, в, моментт.з). На выходе компаратора

36.появляется уровень логического нуля (фиг.2, г, момент Тз), который переводит выход RS-триггёра 35 по входу R в состояние логического нуля. При этом на выходе логического элемента И 28 импульс прекращается, управляемый ключ 1 выключается через время Гз.выкл, прекращается ток обратной связи через выпрямительный диод 25, и конденсатор интегратора 38 начинает заряжаться отрицательным напряжением с выхода блока 42 формирователя управляющих сигналов. Таким образом, формируется положительная полуволна на выходе транзисторного инвертора (выход управляемого ключа 2, вход управляемого ключа 3) (фиг.2,ж, момент ta-t). Аналогичным образом формируется отрицательная полуволна с помощью Сумматора 41, интегратора 39, компаратора

37. RS-триггера 34, элемента И 27. Импульс с выхода элемента И 27 поступает на первичную обмотку трансформатора 22, а с выхода элемента И 30 - на первый вход сумматора 41 и начинает разряжать конденсатор интегратора 39. Положительный импульс с вторичной обмотки трансформатора 22 через импульсные усилители 19 и 21 поступает на управляющие входы управляемых ключей 2 и 4 соответственно, при чем управляемый ключ 2 закрывается, а ключ 4 открывается с задержкой на время Та.вкл., при этом управляемый ключ 1 закрыт, а ключ 3 открыт и на вторичной обмотке трансформатора 23 обратной связи появляется импульс положительной полярности (при этом импульс на выходе элемента И 30 прекращается), который через выпрямительный диод 24 поступает на второй вход сумматора 41 и разряжает конденсатор интегратора 39.

При достижении напряжения на выходе конденсатора 13 нулевого уровня импульс на выходе элемента И 27 прекращается, тра нзистор включается через время

Тз.выкл.. и конденсатор интегратора 39 начинает заряжаться отрицательным напряжением с движка потенциометра блока 42 формирователя управляющих сигналов. Регулирование выходного напряжения

0 на нагрузке осуществляется изменением напряжения на выходе одного (нижнего по схеме) потенциометра блока 42 формирователя управляющих сигналов. Верхний по схеме потенциометр блока позволяет регу5- лировать глубину внешней модуляции сигналом более низкой частоты, чем тактовая частота генератора 26. При этом в нагрузке 16 будет иметь место амплитудно-модули- рованный сигнал с регулируемой, амплиту0 дои и глубиной модуляции. Величина напряжения на нагрузке изменяется от нуля до максимального значения.

Однако при глубоком регулировании, когда уровень выходного сигнала в нагрузке

5 должен быть на уровне нескольких процентов от номинального значения из-за задержек выключения управляемых ключей и задержек тракта обратной связи возникает такое явление, при котором конденсатор ин0 тегратора может не успеть зарядиться до величины, при которой на выходе интегратора будет положительный потенциал к моменту прихода тактового импульса. Это приведет к пропуску импульса на выходе

5 инвертора; т.к. снизит тактовую частоту. При этом частота по мере уменьшения уровня входного сигнала может понижаться в 2,4,6... раз, что значительно снижает линейность регулирования выходного напряже0 ния(т.к.оно изменяется скачком) и ухудшает работу выходного трансформатора, трансформатора обратной связи и может привести к выходу устройства из строя.

В заявляемом устройстве это явление

5, отсутствует. Пусть в моменты времени ts-te уровень напряжения с выхода узла управления блока 42 уменьшается. При этом ширина импульсов на выходе инвертора (выход управляемого ключа 2, вход управляемого

0 ключа 3) уменьшается, а напряжение на выходе интегратора уменьшается до некоторой положительной величины, после которой ширина импульсов на выходе инвертора будет равна нулю (фиг.2, ж, момент

5 te). В этом случае время задержки выключения управляемых ключей инвертора не приводит к глубокой перезарядке конденсатора интегратора отрицательным напряжением за счет наличия дополнительной импульсной обратной связи с выходов логических

элементов И 29 и 30 на соответствующие входы сумматоров 40 и 41. Как только уровень сигнала на выходе блока 42 управления возрастет И появится импульс на выходе инвертора (фиг.2, ж, момент ta) и соответст- 5 венно на катодах выпрямительных диодов 24 и 25, импульс на выходах Элементов И 29 и 30 прекращается (фиг.2, д, момент т.2), система переходит на обычную импульсную обратную связь, которая и обеспечивает 1Q стабилизацию уровня выходного напряжения в нагрузке при изменении напряжения сети. На фиг.2,ж показана форма выходного напряжения при изменении уро вня сигнала на выходе блока 42. Наличие двух импульс- 15 . ных обратных связей позволяет при переходе от одной к другой исключить возможность пропуска импульсов, т.е. перехода на более низкую частоту и обеспечивает высокие динамические характеристики 20 регулирования выходного Напряжения и его стабилизацию при изменении напряжения питания ± EL

Пусть в какой-то момент времени происходит увеличение напряжения источника 25 питания ± EI на величину ДЕ-), при этом амплитуда импульсов на выходе инвертора (выход управляемого ключа 2) увеличивается, а величина напряжения на выходе выпря- мительных диодов 25 и 24 также 30 увеличивается, что приводит к быстрейшему разряду конденсаторов интеграторов 38 и 39. Это приведет к тому, что импульс на выходе инвертора закончится раньше. При этом площадь импульса Si Е Ти1 ( Е + Д Е ) 35 будет неизменной, т.е. при изменении напряжения питающей сети действующее напряжение на выходе инвертора будет постоянным, что позволяет устранить пульсацию питающей сети, ток и ее нестабиль- 40 ность на выходе инвертора. На выход инвертора через систему связанных конту- ров и выходной трансформатор подключена нагрузка. Первый контур состоит из конденсатора 13-С1 и индуктивности 11-L1, а вто- 45 рой контур - из конденсатора 14-С2 и индуктивности 12-L2.

Оба контура построены в резонанс на частоту первой гармоники инвертора. На- 50 пряжение на выходе второго контура L2C2 можно записать как

;UBb,.2 -:Q,0) где. Uex.2 - напряжение на входе второго контура, т.е. Uci - напряжение на конденса- 55 торе 13-С1; Q-добротность второго контура. Выражение (1) можно переписать в виде

U, ,RH .2 -ргде RH - сопротивление нагрузки; pi. - волновое сопротивление контура L.2C2. Величина Uex.2 равна выходному напряжению ивых1 первого резонансного контура LTC.1. т.е.

ивых1 ивх.(3)

ивых1 ивх QL поскольку .

./31 Кн1

.. П Р1 .

Так как контуры построены на частоту резонанса, то величина сопротивления, на которое нагружен первый контур, равна

UBblX.1 U8

(4)

-„:/

RH1 Г2

RH

(5)

5 1Q 15 20

2530 354045

50

55

Подставив (5) в (4), получим ивых1 ивх--- -

(6)

/01 RH

Тогда, подставив в формулу (2) выражение (6), получим

.ЈJLlRH l,BX.Ј2 вх р

ивых-UE

(7).

р RH рг Из выражения (7) видно, чтб при постоянной величин/32 и/ величина выходного напряжения прямо пропорциональна входному напряжению. Если входное напряжение будет стабильно, то и выходное напряжение будет стабильным.

Итак при стабильности входного напряжения контура, которая обеспечивается с помощью стабилизации напряжения с выхода инвертора за счет импульсной обратной связи, выходное напряжение на нагрузке, согласно формуле (7), будет стабильно. Та ким образом, осуществляется стабилизация напряжения в нагрузке без использования обратной связи с нагрузки, что в свою очередь значительно повышает устойчивость работы всей системы, т.к. в цепи обратной связи нет звеньев второго порядка.

Формула и з о б р е т е. н и я.

Генератор синусоидальных колебаний, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок интегри- рования, первый компаратор, первый RS-триггер и первый элемент совпадения, последовательно соединенные второй сумматор, в торой блок интегрирования, второй компаратор, второй RS-триггер и второй элемент совпадения, формирователь управляющих сигналов, выход которого подключен к одному из входов первого сумматора и к одному из входов второго сумматора, последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов и первый элемент И-НЕ, управляющий трансформатор, первый и второй выводы первичной обмотки которого подключены к выходам соответственно первого элемента совпадения и второго элемента совпадения, а первая, вторая, третья и четвертая выходные обмотки которого подключены к входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого импульсных усилителей, цепь коммутации, состоящую из последовательно соединенных первого, второго , третьего и четвертого управляемых ключей, которая включена между положительной и отрицательной шинами питания, емкостный делитель, который включен между положительной и отрицательной шинами питания, первый, второй, третий и четвертый рекуперирующие диоды, выходной трансформатор, трансформатор обратной связи, первый и второй выводы первичной обмотки которого подключены через соответственно первый и второй выпрямительные .диоды к одному Из входов соответствен нб первого и второго сумматоров, последовательно соединенные первую катушку индуктивности и первый конденсатор, точка соединения которых подключены к первому выводу первичной обмртки выходного трансформатора, второй вывод которой подключен к катоду четвертого рекуперирующего диода, аноду первого рекуперирующего диода , отводу ёмкостного делителя и первому выводу вторичной обмотки трансформатора обратной связи, а также нагрузку, которая подключена к вторичной обмотке выходного трансформатора, при этом второй вход второго Элемента совпадения и синхронизирующий вход второго RS-триггера подключены к выходу генератора прямоугольных импульсов, синхронизирующий вход первого RS- триггера и второй вход первого элемента совпадения подключены к выходу первого элемента И-НЕ, выходы первого, второго, третьего и четвёртого импульсных усилителей подключены к управляющим входам соотёет- СтвённО первого, второго, третьего и четвертого управляемых ключей, анод первого рекуперирующего диода подключен к отводу емкостного делителя, катод первого рек упе- рирующего дйода соединен с выходом.й входом соответственно первого и второго управляемых ключей, катод второго рекуперирующего диода подключен к положительной шине питания, анод второго рекуперирующего диода соединен с выходом второго управляемого ключа, входом третьего управляемого ключа, вторым выводом трансформатора обратной связи и с катодом третьего рекуперирующего диода, анод которого соединен с отрицательной шиной питания,.анод четвертого рекуперирующего диода

соединен с выходом и входом соответственно

третьего и четвертого управляемых ключей,

средняя точка первичной обмотки трансформэтора обратной связи подключена к общей

шине, от ли чающийся тем, что, с целью

расширения динамического диапазона регулирования выходного напряжения и повышения стабильности выходного напряжения при

изменении нагрузки, введены последователь- но соединенные второй элемент И-НЕ и третий элемент совпадения, последовательно соединенные третий элемент И-НЕ и четвертый элемент совпадения, последовательно соединенные вторая катушка индуктивности и второй конденсатор, второй вывод кот орого соединен с вторым выводом, первичной обмотки выходного трансформа- тора и вторым выводом первого конденсатора, при этом другой вывод второй катушки индуктивности соединен с анодом второго

рекуперирующего диода, точка соединения второй катушки индуктивности и второго конденсатора подключена к второму выводу первой катушки индуктивности, вход третьего элемента И-НЕ соединен с точкой соединения катода первого выпрямительного диода и одного из входов второго сумматора, вход второго элемента И-НЕ соединен с точкой соединения катода второго выпрямительного диода.и одного из входов

первого сумматора, вторые входы третьего и четвертого элементов совпадения подключены к выходам соответственно перво- го и второго элементов совпаденияГвыход третьего элемента совпадения подключен

к одному из входов первого сумматора, выход четвертого элемента совпадения

подключен к одному из входов второго сумматора.

Ns.

Й

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве источника мощных синусоидальных колебаний для ультразвуковой очистки различных деталей. Целью изобретения, является расширение динамического диапазона регулирования выходного напряжения и повышение стабильности выходного напряжения при изменении нагрузки. Генератор синусоидальных колебаний содержит управляемые ключи рекуперирующие диоды, конденсаторы емкостного делителя, катушИзобретение относится к усилительной технике и мoжet быть использовано в мощных генераторах синусоидальных колебаний. Известен генератор, содержащий вре- мязадающую цепь, мощный выходной усилитель, который регулируется внешним управляющим сигналом. Недостаток подобного генератора - низкий КПД, малая выходная мощность (десятки ватт), низкий диапазон регулирования уровня выходного сигнала генератора. Известен генератор, который содержит времязадающую цепь, тиристорный ключ. ки индуктивности, конденсаторы, выходной трансформатор, нагрузку, источник питания, импульсные усилители, управляющий трансформатор, трансформатор обратной связи, выпрямительные диоды, генерлтор прямоугольных импульсов, второй и первый элементы совпадения, третий и четвертый .элементы совпадение, первый, второй и третий элементы И-НЕ, второй и первый RS-триггеры, компараторы, интеграторы, сумматоры, блок формирователя управляющих сигналов. С помощью второго и третьего элементов И-НЕ и третьего и четвертого элементов совпадения образуются импульсные обратные связи, которые исключают возможность пропуска импульсов и обеспечивают стабилизацию выходного напряжения.. Катушка индуктивности и конденсатор уменьшают влияние нагрузки, что также повышает стабильность выходного напряжения. При повышении стабильности повышается и диапазон регулирования выходного напряжения с помощью блока формирователя. 2 ил. . нагрузку. Недостатком его является низкий КПД, небольшой диапазон изменения амплитуды выходного напряжения и низкая его стабильность при изменении напряжения питающей сети и нагрузки. Известен генератор, содержащий сило- вые транзисторные ключи, коммутирующие диоды, источник подмагничивания, регулируемый по частоте и скважности задающий генератор, согласующий трансформатор. Недостатком его является пониженный КПД, низкая стабильность выходного сигнала при изменении напряжения питания и со с х| оо О С СО -N

Фиг.2.