Повторитель сигнала переменного и постоянного напряжения
REPEATER OF ALTERNATING AND DIRECT VOLTAGE SIGNAL

Изобретение относится к электротехнике и основано на преобразовании энергии посредством метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Преимущественная область использования - радиоэлектронные устройства, такие как инверторы, генераторы сигналов любой формы, преобразователи частоты, усилители мощности звуковой частоты, приводы двигателей, источники бесперебойного питания (ИБП) с чистым синусом, источники переменного или постоянного напряжения, в том числе лабораторные, зарядные устройства, совмещенные устройства «Все в одном», такие как сварочник-инвертер-ИБП-источник постоянного тока - зарядное устройство.
Из уровня техники известен усилитель с электродинамическим преобразователем на выходе и с положительной обратной связью по току, при этом с целью уменьшения неравномерности частотной характеристики, цепь положительной обратной связи образована соединением эмиттера предоконечного каскада со средней точкой делителя, составленного из катушки преобразователя и последовательно соединенных индуктивности и активного резистора, величина сопротивления которых составляет равные части эквивалентных параметров катушки преобразователя (SU 472439 А1, опубл. 30.05.1975).
Из источника SU 1561171 А1, опубл. 30.04.1990, известен источник питания с бестрансформаторным входом, содержащий последовательно соединенные с входными выводами сетевой выпрямитель с реактивным элементом, параметрический стабилизатор, преобразователь постоянного напряжения в высокочастотное напряжение переменного тока, с гальванически разделенным выходом, а также высокочастотный выпрямитель дополнительного параметрического стабилизатора, подключенный к выходным выводам, причем с целью повышения эксплуатационной электробезопасности, в него введены два защитно-разделительных конденсатора, импульсный трансформатор, первичная обмотка которого через защитно-разделительные конденсаторы соединена с гальванически развязанным выходом преобразователя постоянного напряжения в высокочастотное напряжение переменного тока, а вторичная обмотка - с входом высокочастотного выпрямителя с дополнительным параметрическим стабилизатором.
В качестве наиболее близкого аналога выбран стабилизированный преобразователь напряжения с цифровыми микросхемами, известный из документа RU 2014713 C1, опубл. 15.06.1994.
Стабилизированный преобразователь напряжения с цифровыми микросхемами содержит генератор прямоугольного напряжения с противофазными выходами, двухтактный усилитель мощности с первым и вторым транзисторами, узел для исключения сквозных токов, устройство стабилизации, источник питания микросхем и выходной трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены к коллекторам соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности, вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходу преобразователя, а дополнительная обмотка трансформатора со средним выводом крайними выводами подключена к узлу для исключения сквозных токов, отличающийся тем, что с целью повышения КПД и получения нескольких стабильных напряжений, в него введены первый и второй буферные элементы с открытым коллектором, входы этих элементов подключены к выходам генератора прямоугольных напряжений, а выходы через первый и второй токоограничивающие резисторы - к базам соответственно первого и второго p-n-p-транзисторов усилителя мощности, узел для исключения сквозных токов выполнен на третьем и четвертом p-n-p-транзисторах, эмиттеры всех четырех транзисторов соединены со средним выводом дополнительной обмотки выходного трансформатора и с выходным выводом положительной полярности источника для питания микросхем, база третьего транзистора через третий и четвертый резисторы подключена соответственно к началу дополнительной обмотки выходного трансформатора и к выходу второго буферного элемента, база четвертого транзистора через пятый и шестой резисторы - соответственно к концу дополнительной обмотки и к выходу первого буферного элемента, коллекторы третьего и четвертого транзисторов соединены с базами первого и второго транзисторов усилителя мощности, выход устройства стабилизации, который выполнен в виде регулируемого формирователя напряжения отрицательной полярности, подключен к среднему выводу первичной обмотки выходного трансформатора, а вторичная обмотка этого трансформатора снабжена отводами, подключенными к выпрямителям сообразно числу требуемых выходных напряжений, и выход одного из выпрямителей по цепи обратной связи подключен к управляющему входу устройства стабилизации. RU 2014713 C1, 15.06.1994.
Технической проблемой является отсутствие возможности придать необходимую форму выходного сигнала при различных режимах работы.
Технический результат заявленного изобретения заключается в его способности повторять на выходе любую форму и частоту входного сигнала, в том числе положительное или отрицательное напряжение, что позволяет усилить сигналы звуковой частоты.
Технический результат достигается при реализации повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения, характеризуемый тем, что содержит источник сигнала с входными клеммами XS1.1 и XS1.2, формирователь полярности DA2.1, операционные усилители DA1.1 и DA1.2, положительный А2 и отрицательный А3 ключи, фильтр подавления помех, активный резистор, трансформатор с первичной 1 и вторичными 2 и 3 обмотками и микросхему IC1, соединенную с резистором R7 и конденсатором C48, импульсы с которых поступают на усилитель, через силовые транзисторы VT1-VT4, которые подключены к первичной обмотке 1 трансформатора Т1, при этом источник сигнала соединен через входную клемму XS1.1 и резистор R116 с формирователем полярности DA2.1, который формирует на выходе положительное либо отрицательное напряжение, при положительном напряжении открывается положительный ключ А2 и энергия, выпрямленная со вторичной обмотки 2 трансформатора Т1, поступит на сглаживающие конденсаторы С17, С18, С19, причем полученное напряжение на сглаживающих конденсаторах С17, С18 и С19 выпрямляется диодным мостом VDS3 и поступает на не инвертирующий вход 3 операционного усилителя DA1.1, служащий цепью обратной связи, образованной резисторами R115, R100, R101, R102, R103, при превышении напряжения на инвертирующем входе 2 операционного усилителя DA1.1 на выходе 1 операционного усилителя DA1.1 сформируется положительное напряжение, которое через резистор R104 и диод VD6 поступает на вход 4 микросхемы IC1, при отрицательном напряжении на входной клемме XS1.1 и положительном на входной клемме XS1.2 источника сигнала на выходе формирователя полярности DA2.1 формируется отрицательное напряжение, которое закроет положительный ключ А2, а отрицательный ключ А3 откроет, и энергия со вторичной обмотки 3 трансформатора Т1 поступит на сглаживающие конденсаторы С17, С18, С19, при переменном напряжении на входе клемм XS1.1- XS1.2 источника питания, включается в работу активный резистор.
Нагрузка подключается к сглаживающим конденсаторам через фильтр подавления помех.
Резистор R101 является переменным резистором для подстройки выходного напряжения.
Сигнал обратной связи, поступающий на инвертирующий вход 2 операционного усилителя DA1.1 поступает с источника сигнала через диодный мост VDS5 и резистор R114 для стабилизации выходного напряжения преобразователя любой полярности и формы.
Для придания формы выходного сигнала участвует активный резистор (VDS3, R106, VT20, DA1.2).
Повторитель сигнала переменного и постоянного напряжения способен менять полярность постоянного напряжения на выходе, а также повторять и усиливать переменное напряжение любой формы.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения; на фиг.2 функциональная схема повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения.
Принцип работы повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения основан на преобразовании энергии посредством метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
На фиг.1, представлена принципиальная электрическая схема повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения, на которой в качестве контроллера ШИМ используется микросхема IC1 (LM2596T). На выводе 2 этой микросхемы формируются прямоугольные импульсы, которые через резистор R7 и конденсатор C48 поступают на усилитель, собранный на транзисторах VT18 и VT19. Усиленные по току прямоугольные импульсы служат для управления силовыми транзисторами VT1-VT4 подключенные к первичной обмотке 1 трансформатора Т1. Энергия, преобразованная с трансформатора Т1, снимается со вторичных обмоток 2 и 3, причем с обмотки 2 снимается положительные импульсы, а с обмотки 3 - отрицательные. Положительные импульсы тока выпрямляются диодом VD7, конденсатором C13, положительным ключом A2, а отрицательные диодом VD8, конденсатором C14, отрицательным ключом A3.
В зависимости от поступающего внешнего сигнала на клемму XS1 источника сигнала, формирователь полярности DA2.1 формирует на выходе положительное либо отрицательное напряжение, это напряжение усиливается транзисторами VT21 и VT22 и включает светодиод оптопар U1.1 и U2.1. Фототранзистор положительной оптопары U1.2 открывается при положительном напряжении формируемым формирователем полярности DA2.1, а фототранзистор отрицательной оптопары U2.1 открывается при отрицательном напряжении.
A2 и A3 являются ключами открывающимися оптопарой, для положительного ключа А2 собранного на транзисторах VT27, VT23, VT24, резисторах R121, R122 открывает оптопара U1.2, для отрицательного ключа А3 собранного на транзисторах VT28, VT25, VT26, резисторах R123, R124 открывает оптопара U2.2.
На входную клемму XS1.1 источника сигнала поступил положительный потенциал напряжения, а на XS1.2 отрицательный. Положительное напряжение приведет к формированию положительного напряжения, относительно общего провода, на выходе формирователя полярности DA2.1 и открыванию фототранзистора оптопары U1.2, оптопара откроет положительный ключ на транзисторе VT27, и энергия, выпрямленная с вторичной обмотки 2 трансформатора Т1, поступит на сглаживающие конденсаторы С17, С18, С19 через цепочку диода VD7, конденсатора C13, положительного ключа A2. Полученное напряжение на сглаживающих конденсаторах С17, С18 и С19 выпрямляется диодным мостом VDS3 и положительное напряжение поступает на не инвертирующий вход 3 операционного устройства DA1.1 служащего цепью обратной связи через резисторы R115, R100, R101, R102 (где R101 - переменный резистор для подстройки выходного напряжения), R103 вход 3 операционного устройства DA1.1.
Установкой напряжения для операционного устройства DA1.1 служит инвертирующий вход 2 операционного устройства. Сигнал на него поступает с источника сигнала через диодный мост VDS5 и резистор R114. Как только напряжение на входе 3 превысит напряжения на входе 2 операционного устройства DA1.1, на выходе 1 операционного устройства DA1.1 сформируется положительное напряжение, которое через резистор R104 и диод VD6 поступает на вход 4 микросхемы ШИМ IC1, при этом микросхема IC1 уменьшает длительность импульсов с вывода 2. Таким образом напряжение на сглаживающих конденсаторах стабилизируется до требуемого уровня. Нагрузка подключается к сглаживающим конденсаторам через фильтр подавления помех.
Аналогичная работа схемы при наличии отрицательного напряжения на входную клемму XS1:1 источника сигнала, за исключением следующего, на выходе формирователь полярности DA2.1 сформируется отрицательное напряжение относительно общего провода, которое закроет положительный ключ, а отрицательный ключ откроет и энергия, запасенная во вторичной обмотке 3 трансформатора Т1 через диод VD8, конденсатор C14 и отрицательный ключ A3 поступит на сглаживающие конденсаторы С17, С18, С19. Далее принцип работы аналогично вышеописанному.
Следует отметить, что при возникновении положительного напряжения на входной клемме XS1:1 источника сигнала на выходе устройство так же сформирует положительное напряжение на клемме фильтра подавления помех XS2.1, на клемме фильтра подавления помех XS2:2 отрицательное напряжение, если на входную клемму источника сигнала XS1:1 подать отрицательное напряжение, то на выходе так же сформируется отрицательное напряжение на клемме фильтра подавления помех XS2:1 минус, на клемме фильтра подавления помех XS2:2 -положительное.
В случае подачи переменного напряжения на входе клеммы источника сигнала XS1.1 операционное устройство DA1.1 и формирователь полярности DA2.1 работают аналогично описанному выше. Дополнительно включается в работу «Активный резистор», собранный на транзисторе VT20, операционном устройстве DA1.2 с обратной связью и резисторе R106. Операционное устройство DA1.2 сравнивает напряжение установки по не инвертирующему входу 6 с напряжением обратной связи, т.е. напряжение на выходе повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения, через цепочку, состоящую из диода VDS3, резисторов R115, R100, R101, R102, R108 и, если напряжение на выводе 5 операционного устройства DA1.2 больше чем на входе 6, то операционное устройство формирует на выходе 7 положительное напряжение, которое поступает на транзистор VT20 через резистор R112 и открывает его.
Ток, протекающий через транзистор VT20, резистор R106 и диодный мост VDS3 срезает излишки напряжения на сглаживающих конденсаторах С17, С18, С19 придает форму напряжения на выходе устройства фильтра подавления помех аналогично входному, но усиленному по мощности. Без «Активного резистора» выходной сигнал будет больше похож на неправильный меандр, особенно в отсутствии нагрузки.
Положительный А2 и отрицательный А3 ключ питаются от независимого гальванически развязанного источника постоянного напряжения, A4 для положительного ключа и A5 - для отрицательного.
Формирователь полярности питается от двухполярного источника напряжения А6±12 В. Источники постоянного напряжения A4, A5, A6, операционные устройства DA1.1 и DA1.2, питаются от стабилизатора VR4. Стабилизатор VR4 запитан от повышающего стабилизатора напряжения A1.
Трансформатор T2, диодный мост VDS2, конденсаторы C52, C51, С 50 резисторы R8, R84, диод VD35 служат для формирования напряжения короткого замыкания или перегрузки. Это напряжение через диод VD35 поступает на вход 4 микросхемы ШИМ IC1, микросхема IC1 при этом снижает длительность импульсов на выходе, уменьшая суммарный ток перегрузки или короткого замыкания.
Внешний сигнал должен иметь низкое выходное сопротивление или подключатся к клеммам источника питания XS1:1 и XS1:2 через разделительный трансформатор, при этом не допускается проникновения сигнала на общий минусовой провод устройства.
Диоды VD30, VD31, резистор R6, конденсатор C49 и диоды VD1, VD29, резисторы R5, R6, конденсаторы C5, C46, C47 служат демпфером защиты от перенапряжения для транзисторов VT1-VT4.
Для наглядности на фиг.2 представлена функциональная схема повторителя сигнала переменного и постоянного напряжения, на которой проставлены соответствующие позиции:
1 - преобразователь напряжения
2 - выпрямитель
3 - ШИМ контроллер
4 - положительный и отрицательный ключ
5 - конденсаторы сглаживающие
6 - усилитель обратной связи
7 - источник сигнала любой формы
8 - формирователь полярности
9 - активный резистор
10 - фильтр подавления помех
11 - нагрузка.