Способ безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУбЛИК 1814173 А 1 9 М 5 10 5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИЕ ИЗОБР О МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВ 2(54) СПОСОБ БЕЗРЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБ. РАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО нститут им, " ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование; изобретение предназначено для преобразования частоты перестные преоб- менного электричеСкого напряжения, гия., 1968, с. Сущность изобретения: в способе безрезо.нансного преобразования частоты переки. Основные менного электрического напряжения в ктронике, М.: частотный дублет путем амплитудной моду, ляции, заключающемся в воздействии пре-Ф18141 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 электрострикционных 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 пре-,73 4образуемого 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 скомпенсированнуюдеформацию 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 изэлектромеханических активных емкостных элементов и источник преобразуемого пе-. ременного напряжения с частотой и; к выходу которого подключены входной блок, механически жестко связанный с входньнд 253035 Изобретение относится к электротехнике и радиотехнике и предназначено для преобразования частоты переменного электрического напряжения;Целью изобретения является получениевыходного напряжения с частотным дублетом в+И. Эта цель достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замысломВ предлагаемом способе преобразова-,10ния частоты переменного напряжениясостоящем в преобразовании входного переменного напряжения с частотой со в механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией поее основной частоте и преобразованием оставшейся деформации в выходное напряжение, новым является то, что вводится дополнительное модулирующее напряжение с частотой И, которое одновременно с. 20основным 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 Й и 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(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 Чвх При уменьшении Чвх величина Чвых будет уменьшаться пропорционально Чх, но всегда будет одной и той же долей от Чвх (при постоянной величине Чмц. Тот факт, что связь между входным и выходным блоками осуществляется только через механическую деформацию, обеспечивает электрическую развязку входной и выходной цепей.Для повышения выходного напряженияйри преобразовании частоты переменого ЪлектрическогоЪапряжения в напряжение с Частотным дублетом а Ф Й путем амплигудной модуляции необходимо воздействие выходным 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 в+ Я и в - Я,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 в, другой - со входом источника. модулирующего напряжения с частотой И для компенсации составляющих деформа. цийс частотами 2 со,4 и),6 со и т.д., а также2 О, 4 И, б й и т.д.Физическая сущность предлагаемогоспособа заключается в следующем. Как из-, 35 вестно, электрострикционная деформациянелинейного емкостного элемента Ь квадратично зависит от электрического напряжения: . Если напряжение складывается из двух напряжений: входного (Чвх) и модулирующего (Чмод), обладающего более низкой частотой, то для мгновенных значений напряжения Ч будем иметь Ч = Чох+ ЧмодТогда деформация равна Л= АРвх + 2 АЧвх Чмод + АЧмод (3) Здесь АН вх - квадратичная (нелинеари 2зованная) электрострикционная составляющая, вызванная входным напряжением, АЧ мод - нелинеаризованная электрострик 2ционная деформация, вызванная модулирующим напряжением, 2 АЧвхЧмоддеформация, вызванная совместным действием входного и модулирующего напряжений, линеаризованная по напряжениям Чвх или ЧмодДопустим,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 Чвх или Чмод, мы можем полностью компенсировать ту или иную нелинеаризованную электрострикционную составляющую деформацию входного блока. Если мы подадим на один из дополнительных блоков напряжение Чвх, мы вызовем в нем деформацию АЧ вх, которая полностью компенсирует первый член в выражении (3). Если мы подадим на другой дополнительный блок напряжение Чмод, мы вызовем деформацию АЧ мод, которая скомпенсирует последний член в выражении (3). Тогда результирующая деформация будет равна Ь = (2 АЧмод)Чвх = бинд Чвх,где бинд 2 АЧмод(4) Чвх = Чвх,а зи в 1, Чмод = Чмод,а соз 01, (6) Тогда из выражения (4) получим Ь =2 АЧмод.а Чвх,асоз И 3 пв 1 - -,2 Всоз И 1 8 Пв 1, (7) гдеВ АН мод,аЧвх,а(8) Если мы положим Й=(в 1 -йг)/2,в =(в 1 +юг)/2, то выражение (7) приметвидЛ 1=2 всов с всс - с =в 1 вг, в +вг2= Взпв 11 + Взпвгс . (9) то есть будет описывать биения двухколебаний с частотами Здесь бинд - пьезомодуль, индуцированный вспомогательным (модулирующим) напряжением,Видно, что при Чмод " 0 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 напряже- ния(10) Компенсацию нелинеаризованныхэлектрострикционных составляющих вы 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 модули рующее напряжение, на компенсационныйблок 3 подается только входное напряжение, а на компенсационный блок 4 - только модулирующее. Поскольку оба компенсационных блока и входной блок склеены из од ного и того же числа нелинейных емкостных(электрострикторных) элементов, одинаковых по материалу и толщине, они при одинаковом напряжении Ч имеют одинаковую деформацию АЧ . Когда под действием на пряжения Чмод длина блока 1 увеличиваетсяна АЧ мод, увеличение длины блока 4 отодвигает блок 1 от основания 6, причем также на АЧ мод В результате (при Чвх = О) пересгмещение 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 Чвх, то взаимно компенсироваться будут нелинеаризованные электрострикционные де формации АЧ вх. Однако, если и Чвх, и Чмодгне равны нулю, пьезоэлектрическая (т.е. линеаризованная электрострикционная) деформация блока 1 (см, (4), а также (9, вызванная совместным действием Чвх и 35 Чмод не будет компенсироваться, а будетпередаваться блоку 2.Амплитуда механических колебанийВ = АЧмод,аЧвх,а может быть легко рассчитана, если учесть, что А = М/, где М - коэффи циент электрострикции по полю (т.е.характеристика материала), а- расстояние между электродами, к которым приложено напряжение. Возьмем, например, в качестве нелинейного емкостного элемента диск 45 или кольцо из электростикторной керамики с М - 8,710 м В (Ч.А.знроч ет а, Реггоеес 1 гсз, 1989, ч, 95, р. 179 183 с толщиной 0,001 м. Тогда А =8,7.1 0 мВ . Пусть Чвх,а = 60 В, а Чмод,а = 600 В (чему соответст вуют эффективные значения напряжения42,5 и 425 В); Тогда, согласно (8), амплитуда каждого из толщинных механических колебаний с частотами в + 0 и в - Я(разумеется, не резонансных, а дорезонансных) 55 будет составлять 3,1 10м, а максимальнаядеформация, достигаемая при биениях (т.е.сумма упомянутых амплитуд) будет равна 6,210 м, Если эту деформацию или часть ее передать выходному пьезоэлементу, на(16) Таким образом, выходное напряжение уст- является функцией свойств материала (Ьк и ием 50 Ьинд,а), конструктивных особенностей (К и п) жно и величины входного напряжения Ч: х Повыы из шение эффективности преобразогания возоди- можно за счет выбора более сов:,ршенныхпьезоэлектрического и электрострнкторногоЕь 55 материалов, за счет большего коэффициента эле- передачи деформации, на более всего за счетувеличения числа электрострикторных элементов во входном блоке,(12) Пределы значений входного и модулирующего напряжений не оговариваются, ВелиЕ = -ЬкЯк. 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 1 па и наклеить его на электрострикторный диск с толщиной 1,Если 1 на 1, 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 1 вых/Л 1.вх,св = Л 1 вых/(и Л 1 вх,св)(11) где Л 1 вы, - изменение расстояния между электродами у выходного пьезоэлемента, Л 1,и Л 1 вх,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 1 вх,св, занимая совместно с блоком 2 фиксированный зазор между блоками 5 и 6, упираясь в блок 2, поджал бы его на половину Л 1 вх,свисам поджался бытакже на половину Л 1 ах,св,При снятии запрета на перемещение диска 5 деформации АЧ вх и АЧ ыод компенсируется, но одновременно задают (фиксируют) новое положение диска 5. Деформация же 2 АЧыодЧвх 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 (Як). равно В нашем случае выходное напряжение5 составит: Чвых =-11 К Л 1 вх,св=-ЬКп Л 1 вх,св (14) Как мы уже подсчитали, для емкостного10 электрострикторого элемента в виде дискатолщиной 10м при амплитудных напряжениях Чвх.а = 60 В, Чмод = 600 В амплитудамеханических колебаний В равна 3,1 10 мПусть число таких дисков п = 10, а коэффи 15 циент передачи К составляет 0,5. Для изготовления пьезоэлемента выберем материалс Ьзз = 26,8 10 В м (Б.Яффе, У, Кук, Г.Яффе.Пьезоэлектрическая керамика, М., Мир,1974). Тогда для выходных напряжений20 Ч (иу + И)с частотой и) + И и Ч (д - И) с частотой и) - И получим амплитудное значение: Чвых,а = Ч (вИ),а = -ЬЗЗКп Л 1 вх,св,а ==26,8.10" 0,5 10 3,1 10 = 416 В, т.е.эффективное значение Чвых = 294 В. Приэтом выходное напряжение Чвых превышает входное Чвх в 6,9 раз (у прототипа навыходе напряжения с частотамии)+ И и щ - й равны нулю),Обсудим теперь те условия, которыеобеспечивают высокую эффективность преобразования напряжения в предложенном способе, Учитывая выражения(5) и(8), можно записать35 где с 1 ннд,а - амплитудное значение индуциро ванного пьезомодуля.Учитывая, что В есть амплитудное значение механических колебаний входного блока, из выражения (14) получим: 45 Чвых,а = -ЬкКп 2 биндЧвх,а(17) чины Чвх 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 существенных 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 часта- тами а й Й В предлагаемом решении использован принцип преобразования двух одновременно приложенных напряжений с частотами в и Й в механическую деформацию, состоящую из электрострикционных частей (АЧ вх и АЧ мод) С пьеэозлектРичег 2ской части (бинлЧвз), 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 Чвх = 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.3мянутые ранее 1 т.е. паз = 26,810 В м Мзз=8,710 м В ),Используя выражения(5) и (6) и перейдя к эффективным значениям напряжений, получим Чвых =Л Кп ЬззМззЧмодЧвх/ Тогда Чвых" 1,41 0,5 4 26,7 10 8,7 хх 10 Р 22020/10= 28,8 В,то есть 145 от входного напряжения. Предлагаемый способ может найти применение для питания радиотехнических иэлектротехнических устройств, в том числе измерительных устройств, особенно в техслучаях, когда на частоте всуществуютбольшие наводки, Может он быть использован и для целей непосредственно амплитуд 5 ной модуляции. Можно также ожидать, чтоон найдет применение для генерации напряжений инфранизких частот, что возможнопри близких, но не равных друг другу значениях вий, Например, при ю= 50,1 Гц, а10 И = 50 Гц мы получим дублет из напряженияс частотой 100,1 Гц (которое нас не будетинтересовать и будет отфильтровэйо) и напряжения с частотой 0.1 Гц; которое и будетнас интересовать.15 Формула изобретения1, Способ безрезонансного преобразования частоты переменного напряжения; состоящий в преобразовании входногопеременного напряжения с частотой а в20 механическую электрострикционную деформацию с последующей компенсацией деформации по ее основной частоте ипреобразованием оставшейся деформациив выходное напряжение, о т л и ч а ю щ и й с я25 тем, что, С целью получения выходного напряжения с частотным дуплетом в й Й дополнительно вводят модулирующее,напряжение с частотой И, которое одновременно с основным напряжением преобра 30 зуют в механическую электрострикционнуюдеформацию с последующей компенсациейнелинеаризованных электрострикционныхсоставляющих деформации по частотам,кратным И, и скомпенсированную дефор 35 мацию преобразуют в выходное напряжение,2, Устройство для безрезонансного преобразования частоты переменного напря-.жения, содержащее входной блок из40 нелинейных электромеханически активныхэлементов, выходной блок из пьезоэлементов, компенсационный блок из электромеханически активных емкастных элементов иисточник преобразуемого переменного на 45 пряжения с частотой а, к выходу которогоподключены входной блок, механически жестко связанный с выходным блоком, и компенсационный блок, о т л и ч а ю щ е е с я темчта, с целью получения выходного напряже 50 ния с частотным дублетом в+ Й, дополнительно введены источник мадулирующегонапряжения с частотой Й и дополнительный компенсационный блок, идентичный основному, причем выход источника55 модулирующего напряжения подключен квходному блоку и дополнительному компенсационному блоку, при этом входной и выходной блоки, а также компенсационныеблоки скреплены между собой и вклеенымежду жесткими пластинами,