ИСТОЧНИК АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной техники, более конкретно к источникам, преобразующим энергию постоянного тока в энергию требуемого вида. Такие источники могут быть использованы, например, в электрохимических технологиях, где требуется регулирование соотношения величин положительной и отрицательной (большой и малой) полуволн тока или напряжения; при зарядке аккумуляторных батарей; а также в технологиях, связанных с электрообработкой растворов; гальваникой и др.
Одной из таких сфер применения источников асимметричного тока или напряжения является очистка концентрированных водных растворов глиоксаля от примесей органических кислот [1. Патент РФ на изобретение №2455052 опубликован 10.07.2012], где необходим асимметричный импульсный сигнал с возможностью регулирования амплитуды положительной и отрицательной полуволны. Также существует технология металлизации печатных плат, требующая в своем технологическом процессе источников асимметричного прямоугольного тока с возможностью регулирования амплитуды и длительности положительной и отрицательной полуволн [2. Импульсная металлизация печатных плат, «Технологии в промышленности №4, 2005 г.»]. Таким образом, в современных технологиях требуются источники, позволяющие формировать асимметричные сигналы тока или напряжения различных форм.
Из уровня техники известно устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током [3. Авторское свидетельство №463176, опубликовано 05.03.1975. Бюллетень №9, МПК Н01m 45/04, Н02j 7/10 фиг.1]. Устройство по [3] позволяет формировать импульсы, по форме близкие к прямоугольным. Такое устройство содержит управляемый зарядный выпрямитель, линейный дроссель, управляемый ключевой элемент, разделительный диод, разрядный конденсатор, заряжаемую группу аккумуляторных батарей. Разрядный конденсатор зашунтирован диодом и совместно с аккумуляторной батареей включен последовательно в цепь с зарядным выпрямителем и сглаживающим дросселем, параллельно которым подключен управляемый ключевой элемент. Однако, рассматриваемое устройство [3] может быть использовано только для нагрузки типа аккумуляторной батареи, так как при других типах электрохимических нагрузок невозможно будет осуществить независимое регулирование положительной и отрицательной полуволн тока в широком диапазоне частот выходного сигнала. Кроме того, это устройство не предусматривает стабилизации ни прямого, ни обратного тока, что также важно для электрохимических технологий.
Из уровня техники известна схема мостового инвертора тока [4. Транзисторная преобразовательная техника В.Мелешин Техносфера, Москва 2006 стр.376, рис.15.3 и 15.4]. Схема по [4] позволяет формировать прямоугольный ток на выходе не зависимо от характера нагрузки. Такая схема содержит четыре транзисторных ключа и входной источник тока. Реально входной источник тока может представлять собой выход какого-либо преобразователя постоянного напряжения, подключаемого к мосту через достаточно большую индуктивность. Недостатком такого устройства является невозможность независимого регулирования амплитуды положительной и отрицательной полуволны выходного тока.
Из уровня техники известен источник питания асимметричного тока или напряжения [5. Патент РФ №99669, опубликован 20.11.2010, МПК (2006.01) Н02М 9/02 фиг.1]. Такой источник содержит источник постоянного напряжения E, два L-C фильтра: L1С1 и L2C2, две электрохимические ячейки с объединенными анодами А1, А2 и двумя катодами K1, K2, обозначенные как Rн1, Rн2; шесть диодов VD1-VD6, включенных встречно-параллельно транзисторным ключам VT1-VT6, соответственно. Управляющие входы транзисторных ключей соединены с соответствующими выводами 1-6 системы управления СУ. Последовательно соединенные транзисторные ключи VT2, VT4, включенные между положительной и отрицательной шинами источника напряжения Е, образуют первую транзисторную стойку ключей; последовательно соединенные транзисторные ключи VT1, VT3 образуют соответственно вторую транзисторную стойку ключей; последовательно соединенные транзисторные ключи VT5, VT6 образуют соответственно третью транзисторную стойку ключей. Вторая и третья транзисторные стойки ключей включены также между положительной и отрицательной шинами источника питания Е. Катод K1 первой электрохимической ячейки Rн1 через дроссель L1 подключен к средней точке первой транзисторной стойки ключей VT2, VT4. Катод К2 второй электрохимической ячейки Rн2 через дроссель L2 подключен к средней точке второй транзисторной стойки ключей VT1, VT3. Аноды А1, А2 электрохимических ячеек Rн1, Rн2 объединены и подключены к средней точке третьей транзисторной стойки ключей VT5, VT6. Система управления СУ имеет три входа U1, f, U2, обозначенные соответственно 9, 8, 7. Вход 9 системы управления СУ служит для задания амплитуды положительной полуволны выходного синусоидального напряжения. Вход 7 системы управления СУ служит для задания амплитуды отрицательной полуволны выходного синусоидального напряжения. Этот источник позволяет формировать на нагрузке асимметричный ток в широком диапазоне частот, без увеличения массы и габаритов на нижних частотах. Однако это обеспечивается путем введения в схему дополнительной третьей стойки транзисторных ключей и двух L-C фильтров, что приводит к усложнению схемы. Кроме того, этот источник предназначен для формирования сигнала асимметричной синусоидальной формы и не позволяет получить прямоугольную форму выходного тока с малой длительностью фронтов нарастания и спада сигнала.
Наиболее близким технически решением, которое взято за прототип [6. Патент РФ №19232 на полезную модель, опубликован 10.08.2001, 7МПК Н02М 9/02], является преобразователь постоянного напряжения в переменный асимметричный ток. Схема такого преобразователя содержит четыре силовых транзистора, коллектор первого транзистора подключен к первому входному выводу, а эмиттер подключен к началу обмотки дросселя и через второй транзистор соединен со вторым входным выводом. Эмиттер третьего транзистора соединен со вторым выходным выводом и через четвертый транзистор соединен со вторым входным выводом. Кроме того, схема преобразователя содержит вентильный мост из четырех диодов, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а диагональ переменного тока к эмиттеру третьего транзистора и к началу обмотки дросселя, конец которой соединен с первым выходным выводом. Схема преобразователя имеет дополнительные входные выводы, первый из которых подключен через дополнительный диод к коллектору третьего транзистора, а второй - ко второму входному выводу. Этот преобразователь позволяет формировать на нагрузке синусоидальный асимметричный ток в широком диапазоне частот.
Однако преобразователь по [6] позволяет формировать на нагрузке асимметричный ток только синусоидальной формы фиг.2 в [6] и не позволяет получить прямоугольную форму выходного тока с малой длительностью фронтов нарастания и спада сигнала, что обусловлено наличием дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. Кроме того, скорость нарастания и скорость спада тока в нагрузке зависит от величины сопротивления нагрузки, что приводит к искажению формы тока, при этом амплитуда положительной полуволны всегда больше амплитуды отрицательной полуволны тока, что снижает возможность регулирования асимметрии выходного сигнала.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей источника асимметричного тока или напряжения за счет обеспечения формирования асимметричного прямоугольного или синусоидального тока или напряжения на выходе.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в независимом регулировании амплитуды и формы положительной и отрицательной полуволны и сокращении длительности фронта нарастания и фронта спада сигнала при формировании прямоугольного тока или напряжения на нагрузке и уменьшении искажения формы выходного сигнала при формировании синусоидального тока или напряжения.
Для достижения технического результата полезная модель, как и прототип, содержит два источника напряжения, дроссель, четыре транзистора, и два диода. При этом коллектор первого транзистора подключен к положительной шине питания первого источника напряжения. Эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом дросселя и, через первый диод, с отрицательным выводом источников напряжения. Эмиттер третьего транзистора через второй диод соединен с отрицательной шиной питания источников напряжения. Эмиттеры второго и четвертого транзисторов, а также аноды первого и второго диодов, объединены и подключены к отрицательным шинам питания источников напряжения. При этом коллектор четвертого транзистора соединен со вторым выводом нагрузки.
В отличие от прототипа заявляемая полезная модель дополнительно содержит второй дроссель, два датчика тока, два датчика напряжения и систему управления. Эмиттер третьего транзистора соединен с первым выводом второго дросселя. Вторые выводы первого и второго дросселей через соответствующие датчики токов соединены с нагрузкой и с коллекторами второго и четвертого транзисторов соответственно. Управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого транзисторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выводами системы управления, являющимися ее соответствующими выходами. Параллельно второму и четвертому транзисторам соответственно включены первый и второй датчики напряжения. Информационные выходы первого и второго датчиков тока, первого и второго датчиков напряжения соединены соответственно с пятым, восьмым, шестым и седьмым выводами системы управления, являющимися соответственно ее первым, четвертым, вторым и третьим информационными входами. Девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый выводы системы управления образуют соответственно ее пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый входы и служат для выбора режима работы источника, задания амплитуды положительной и отрицательной полуволн тока или напряжения, регулирования частоты выходного сигнала и выбора формы выходного сигнала соответственно.
В частном случае система управления содержит микроконтроллер и четыре драйвера. При этом четыре порта микроконтроллера предназначены для передачи информации, а другие девять предназначены для приема информации. При этом первый, второй, третий, четвертый порты микроконтроллера, содержащие встроенные аналогово-цифровые преобразователи, образуют соответственно первый, четвертый, второй и третий входы системы управления и являются соответственно пятым, восьмым, шестым и седьмым выводами системы управления. Пятый, шестой, седьмой и восьмой порты микроконтроллера подключены соответственно к входам первого, второго, четвертого и третьего драйверов, выходы которых образуют первый, второй, четвертый и третий выходы системы управления и являются соответственно первым, вторым, четвертым и третьим выводами системы управления. Девятый, десятый и одиннадцатый порты микроконтроллера, содержащие встроенные аналогово-цифровые преобразователи, образуют соответственно шестой, седьмой и восьмой входы системы управления, являющиеся соответственно десятым, одиннадцатым и двенадцатым выводами системы управления. Двенадцатый и тринадцатый порты микроконтроллера образуют соответственно пятый и девятый входы системы управления, являющиеся соответственно девятым и тринадцатым выводами системы управления.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели, не известна заявителям из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
При введении в схему дополнительного дросселя, образуются два непосредственных преобразователя, работающих независимо друг от друга. Первый преобразователь состоит из первого транзистора, первого диода и первого дросселя. Второй преобразователь состоит из третьего транзистора, второго диода и второго дросселя. Это обеспечивает независимое регулирование амплитуды тока или напряжения положительной и отрицательной полуволн. Введение датчиков тока и напряжения позволяет обеспечить стабилизацию тока или напряжения в зависимости от режима работы. При этом в первом и втором дросселе формируются однонаправленные токи, что обеспечивает сокращение длительности фронта нарастания и фронта спада сигнала при формировании прямоугольного тока или напряжения на нагрузке и уменьшение искажения формы выходного сигнала при формировании синусоидального тока или напряжения. При этом разнополярный ток или напряжение в нагрузке обеспечиваются алгоритмом работы ключей, сформированным системой управления. В общем случае форма выходного сигнала может быть не только прямоугольной или синусоидальной, но и другой формы, которая будет задаваться программой системы управления.
Техническая суть полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема источника асимметричного тока или напряжения. На фиг.2 приведена диаграмма работы ключей в режиме источника тока при формировании прямоугольного (а) или синусоидального (б) тока. На фиг.3 приведена диаграмма работы ключей в режиме источника напряжения при формировании прямоугольного (а) или синусоидального (б) напряжения. На фиг.4 приведена функциональная схема системы управления.
Источник асимметричного тока или напряжения фиг.1 содержит источники постоянного напряжения Е1 и Е2, транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4, диоды VD1 и VD2, первый L1 и второй L2 дроссели, датчики тока ДТ1 и ДТ2, датчики напряжения ДН1 и ДН2, систему управления СУ и нагрузку Rн. Коллектор первого транзистора VT1 подключен к положительной шине питания первого источника напряжения Е1. Эмиттер первого транзистора VT1 подключен к первому выводу первого дросселя L1 и катоду первого диода VD1. Коллектор третьего транзистора VT3 подключен к положительной шине питания второго источника напряжения Е2. Эмиттер третьего транзистора УТ3 подключен к первому выводу второго дросселя L2 и катоду второго диода VD2. Второй вывод первого дросселя подключен к первому выводу первого датчика тока ДТ1. Второй вывод первого датчика тока ДТ1 подключен к первому выводу нагрузки Rн и коллектору второго транзистора VT2. Второй вывод второго дросселя L2 подключен ко второму выводу нагрузки и коллектору четвертого транзистора VT4. Параллельно второму и четвертому транзисторам VT2 и VT4 подключены датчики напряжения ДН1 и ДН2 соответственно. Аноды первого и второго диодов VD1 и VD2, эмиттеры второго и четвертого транзисторов VT2 и VT4 объединены и подключены к отрицательным шинам питания источников напряжения Е1 и Е2. При этом информационные выводы первого и второго датчиков тока ДТ1, ДТ2 и первого и второго датчиков напряжения ДН1 и ДН2 подключены к пятому 5, восьмому 8, шестому 6 и седьмому 7 выводам системы управления соответственно. Управляющие цепи транзисторных ключей VT1, VT2, VT3, VT4 подключены к первому 1, второму 2, третьему 3 и четвертому 4 выводам системы управления. При этом система управления дополнительно содержит девятый вывод 9 для выбора режима работы источника «P», десятый 10 и одиннадцатый 11 выводы для задания амплитуды положительной и отрицательной полуволны «A+» и «A-» соответственно, двенадцатый 12 вывод для задания частоты выходного сигнала «Ч» и тринадцатый 13 вывод для задания формы выходного сигнала «Ф». Условно положительное направление тока на фиг.1 указано как Iн. На фигурах 2 и 3 приняты соответствующие обозначения: Iн - ток нагрузки, Uн - напряжение на нагрузке, t - текущее время; UyVT1 - импульсы управления транзистором VT1, UyVT2 - импульсы управления транзистором VT2, UyVT3 - импульсы управления транзистором VT3, UyVT4 - импульсы управления транзистором VT4. Система управления источником асимметричного тока или напряжения на фиг.4 состоит из микроконтроллера, имеющего тринадцать портов П1-П13, и четырех драйверов Д1, Д2, Д3 и Д4. При этом порты первый П1, второй П2, третий П3, четвертый П4, девятый П9, десятый П10 и одиннадцатый П11 содержат встроенные первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой аналогово-цифровые преобразователи соответственно и являются пятым, восьмым, шестым, седьмым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым выводами системы управления соответственно и образуют первый, четвертый, второй, третий, шестой, седьмой и восьмой входы системы управления соответственно. Пятый П5, шестой П6, восьмой П8 и седьмой П7 порты микроконтроллера подключены к первому Д1, второму Д2, третьему Д3 и четвертому Д4 драйверам соответственно, выходы которых являются первым, вторым, третьим и четвертым выводами и первым, вторым, третьим и четвертым выходами системы управления соответственно. Двенадцатый П12 и тринадцатый П13 порты микроконтроллера являются девятым и тринадцатым выводами системы управления и образуют пятый и девятый входы системы управления.
Работа устройства показана на примере конкретного выполнения. Источник асимметричного тока или напряжения, выполненный по схеме, приведенной на фиг.1, обеспечивает четыре режима работы: режим источника прямоугольного тока и режим источника синусоидального тока фиг.2, режим источника прямоугольного напряжения и режим источника синусоидального напряжения фиг.3. Режим работы источника асимметричного тока или напряжения и параметры выходного сигнала задаются с помощью соответствующих входов системы управления «Р», «А+», «А-», «Ч», «Ф» - фиг.1 и обеспечиваются системой управления, выполненной по схеме, приведенной на фиг.4.
В исходном состоянии через вывод 9 выбора режима работы системы управления СУ, сигналом «Р» выбирается один из четырех режимов работы источника тока или напряжения. После чего, через вывод 10 выбора амплитуды положительной полуволны системы управления СУ, сигналом «А+» задается амплитуда положительной полуволны (задающий сигнал). Затем сигналами «А-», «Ч», «Ф» через выводы 11, 12, 13 системы управления СУ задаются соответственно амплитуда отрицательной полуволны, частота выходного сигнала и его форма (задающие сигналы).
При работе источника в режиме прямоугольного тока (фиг.2а), осуществляется стабилизация положительной и отрицательной полуволн тока. Стабилизация положительной полуволны тока дросселя L1 осуществляется с помощью контура отрицательной обратной связи, реализованного программно, при этом выходной сигнал первого датчика тока ДТ1 сравнивается с задающим сигналом А+ и вырабатывается соответствующий выходной сигнал подаваемый через порт П5 и первый драйвер Д1 на первый вывод системы управления СУ и первый транзистор VT1. Форма этого сигнала (UyVT1) приведена на фиг.2а. При увеличении тока в дросселе L1 по какой-либо причине, длительность импульсов UyVT1 будет уменьшаться, а при уменьшении - возрастать, что обеспечит его стабилизацию с заданной точностью независимо от изменения сопротивления нагрузки Rн и напряжения источника питания Е1. Стабилизация отрицательной полуволны тока дросселя L2 осуществляется с помощью второго контура отрицательной обратной связи, также реализованного программно. При этом выходной сигнал второго датчика тока ДТ2 сравнивается с задающим сигналом А- и вырабатывается соответствующий выходной сигнал подаваемый через порт П8 и третий драйвер Д3 на третий вывод системы управления СУ и третий транзистор VT3. Форма этого сигнала (UyVT3) приведена на фиг.2а. Изменение длительности импульсов UyVT3 будет осуществляться аналогично, обеспечивая заданную точность тока отрицательной полуволны независимо от изменения сопротивления нагрузки Rн и напряжения источника питания Е2. При этом длительности импульсов UyVT4 и UyVT2 регулируются по задающему сигналу «Ч» и обеспечивают изменение частоты выходного сигнала в заданных пределах. При этом фронт нарастания и фронт спада тока нагрузки положительной полярности и тока нагрузки отрицательной полярности определяется только быстродействием транзисторов VT2 и VT4. Благодаря тому, что амплитуды положительной «А+» и отрицательной «А-» полуволн тока стабилизируются разными контурами обратной связи, реализованными программно, обеспечивается независимое регулирование амплитуд этих полуволн. При формировании положительной полуволны, транзистор VT4 включен, а транзистор VT2 выключен, при формировании отрицательной полуволны - наоборот транзистор VT2 включен, транзистор VT4 выключен. Это обеспечивается системой управления СУ через соответствующие порты П7 и П6, драйверы Д4 и Д2, выходы которых подключены к управляющим цепям транзисторов VT4 и VT2 соответственно. Соответствующие сигналы управления (UyVT4 и UyVT2) показаны на фиг.2а. При работе источника в режиме синусоидального тока (фиг.2б), осуществляется стабилизация положительной и отрицательной полуволн тока, включая стабилизацию формы этого тока. Стабилизация положительной полуволны тока дросселя L1, имеющего форму синусоиды, осуществляется с помощью контура отрицательной обратной связи, реализованного программно, при этом выходной сигнал первого датчика тока ДТ1 сравнивается с задающим сигналом А+, который в этом случае имеет также синусоидальную форму, и вырабатывается соответствующий выходной сигнал подаваемый через порт П5 и первый драйвер Д1 на первый вывод системы управления СУ и первый транзистор VT1. Форма этого сигнала (UyVT1) приведена на фиг.2б. При отклонении формы тока в дросселе L1 по какой-либо причине от синусоидальной, длительность импульсов UyVT1 будет изменяться, обеспечивая стабилизацию формы и амплитуды тока с заданной точностью независимо от изменения сопротивления нагрузки Rн и напряжения источника питания Е1.
Стабилизация отрицательной полуволны тока дросселя L2, имеющего форму синусоиды, осуществляется с помощью второго контура отрицательной обратной связи, также реализованного программно. При этом выходной сигнал второго датчика тока ДТ2 сравнивается с задающим сигналом А-, который в этом случае имеет также синусоидальную форму, и вырабатывается соответствующий выходной сигнал подаваемый через порт П8 и третий драйвер Д3 на третий вывод системы управления СУ и третий транзистор VT3. Форма этого сигнала (UyVT3) приведена на фиг.2б. При отклонении формы тока в дросселе L2 по какой-либо причине от синусоидальной, длительность импульсов UyVT3 будет изменяться, обеспечивая стабилизацию формы и амплитуды тока с заданной точностью независимо от изменения сопротивления нагрузки Rн и напряжения источника питания Е2. При этом длительности импульсов UyVT4 и UyVT2 (фиг.2б) регулируются по задающему сигналу «Ч» и обеспечивают изменение частоты выходного сигнала в заданных пределах, согласованной с частотой синусоидального сигнала. Благодаря тому, что в дросселях L1 и L2, с помощью разных контуров отрицательной обратной связи, реализованных программно, стабилизируется не только величина тока, но и его форма, обеспечивается уменьшение искажения формы выходного сигнала при изменениях напряжений входных источников Е1 и Е2 и сопротивления нагрузки Rн. При этом длительности импульсов UyVT4 и UyVT2 регулируются по задающему сигналу «Ч», согласованному с задающими сигналами «А+» и «А-», и обеспечивают изменение частоты выходного сигнала в заданных пределах. При формировании положительной полуволны, транзистор VT4 включен, а транзистор VT2 выключен, при формировании отрицательной полуволны - наоборот транзистор VT2 включен, транзистор VT4 выключен. Это обеспечивается системой управления СУ через соответствующие порты П7 и П6, драйверы Д4 и Д2, выходы которых подключены к управляющим цепям транзисторов VT4 и VT2 соответственно. Соответствующие сигналы управления (UyVT4 и UyVT2) показаны на фиг.2б.
При работе источника в режимах прямоугольного (фиг.3а) и синусоидального (фиг.3б) напряжений, осуществляется стабилизация положительной и отрицательной полуволн напряжения на нагрузке аналогично стабилизации токов в дросселях L1 и L2 (в режиме работы источника тока) с помощью контуров отрицательных обратных связей, обеспечиваемых первым и вторым ДН1 и ДН2 датчиками напряжения (фиг.1). Соответствующие импульсы управления UyVT1-UyVT4 (фиг.3а, б) формируются на тех же портах П5-П8 микроконтроллера системы управления СУ и через соответствующие драйвера Д1-Д4 поступают на управляющие цепи транзисторов VT1-VT4.
Приведенный пример выполнения источника асимметричного тока или напряжения не ограничивает другие возможные примеры реализации заявляемого источника и его блоков, например системы управления. Кроме того, форма выходного тока или напряжения может быть произвольной, реализованной, например, программно с помощью микроконтроллера.
Заявляемая полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована с помощью широко используемых полупроводниковых элементов, например биполярных транзисторах с изолированным затвором серии IRG4BC15UDPBF, диодах серии 10ETF12PBF. Система управления источника асимметричного тока или напряжения может быть выполнена на основе микроконтроллера STM32F100 и драйверов серии IR2120.