Керований реактивний елемент електричних кіл

Реферат: Винахід належить до конструктивних складових електричних і електронних кіл із постійними активними і реактивними елементами, електричні властивості яких можна змінювати в широких межах за рахунок керуючих впливів. Керований реактивний елемент електричних кіл за рахунок включення джерела напруги, керованого напругою, прикладеною до реактивного елемента дозволяє досягти зміни значення реактивного параметра елемента в широких межах, включаючи від’ємні значення, що дозволяє створювати нові схеми настройки резонансних контурів, резонаторів, генераторів синусоїдальних коливань та інших електричних і електронних пристроїв, зокрема електричних моделюючих середовищ. UA 109121 C2 (12) UA 109121 C2 UA 109121 C2 5 10 15 20 25 30 35 У багатьох електричних і електронних пристроях використовуються реактивні елементи конденсатори і котушки індуктивності із жорстко заданими параметрами - ємністю С0 і індуктивністю L0 відповідно. Однак, у деяких випадках їх необхідно змінювати (наприклад, при настройці резонансної частоти коливального контуру). Як правило, у реактивних елементів із змінними параметрами ця зміна досягається застосуванням механічних засобів як, наприклад, для конденсатора змінної ємності [1, 122-124]. Відомий спосіб керування в незначних межах ємністю варикапа за допомогою зворотної напруги, прикладеної до його р-n переходу [2, 49-53]. У котушок індуктивності без сердечника індуктивність змінюється шляхом зміни "активної" кількості витків [1, 146]. У реактивних елементів, що мають постійні параметри їх зміна не передбачена. Саме ці елементи взято за прототип. Відсутність керованих реактивних елементів є суттєвою прогалиною в сучасній електроніці, і створює певні труднощі при побудові електричних моделюючих середовищ. Задачею передбачуваного винаходу є створення реактивних елементів СК і LK, параметри яких - ємність і індуктивність відповідно, залежать від керуючої величини К. Поставлена задача досягається тим, що послідовно з реактивним елементом, що має постійний параметр, включено джерело напруги, кероване напругою, яка прикладена до реактивного елемента, із коефіцієнтом керування, який може змінюватись в широких межах і набувати як додатного, так і від'ємного значення. Схема, що складається із послідовно з'єднаних реактивного елемента (РЕ) з постійним параметром і джерела напруги керованої напругою (ДНКН) із коефіцієнтом керування К, показана на фіг. 1. До точок 1-2 з'єднання прикладена напруга u. Тут і далі буквами u та і позначено миттєві значення напруг і струмів відповідно. Схема дозволяє шляхом зміни коефіцієнта керування К=Uдж/Uвх при незмінних вихідних параметрах реактивних елементів L 0 або С0 досягати потрібного значення відповідно LK або СК всього з'єднання. Схема містить РЕ (конденсатор або котушку індуктивності). Напруга uдж, яка створюється ДНКН, керується напругою, що виникає на РЕ, і, оскільки опір джерела незначний (передбачається, що ДНКН - ідеальне), напруга керування дорівнюватиме напрузі, прикладеної до з'єднання (uвх=u). Таким чином, із урахуванням коефіцієнта керування К, uдж=Кu. Напрямок напруги uдж протилежний напрузі u. Покажемо, що схема фіг. 1 дозволяє управляти величиною реактивного параметра відносно точок 1-2 електричного кола. Для схеми фіг. 1 справедливо співвідношення: u-uPE-Ku=0. (1) Звідки напруга, яка безпосередньо утвориться на РЕ визначатиметься виразом: uPE=u(1-K). (2) Застосуємо схему фіг. 1 і отриманий результат (2) до конкретних елементів C 0 і L0. 1. Як реактивний елемент взято постійний конденсатор із незмінною ємністю C 0. Для РЕ схеми фіг. 1 можна записати закон Ома i0  C0 40 С0duPE=і0dt, де і0 - струм при К=0. (3) При К≠0 вираз (3) із урахуванням (2) матиме вид: C0du(1-K)=i0dt. (4) Звідки: du  45 i0 i0 . (5) dt або du  iK  dt , де iK  C0 1  K  C0 1  K  Позначимо: СК=С0(1-К). (6) Тоді: iK  50 duPE або: dt i0 . (7) CK Вираз (6) показує, що змінюючи коефіцієнт керування К можна керувати ємністю нового елемента СК, утвореного послідовним з'єднанням звичайної постійної ємності С 0 і ДНКН. Графік залежності СК від К показаний на фіг. 2. Як видно із графіку, ємність СК при К>1 від'ємна. Таким чином, набуває значення поняття "від'ємної ємності". 2. Як реактивний елемент взято котушку індуктивності із постійною індуктивністю L 0. 1 UA 109121 C2 Для схеми фіг. 1 при К=0 можна записати закон Ома L0di0=uPEdt. (9) При К≠0: L0di0=u(1-K)dt або: 5 10 20 Вираз (10) показує, що змінюючи коефіцієнт керування К можна керувати величиною індуктивності нового елемента LK, утвореного послідовним з'єднанням звичайної постійної індуктивністю L0 і ДНКН. Графік залежності LK від К показаний на фіг. 3. Як видно із графіку індуктивність LK при К>1 від'ємна. Таким чином, набуває значення поняття "від'ємної індуктивності". 3. Якщо як керований елемент взяти резистор із опором r0, то ur=u(1-K). При К=0 ur=u і струм в резисторі і0=u/r0; при К≠0 струм в резисторі дорівнюватиме 1  K   u  1  K   i rK  30 35 40 45 r0 0  u u  . Звідки: r0 rK 1 K r0 . (11) 1 K Вираз (11) збігається із результатом, отриманим раніше в [3]. Наведемо приклад використання СК при зміні резонансних характеристик послідовного контуру, що складається із L0 і СК. Нехай маємо послідовний коливальний контур із елементами L 0 і СК. Крім того, коливальний контур містить ще і активний опір, який компенсується таким же від'ємним активним опором так, що загальний активний опір контуру дорівнює нулю [4]. Отже, зазначений коливальний контур уявляється ідеальним. Його резонансна частота визначається за виразом: f0  25 di0 або: dt L0 di0  u  dt  LK  di0  u  dt , де: 1 K L LK  0 . (10) 1 K iK  15 uPE  L0 1 . (12) 2 L0C0 Якщо в (12) підставити замість ємності C0 ємність СК, то можна регулювати частоту f 0. На фіг. 4 показано послідовний ідеальний резонансний контур, у якому використана керована ємність СК при К=0,5, а на фіг. 5 - осцилограма утворених коливань. Параметри елементів контуру: С0=1 мФ; L0=1 Гн. З урахуванням ефекту, який створює ДНКН (6) СК=С 0(1К)=0,5 мФ. Утворені параметри контуру забезпечують згідно (12) частоту коливань 7,118 Гц або період коливань Т=0,14 сек. Це підтверджується показаннями осцилографу як показник (Т2Т1)=140 ms. На фіг. 6 показано такий же контур, у якому використана керована ємність СК при К=-2, а на фіг. 7 - осцилограма утворених коливань. З урахуванням ефекту, який створює ДНКН (6), СК=С0(1-К)=3 мФ. Утворені параметри контуру забезпечують згідно (12) частоту коливань 2,9 Гц або період коливань Т=0,344 сек. Це підтверджується показаннями осцилографу як показник (Т2-Т1)=345 ms. Розбіжність пояснюється дискретністю встановлення положення маркерів на осцилограмі. Наведений приклад доводить роботоздатність передбачуваного винаходу. Джерела інформації: 1. Терещук P.M. Справочник радиолюбителя. - К.: Изд-во "Техніка", 1965. - 1160 с. 2. Уве Наундорф. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование. - М.: Техносфера, 2008. - 472 с. 3. Патент на корисну модель № 59292, Україна, МПК G06G 7/100, Карандаков Г.В., Кривенко В.І., від 10.05.2011, Бюл. № 9, 2011 p. 4. Патент на корисну модель № 68733, Україна, МПК Н03В 7/00, Карандаков Г.В., Кривенко В.І., від 10.04.2012, Бюл. № 7, 2012 р. 2 UA 109121 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Керований реактивний елемент електричних кіл, що складається із реактивного елемента з постійним параметром, який відрізняється тим, що послідовно з реактивним елементом, який має постійний параметр, включено джерело напруги, кероване напругою, прикладеною до реактивного елемента, виконане з можливістю зміни коефіцієнта керування. 3 UA 109121 C2 4 UA 109121 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5