Способ безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H02M5/10 

образуемым и модулирующим напряжениями на входной блок из,- по крайней мере, одного нелинейного емкостного элемента, преобразуют упомянутые напряжения в механические деформации элементов входного блока, осуществляют компенсацию их нелинеаризированных электрострикцион- ных составляющих с помощью дополнительно введенных- нелинейных емкостных элементов, суммируют оставшиеся абсолютные деформации элементов входного блока и преобразуют сумму этих деформаций в выходное электрическое напряжение, а устройство для его реализации содержит блок 1 из по крайней мере, одного нелинейного емкостного элемента, источники преобразуемого 7 и модулирующего 8 напряжений, фильтры 9,10, разделяющие эти источники, а также выходной блок 3, из, по крайней мере, одного пьезоэлемента и два компенсационных блоки 3, 4 из нелинейных емкостных элементов, способные компенсировать нелинеаризированные составляющие электронной деформации входного блока, причем входной и выходной блоки механически жестко связаны между собой, а блоки 3, 4 установлены так, чтобы обеспечить упомянутую компенсацию, а каждый из источников напряжения соединен через электрические фильтры с входным блоком и с одним из блоков 3,4.2 с.п. ф-лы, 1 ил.. -/

Использование: изобретение предназначено для преобразования частоты переменного электрического напряжения. Сущность изобретения: в способе безрезонансного преобразования частоты пере-: менного электрического напряжения в частотный дублет путем амплитудной модуу ляции, заключающемся в воздействии пре

. Изобретение относится к электротехнике и радиотехнике и предназначено для пре- образования частоты переменного электрического напряжения,

Целью изобретения является получение выходного напряжения с частотным дублетом (о ± Q. Эта цель достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом. .

В предлагаемом способе преобразования частоты переменного напряжения, .состоящем в преобразовании входного переменного напряжения с частотой ив механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией по ее основной частоте и преобразованием оставшейся деформации в выходное напряжение, новым является то, что вводится дополнительное модулирующее напряжение с частотой Q, которое одновременно с основным напряжением преобразуют в механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией нелинеаризорванных элёктрострикцион- ных составляющих деформаций по частотам, кратным И , и скомпенсированную деформацию преобразуют в выходное напряжение.

В предлагаемом устройстве для безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения, содержащем входной блок из нелинейных электромеханических активных элементов, выходной блок из пье- эоэлементов, компенсационный блок из электромеханических активных емкостных элементов и источник преобразуемого переменного напряжения с частотой к выходу которого подключены входной блок, механически жестко связанный с входным

блоком, и компенсационный блок, новым является то, что в устройство дополнительно введены источник модулирующего на- пряжения с частотой Q и дополнительный

компенсационный блок, идентичный основному, причем выход источника модулирующего напряжения подключен к входному блоку и дополнительному компенсационному блоку, при этом входной и выходной блоки, а также компенсационные блоки скреплены между собой и вклеены между жесткими пластинами.

На чертеже показана одна из возможных конструкций устройства для реализации предложенного способа, где 1 - входной блок из одного или нескольких дискообразных нелинейных емкостных (элект- рострикторных) элементов; 2 - выходной пьезоэлемент; 3, 4 - основной и дополнительный блоки, склеенные в простейшем случае из кольцеобразных нелинейных емкостных элементов из того же материала, в том же числе и той же высоты, что и элементы входного блока 1; 5 - жесткий диск (или

пластина); б - жесткое основание (диск или пластина); 7 - источник преобразуемого напряжения; 8 - источник модулирующего напряжения и 10-фильтры, разделяющие источники напряжений.

В основе предлагаемых способа и устройства лежит ряд физических принципов, из которых важнейшим являются амплитудная модуляция и преобразование электрического сигнала с помощью нелинейных

емкостных (электрострикторных) элементов в механическую деформацию. Возможность, суммирования абсолютных деформаций нелинейных емкостных элементов входного блока позволяет увеличить выход преобразеванного напряжения, а вычитание нелинеаризованных электрострикционных деформаций, вызванных совместным действием входного и модулирующего напряжений, из полной деформации входного блока, производимое с помощью компенсационных блоков, позволяет получить выходное напряжение без составляющих с частотами, кратными частотам входного и модулирующего напряжения. Применение этих принципов обеспечивает важное преимущество: преобразование частоты входного напряжения может производиться при сколь угодно малых значениях VBx. При уменьшении VBx величина УВых будет уменьшаться пропорционально VBx, но всегда будет одной и той же долей от VBx (при постоянной величине /Мод). Тот факт, что связь между входным и выходным блоками Осуществляется только через механическую деформацию, обеспечивает электрическую развязку входной и выходной цепей.

Для повышения выходного напряжения при преобразовании частоты переменого электрическогоч.)апряжения в напряжение с Частотным дублетом 0)Q путем амплитудной модуляции необходимо воздействие йходным и модулирующим напряжениями на блок из нелинейных емкостных элементов и преобразование этих напряжений в механическую (электрострикционную) деформацию этих элементов, которая квадратично зависит от напряжения, то есть нелинейна уже в самых слабых полях. Чтобы компенсировать нелинеаризованные элект- рострикционные составляющие деформаций, вызванных действием входного и модулирующего напряжений, на элементы входного блока, нужно вычесть из полученной в нем„деформации те деформации, которые создаются двумя компенсационными блоками. Один из них, находящийся под действием только входного напряжения, будет компенсировать нелинеаризованную электрострикционную составляющую входного блока, вызванную входным напряжением, а другой, находящийся под действием . модулирующего напряжения, будет компенсировать нелинеаризованную составляющую, вызванную модулирующим напряжением. Остающаяся линеаризованная (пьезоэлектрическая) деформация входного блока (вызванная индуцированным пьезозффектом, то есть линеаризованной электрострикцией нелинейных емкостных элементов входного блока и представляющая собой частотный дублет о) 5й Q) должна быть передана выходному блоку из пьезоэ- лементов и преобразована за счет их пьезоэффекта в выходное электрическое напряжение с частотами со + Q и w - Q.

Устройство для реализации способа должно содержать входной блок из нёлинейных емкостных (электрострикторных) элементов, соединенных с выходами источников основного и модулирующего напряжений, который должен быть механически жестко связан с выходным блоком из пьезоэлементов для передачи деформации от выходного блока к выходному. Оно должно содержать также два компенсационных . блока из нелинейных емкостных (электрострикторных) элементов, причем эти блоки

должны быть идентичны (по зависимости их деформации от напряжения) входному блоку. Компенсационные блоки, также как входной и выходной блоки, должны быть скреплены между собой и вклеены между

жесткими пластинами (или дисками) для того, чтобы деформация компенсационных элементов вычиталась из деформации входного блока и чтобы только разностью этих деформаций входной блок мог воздействовать на выходной. Один из компенсационных блоков должен быть соединен со входом источника основного напряжения с частотой о), другой - со входом источника. модулирующего напряжения с частотой Q

для компенсации составляющих деформа. ций с частотами 2 о), 4 и), б о) и т.д., а также 2Q,4Q,6Q и т.д.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Как из- /

вестно, электрострикционная деформация нелинейного емкостного элемента Д| квадратично зависит от электрического напряжения: .

40

A1-AV2

(D

Если напряжение складывается из двух напряжений: входного (VBx) и модулирующего (Умод), обладающего более низкой часто- той, то для мгновенных значений напряжения V будем иметь

V Vox + VMOA .(2) Тогда деформация равна

АI AVix + 2AVBX VMOfl + AVЈOA (3)

n

Здесь AV BX- квадратичная (нелинеаризованная) электрострикционная составляющая, вызванная входным напряжением, А /2мод нелинеаризованная электрострикционная деформация, вызванная модулирующим напряжением, 2AVBXVMoA

деформация, вызванная совместным действием входного и модулирующего напряжений, линеаризованная по напряжениям VBx или УмодДопустим, что мы имеем в распоряжении два других блока из нелинейных емкостных элементов с такой же в точности зависимостью деформации от электрического напряжения. С помощью каждого из них, прикладывая к нему напряжение VBx или VMOA, мы можем полностью компенсировать ту или иную нелинеаризованную элек- трострикционную составляющую деформацию входного блока. Если мы подадим на один из дополнительных блоков на- пря-жение VBX. мы вызовем в нем деформацию AV вх, которая полностью компенсирует первый член в выражении (3). Если мы подадим на другой дополнительный блок напряжение VMOA. мы вызовем деформацию АУ2мод. которая скомпенсирует последний член в выражении (3). Тогда результирующая деформация будет равна

где

ЛI (2AVMofl)VBx CW VBX,(4)

аЧ,нд 2AVMOfl.(5)

Здесь - пьезомодуль, индуцированный вспомогательным (модулирующим) напряжением, .

Видно, что при Умод 0 пьезомодуль динд равен нулю, а при изменении знака VMOA °н меняет свой знак, В этом заключается принципиальное отличие пьезоэффек- та в электрострикторной керамике-от пьезоэффекта в пьезокерамике.

Пусть к нелинейным емкостным элемента будут приложены переменные напряжения

Vex Vex,a Sin CO t, Умод - VMoA,a COS Qt. (6)

i

Тогда из выражения (4) получим

АI 2АУмод.а Vex.aCOS QrSintOt

- 2BcosQt-sinwt,(7)

где

В - AVMofl.aVBx,a

Если мы положим Q ((Wi - й)а)/2, u (wi -1-(И2)/2, то выражение (7) примет вид

AI 2Bcos lf t-sin l4 t Bsinctw 4- Bslnctjzt(9)

то есть будет описывать биения двух колебаний с частотами

а) + Q, Ш2. - о) - Q

(Ю)

Компенсацию нелинеаризованных электрострикционных составляющих вы5 званных входным и модулирующим напряжениями, можно осуществлять разными способами, например, с помощью устройства, показанного на фиг. 1, где на выходной блок 1 подаются как входное, так и модули10 рующее напряжение, на компенсационный блок 3 подаётся только входное напряжение, а на компенсационный блок 4 - только модулирующее. Поскольку оба компенсационных блока и входной блок склеены из од15 ного и того же числа нелинейных емкостных (электрострикторных) элементов, одинаковых по материалу и толщине, они при одинаковом напряжении V имеют одинаковую деформацию AV2. Когда под действием на20 пряжения VMOA длина блока Т увеличивается на . увеличение длины блока 4 отодвигает блок 1 от основания 6, причем также на АУ2мод. В результате (при VBX 0) перемещение нижнего торца блока 1 (то есть

25 верхнего торца блока 2) равно нулю и деформация блока 2 отсутствует. Если же Умод О, а к блокам .1 и 3 приложено напряжение VBx, то взаимно компенсироваться будут нелинеаризованные электрострикционные де30 формации AV2BX. Однако, если и V8X, и УМод не равны нулю, пьезоэлектрическая (т.е. линеаризованная электрострикционная) деформация блока 1 (см, (4), а также (9)), вызванная совместным действием V6x и

35 VMOA H6 будет компенсироваться, а будет передаваться блоку 2.

Амплитуда механических колебаний В AVMofl.aVBX,a может быть легко рассчитана, если учесть, что А М/1, где М - коэффи40 циент электрострикции по полю (т.е. характеристика материала), а I - расстояние между электродами, к которым приложено напряжение. Возьмем, например, в качестве нелинейного емкостного элемента диск

45 или кольцо из электрострикторной керамики с М - 8,7 - м2В V.A.Isupov et a, Ferroelectrics, 1989, v. 95, p. с толщиной 0,001 м. Тогда А 8,7.1013 мВ .Пусть Vox.3 60 В, а Умод.а 600 В (чему соответст50 вуют эффективные значения напряжения 42,5 и 425 В). Тогда, согласно (8), амплитуда каждого из толщинных механических колебаний с частотами (о + QHCO - О(разуме- ется, не резонансных, а дорезонэнсных)

55 будет составлять 3,1 м, а максимальная деформация, достигаемая при биениях (т.е. сумма упомянутых амплитуд) будет равна 6,2.10 м. Если эту деформацию или часть ее передать выходному пьезоэлементу, на

нем возникает пьезонапряжение, которое и будет выходным напряжением.

Передать деформацию нелинейного емкостного элемента пьезоэлементу можно разными способами. Например, можно вы- полнить пьезоэлемент в виде очень тонкого диска с толщиной 1Пэ и наклеить его на элек- трострикторный диск с толщиной I.

Если I, практически вся деформация будет передаваться пьезоэлементу.

Другой пример можно представить себе из фиг. 1, где для начала жестко фиксируем расстояние между диском 5 и основанием 6. Коэффициент передачи деформации равен

К Д 1„ЫХ/Д LBX.CB Al

x/(n A IBX.CB)

(11)

где Д1Вых - изменение расстояния между электродами у выходного пьезоэлемента, ,СВ и ALBX,ce - изменения толщины отдельного электрострикторного диска, и входного блока из п таких дисков, соответственно, которое наблюдалось бы при их свободной деформации. Коэффициент К может быть высок за счет малого поперечного сечения пьезоэлемента 2 (по сравнению с сечением блока 1). При стремлении к нулю отношения сечений блоков 2 и 1 коэффициент К устремился бы к единице).

Очевидно, что, если упругие свойства, сечения и длины блоков 1 и 2 были бы одинаковы, коэффициент К был бы равен 0,5 (то есть блок 1, удлиненный в свободном состоянии на ALBx,cB, занимая совместно с блоком 2 фиксированный зазор между блоками 5 и 6, упираясь в блок 2, поджал бы его на половину A LBX.CB и сам поджался бы также наполовину ALBx,ce.

где ,а - амплитудное значение индуцироние механических колебаний входного блока, из выражения (14) получим:

Vewx.a -Г1|кКп

,. V

вх.а

(16)

При снятии запрета на перемещение .„„-„„„,„ „..........,„..,

диска 5 деформации и AV мод компен- 40 ванного пьезомодуля. сируется, но одновременно задают (фикси-Учитывая, что В есть амплитудное значе- руют) новое положение диска 5. Деформация же 2AVMoflVBx не компенсируется и с коэффициентом передачи К передается на блок 2. Таким образом, в данном 45 устройстве коэффициент К относится к передаче только пьезоэлектрической составляющей деформации. Таким образом, выходное напряжение

В нашем расчете для конкретного уст- является функцией свойств материала (hi и ройства (фиг. 1) удовлетворимся значением 50 Ьинд.а), конструктивных особенностей.(К и п) К - 0,5 (упругие свойства блоков 1 и 2 можно считать равными, поскольку оба сделаны из сегнетокерзмики). а их длины возьмем одинаковыми).

Как известно, электрическое поле EI, 55 материалов, за счет большего коэффициента возникающее при деформации пьезоэле- передачи деформации, на более всего за счет

увеличения числа электрострйкторных элементов во входном блоке.

и величины входного напряжения V,:,x. Повышение эффективности преобразования возможно за счет выбора более совершенных пьезоэлектрического и электрострмкторного

мента (5к), равно EI -гмкЗк.

(12)Пределы значений входного и модулиру- ющего напряжений не оговариваются. ВелиA U - -h A LB

(13)

В нашем случае выходное напряжение составит:

VBbix -hK Д LBX.CB -hKn Л IBX.CB.(И

Как мы уже подсчитали, для емкостного электрострикторого элемента в виде диска

тЗ.

толщиной 10 м при амплитудных напряжениях Увх.а .60 В, Умод 600 EJ амплитуда1 механических колебаний В равна 3,1 -10 м. Пусть число таких дисков п 10, а коэффи-: циент передачи К составляет 0,5. Для изготовления пьезоэлемента выберем материал с Ьзз 26.8 И О8 В- Б.Яффе, У.Кук, Г.Яффе. Пьезоэлектрическая керамика, М., Мир. 1974. Тогда для выходных напряжений V (ш + Q)c частотой а) + Q и. V (у - Q) с частотой о) - Q получим амплитудное значение: VBbix.a V (ft) jt Q),a -ЬЗЗКп А 1Вх.св,а 26,8 .10й- 0,5 -10 ./ 4168, т.е. эффективное значение VBHX 294 В. При этом выходное напряжение Увых превышает входное Vex в 6,9 раз (у прототипа на выходе напряжения с частотами ft 4- Q и а) - Q равны нулю).

Обсудим теперь те условия, которые обеспечивают высокую эффективность преобразования напряжения в предложенном способе. Учитывая выражения (5)и(8), можно записать

В йинд.а VBx,a

(15)

где ,а - амплитудное значение индуциро .„„-„„„,„ „..........,„..,

ванного пьезомодуля. Учитывая, что В есть амплитудное значе- Таким образом, выходное напряжение

ние механических колебаний входного блока, из выражения (14) получим:

ванного пьезомодуля. Учитывая, что В есть амплитудное значе- Таким образом, выходное напряжение

Vewx.a -Г1|кКп

,. V

вх.а

(16)

ного пьезомодуля. Учитывая, что В есть амплитудное значе- Таким образом, выходное напряжение

вляется функцией свойств материала (hi и Ьинд.а), конструктивных особенностей.(К и п)

материалов, за счет большего коэффициента передачи деформации, на более всего за счет

и величины входного напряжения V,:,x. Повышение эффективности преобразования возможно за счет выбора более совершенных пьезоэлектрического и электрострмкторного

увеличения числа электрострйкторных элементов во входном блоке.

(12)Пределы значений входного и модулиру- ющего напряжений не оговариваются. Вели111814173 12 чины Vex и /мод могут быть сколь угодно измерительных устройств, особенно в тех малыми. Малым при этом будет и выходное случаях, когда на частоте сосуществуют напряжение,- но преобразование все равно большие наводки. Может он быть использо- происходить. Максимальная величина на- ван и для целей непосредственно амплитуд- пряжений ограничивается электрической и 5 ной модуляции. Можно также ожидать, что механической прочностью устройства,он найдет применение для генерации:напряДалее покажем, что совокупность суще- жений инфранизких частот, что возможно ственных признаков является новой по срав- при близких, но не равных друг другу значе- нению с решениями, известными в науке и ниях . Например, при ау 50,1 Гц, а технике. Как мы уже говорили, аналог и про- 10 Q 50 Гц мы получим дублет из напряжения тотип используют для преобразования час- с частотой 100,1 Гц (которое нас не будет тоты.в качестве промежуточного этапа интересовать и будет отфильтровано) и на- преобразование напряжения в деформа- пряжения с частотой 0.1 Гц, которое и будет цию. Однако они не дают возможности нас интересовать, получения на выходе напряжений с часто- 15 Формула изобретения тами (а ± Q В предлагаемом решении ис-1. Способ безрезонансного преобразо- пользован принцип преобразования двух вания частоты переменного напряжения; со- одновременно приложенных напряжений с стоящий в преобразовании входного частотами О) И Q в механическую деформа- переменного напряжения с частотой а)в цию, состоящую из электрострикционных 20 механическую электрострикционнуюдефор- частей (AV2ex и АУ2мод) с пьезоэлектриче- мацию с последующей компенсацией де- ской части(dnHflVea), совмещен с использова- формации по ее основной частоте и нием пьезоэффекта, индуцированного в преобразованием оставшейся деформации нелинейных ёмкостных элементах, изготов- в выходное напряжение, отличающийся ленных из электрострикторного материала, 25 тем, что, С целью получения выходного на- периодичёски меняющего свои величину и пряжения с частотным дуплетом со ±Q до- знак. Использование компенсации электро- полнительно вводят модулирующее, стрикционных составляющих деформации напряжение с частотой Q . которое одно- позволяет исключить из выходного напря- временно с основным напряжением преображения все составляющие, кроме дублета с 30 зуют в механическую электрострикционную частотами со & Q. Возможность суммирова- деформацию с последующей компенсацией ния абсолютных деформаций отдельных не- нелинеаризованных электрострикционных линейных емкостных элементов (хотя оно и составляющих деформации по частотам, не обязательно) позволяет увеличить дефор- кратным Q , и скомпенсированную деформацию, передаваемую выходному пьезоэ- 35 мацию преобразуют в выходное напряже- лёмнту.а, тем самым, увеличить выходное ние. напряжение. 2, Устройство для безрезонансного преПриведем пример конкретного исполь- образования частоты переменного напря-, зования способа с помощью устройства, жения, содержащее входной блок из изображенного на фиг. 1, Допустим, нам 40 нелинейных электромеханически активных нужно преобразовать напряжение VBX 20 В элементов, выходной блок из пьезоэлемен- с частотой 1000 Гц в напряжение с частотами тов, компенсационный блок из электромеха- 950 Гц и 1500 гц. При этом в качестве моду- нически активных емкостных элементов и лирующего мы используем напряжение сети источник преобразуемого переменного на- 220 В с частотой 50 Гц. пусть п 4, К 0,5, 45 пряжения с частотой ш , к выходу которого м и характеристики материалов-упо- подключены входной блок, механически же- мянутые ранее (т.е. hsa 26,8 -10 В м , Стко связанный с выходным блоком, и ком- Мзз 8,7-10 м В). Используя выражения пенсационный блок, от л и чающееся тем,. (5) и (6) и перейдя к эффективным значениям что, с целью получения выходного напряжё- напряжений, получим50 Ния с частотным дублетом О) ± Q, дополнительно введены источник модулирующего.

/вых у2КппззМзз /мод /вх/1.(17) напряжения с частотой И и дополнитель. .ный компенсационный блок, идентичный Уцых 1,41 0,5-4-26,7 -10 -8,7х новному, причем выход источника

хЮ « 22-0 20/10 28,8 В,55 модулирующего напряжения подключен к

входному блоку и дополнительному компенто есть 145% от входного напряжения.сационному блоку, при этом входной и ёыПредлагаемый способ может найти при- ходной блоки, а также компенсационные менение для питания радиотехнических и блоки скреплены между собой и вклеены электротехнических устройств, в том числе между жесткими пластинами.