Способ безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (я)з Н 02 М 5/10

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М

I

Ъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4886255/07 . (22) 26.11.90 (46) 07.05.93. Бюл. М 17

: (71) Физико-технИческий институт им,, А.Ф. Иоффе (72) В.А.Исупов (56) 1. Казарновский Д.M. Емкостные преобразователи частоты, Л.: Энергия., 1968, с. . 40-43.

2. И.C.Рез.и др. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике, M.:

Радио и связь, 1989, с, 187" 189

„„50„> 1814173А1

2 (54) СПОСОБ БЕЗРЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ:И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование; изобретение предназначено для преобразования частоты пере-: менного электричеСкого напряжения, Сущность изобретения: в способе безрезонансного преобразования частоты пере-. менного электрического напряжения в частотный дублет путем амплитудной модуляции, заключающемся в воздействии преЪ

18141 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 электрострикционHbtx составляющих с помощью дополнительноо 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 пре-, 73 4 образуемого 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. ных составляющих деформаций по частотам, кратным Й, и скомпенсированную деформацию преобразуют в выходное напряжение.

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

Изобретение относится к электротехнике и радиотехнике и предназначено для преобразования частоты переменного электрического напряжения;

Целью изобретения является получение выходного напряжения с частотным дублетом со +И. Эта цель достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом..

В предлагаемом способе преобразова- .10 ния частоты переменного напряжения,,состоящем в преобразовании входного переменного напряжения с частотой со в 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 И, которое одновременно с 20 основным напряжением преобразуют в ме. ханическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией нелинеаризорванных электрострикционблоком, и компенсационный блок, новым является то, что в устройство дополнительно введены источник модулирующего напряжения с частотой Яи дополнительный компенсационный блок, идентичный основ-. ному, 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 возмож-, ных 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); 6 — жесткое основание (диск или пластина); 7 — источник преобразуемого напряжения; 8 — источник модулирующего напряжения;9 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 преобра. 1814173

30

AV2

40 (2) 55 зованного 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 Vex. При уменьшении Vex величина Ve< x будет уменьшаться пропорционально Vex, но всегда будет одной и той же долей от Vex (при постоянной величине Чмо . 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 йри преобразовании частоты переменого

ЪлектрическогоЪапряжения в напряжение с частотным дублетом со Ф 0 путем амплиtóäH0é модуляции необходимо воздействие

Входным 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 электрострикционные 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 пьезоэффектом, то есть линеаризованной электрострикцией нелинейных емкостных элементов входного блока и представляющая собой частотный дублет и Ф Й) должна быть передана выходному блоку из пьезоэлементов и преобразована за счет их пьезоэффекта в выходное электрическое напряжение с частотами N + Я и в — Q, Устройство для реализации способа должно содержать входной блок из нелинейных 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 ж, другой — со входом источника. модулирующего напряжения с частотой И для компенсации составляющих деформа. цийс частотами 2 со,4й),6в и т.д., а также

2 О, 4 И, 6 Я и т.д.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Как из-, 35 вестно, электрострикционная деформация нелинейного емкостного элемента h, I квадратично зависит от электрического напряжения: .

Если напряжение складывается из двух напряжений: входного (Vex) и модулирующего (V«g, обладающего более низкой частотой, то для мгновенных значений напряжения V будем иметь = Vox+ мод .

Тогда деформация равна = @вх + 2АЧвх комод + АЧмод (3) Здесь АН вх — квадратичная (нелинеари2 зованная) электрострикционная составляющая, вызванная входным напряжением, AV мод — нелинеаризованная электрострик2 ционная деформация, вызванная модулирующим напряжением, 2AVexVMog

1814173 деформация, вызванная совместным действием входного и модулирующего напряжений, линеаризованная по напряжениям Vex или Чмод

Допустим,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 V» или Чмод, мы можем полностью компенсировать ту или иную нелинеаризованную электрострикционную составляющую деформацию входного блока. Если мы подадим на один из дополнительных блоков напряжение Vex, мы вызовем в нем деформацию АЧ ах, которая полностью ком г пенсирует первый член в выражении (3). Если мы подадим на другой дополнительный блок напряжение Чмод, мы вызовем деформацию AV мод, которая скомпенсирует пог следний член в выражении (3). Тогда результирующая деформация будет равна (4) Л! = (2дчмод) ссвх = оинд Чвх. где бинд - 2АЧмод

Vax = Vex.a sin в t, Чмод = Чмод,а cos Qt. (6) Тогда из выражения (4) получим

ЬI =2АЧмод.а Vex,acos Qt $авt =

-, 2 Bcos Q t sin e t, (7) где

В АЧмод,аЧвх,а (8) Если мы положим Q=(в! - )/2, N =(в1 +юг)/2, то выражение (7) примет вид с

Л1=2всов r в!сс — с = в1 N2 ° в! + вг

= BslAN1t + Вз!пвгс (9) то есть будет описывать биения двух колебаний с частотами

Здесь бинд — пьезомодуль, индуцированный вспомогательным (модулирующим) напряжением.

Видно, что при Чмод - О пьезомодуль бинд равен нулю, а при изменении знака

Чмод он меняет свой знак. В этом заключается принципиальное отличие пьезоэффекта в электрострикторной керамике от пьезоэффекта в пьезокерамике.

Пусть к нелинейным емкостным элемента будут приложены переменные напряжения в! =в+Я, вг =0> — Q (10) 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 подается 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 AV . Когда под действием на20 пряжения Чмод длина блока 1 увеличивается

Fz на AV мод, увеличение длины блока 4 отодвигает блок 1 от основания 6, причем также на AV мод, В результате (при Чвх = О) пересг мещение нижнего торца блока 1 (то есть

25 верхнего торца блока 2) равно нулю и деформация блока 2 отсутствует. Если же Чмод = О, а к блокам 1 и 3 приложено напряжение V», то взаимно компенсироваться будут нелинеаризованные электрострикционные де30 формации АЧ ех. Однако, если и Чв„, и Чмод г не равны нулю, пьезоэлектрическая (т.е. линеаризованная электрострикционная) деформация блока 1 (см, (4), а также (9)), вызванная совместным действием Vex u

35 Чмод не будет компенсироваться, а будет передаваться блоку 2.

Амплитуда механических колебаний В = АЧмод,аЧвх,а может быть легко рассчитана, если учесть, что А = M/i, где М вЂ” коэффи40 циент электрострикции по полю (т.е. характеристика материала), à l — расстояние между электродами, к которым приложено напряжение. Возьмем, например, в качестве нелинейного емкостного элемента диск

45 или кольцо из электростоикторной керамики с M - 8,7. 10 м В (Ч.А lsupov et а!, Ferroelectrics, 1989, ч, 95, р. 179-183) с толщиной 0,001 м. Тогда А =8,7.10 мВ . Пусть

Vex,a = 60 В, а Чмод,a = 600 В (чему соответст50 вуют эффективные значения напряжения

42,5 и 425 B); Тогда, согласно (8), амплитуда каждого из толщинных механических колебаний с частотами в + Q и в — Я(разумеется, не резонансных, а дорезонансных)

55 будет составлять 3,1 10 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

1814173

10 то есть

Vl — -hlк Л к = -h A вых. (13) 1

B = 2 оиид,а вх,а (15) .1 вых,а = -Ь|кКп р <1иид„Чвх,a (16) Таким образом, выходное напряжение: уст- является функцией свойств материала (hlx и ием 50 Ь„„д,,), конструктивных особенностей {К и п) жно и величины входного напряжения V:,х. Повыы из шение эффективности преобразогания возоди- можно за счет выбора более сов :.ршенных пьезоэлектрического и электрострпкторного

Еь 55 материалов, за счет большего коэффициента передачи деформации, на более всего за счет увеличения числа электрострикторных элементов во входном блоке, (12) Пределы значений входного и модулирующего напряжений не оговариваются, ВелиEl = -hixS». нем возникает пьезонапряжение, которое и будет выходным напряжением, Передать деформацию нелинейного емкостного элемента пьезоэлементу можно разными способами, Например, можно выполнить пьезоэлемент в виде очень тонкого диска с толщиной 1ва и наклеить его на электрострикторный диск с толщиной 1, Если М« 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 = Л!вых/Л Lex,св = ЛIBblx (AIex,ce) (11) где Л leblx — изменение расстояния между электродами у выходного пьезоэлемента, Л вх,св ul ALex,св 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 Л Lex,св, занимая совместно с блоком 2 фиксированный зазор между блоками

5 и 6, упираясь в блок 2, поджал бы его на половину Л Lex,св и сам поджался бы также на половину ALex,сs.

При снятии запрета на перемещение диска 5деформации AV ex u AV иод компен2 2 сируется, но одновременно задают (фиксируют) новое положение диска 5.

Деформация же 2AVMpgVex не компенсируется и с коэффициентом передачи К передается на блок 2. Таким образом, в данном устройстве коэффициент К относится к передаче только пьезоэлектрической составляющей деформации, В нашем расчете для конкретного ройства (фиг. 1) удовлетворимся значен

К =. 0,5 (упругие свойства блоков 1 и 2 мо считать равными, поскольку оба сделан сегнетокерамики). а их длины возьмем наковыми).

Как известно, электрическое поле возникающее при деформации пьезо мента (S„), равно

В нашем случае выходное напряжение

5 составит:

Чвых =-hK Л вх,св=- Кп Л!вх,св (14) Как мы уже подсчитали, для емкостного

10 электрострикторого элемента в виде диска толщиной 10 м при амплитудных напряжениях Vsx e = 60 В, Чыод = 600 В амплитуда механических колебаний В равна 3,1 10 м., Пусть число таких дисков п = 10, а коэффи15 циент передачи К составляет 0,5. Для изготовления пьезоэлемента выберем материал спзз=26,8 10 В м (Б.Яффе,У.Кук, Г.Яффе.

Пьезоэлектрическая керамика, M., Мир, 1974). Тогда для выходных напряжений

20 V (и + Q)c частотой в + И И V (и, — Q) с частотой и) — Q получим амплитудное значение: вых,а = V (д Q),à = -йЗЗКп Л lex.ce,e =

=26,8 .10". 0,5 ° 10 3, /.10 = 416 В, т.е. эффективное значение Vs x = 294 В. При этом выходное напряжение Чвых превышает входное V» в 6,9 раз (у прототипа на выходе напряжения с частотами и) + Q uI со — Q равны нулю), Обсудим теперь те условия, которые обеспечивают высокую эффективность пре-. образования напряжения в предложенном способе, Учитывая выражения (5) и(8), можно записать

35 где бинд,а — амплитудное значение индуциро40 ванного пьезомодуля.

Учитывая, что В есть амплитудное значение механических колебаний входного блока. из выражения (14) получим:

1814173

12 (17) чины Чах и Чмод могут быть сколь угодно малыми. Малым при этом будет и выходное напряжение; но преобразование все равно происходить; Максимальная величина напряжений ограничивается электрической и механической прочностью устройства.

Далее покажем, что совокупность суще ственных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике. Кэк мы уже говорили, аналог и прототип используют для преобразования частоты в качестве проМежуточногО этапа преобразование напряжения в деформацию. Однако они не дают возможности получения на выходе напряжений с частатами а и Q В предлагаемом решении использован принцип преобразования двух одновременно приложенных напряжений с частотами в и 0 a механическую деформацию, состоящую из электрострикционных частей (АЧ,„и AV ыод) с пьезозлектРичег 2 ской части (d><>V»), совмещен с использованием пьезоэффекта, индуцированного в нелинейных емкостных элементах, изготовленных из электрострикторного материала, периодически меняющего свои величину и знак. Использование компенсации электрострикционных составляющих деформации позволяет исключить из выходного напряжения все составляющие, кроме дублета с частотами в Ф И. Возможность суммирования абсолютных деформаций отдельных нелинейных емкостных элементов-(хотя оно и не обязательно) позволяет увеличить деформацию, передаваемую выходному пьезоэлемнту,а, тем самым, увеличить выходное напряжение.

Приведем пример конкретного использования способа с помощью устройства, изображенного на фиг, 1, Допустим, нам нужно преобразовать напряжение V»< = 20 В с частотой 1000 Гц в напряжение с частотами

950 Гц и 1500 гц. При этом в качестве модулирующего мы используем напряжение сети

220 В с частотой 50 Гц. пусть п = 4, К = 0,5, 1=10 м и характеристики материалов — упо-3 мянутые ранее (т.е. пзз = 26,8 ° 10 В м, / Мзз =8,7.10 м В ). Используя выражения

-t6 2 -2 (5) и (6) и перейдя к эффективным значениям напряжений, получим

Чеых =Л Кп ЙззМззЧмодЧвх/I

Тогда Ч ых-1,41 0,5 4 -26,7 .10 ° 8,7х х10 16 220 20/10 = 28,8 В, то есть 145, от входного напряжения.

Предлагаемый способ может найти применение для питания радиотехнических и электротехнических устройств, s том числе измерительных устройств, особенно в тех случаях, когда на частоте всуществуют большие наводки, Может он быть использован и для целей непосредственно амплитуд5 ной модуляции. Можно также ожидать, что он найдет применение для генерации напряжений инфранизких частот, что возможно при близких, но не равных друг другу значениях в иИ. Например, при ю= 50,1 Гц, а

10 И = 50 Гц мы получим дублет из напряжения с частотой 100,1 Гц (которое нас не будет интересовать и будет отфильтровэно) и напряжения с частотой 0.1 Гц; которое и будет нас интересовать.

15 Формула изобретения

1. Способ безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения; состоящий в преобразовании входного переменного напряжения с частотой й) в

20 механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией деформации по ее основной частоте и преобразованием оставшейся деформации в выходное напряжение, отличающийся

25 тем, что, с целью получения выходного напряжения с частотным дуплетом m и Q, дополнительно вводят модулирующее, напряжение с частотой И, которое одновременно с основным напряжением преобраЗ0 зуют в механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией нелинеаризованных электрострикционных составляющих деформации по частотам, кратным И, и скомпенсированную дефорЗ5 мацию преобразуют в выходное напряжение, 2. Устройство для безреэонансного преобразования частоты переменного напряжения, содержащее входной блок из

40 нелинейных электромеханически активных элементов, выходной блок из пьезоэлементов, компенсационный блок из электромеханически активных емкастных элементов и источник преобразуемого переменного на45 пряжения с частотой а, к выходу которого подключены входной блок, механически жестко связанный с выходным блоком, и ком-: пенсационныйблок,отличающееся тем,. чта, с целью получения выходного напряже50 ния с частотным дублетом й) +. Q, дополнительно введены источник мадулирующего напряжения с частотой Q и дополнительный компенсационный блок, идентичный основному, причем выход источника

55 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,