CZ9600178A3 - Způsob napájení elektrické zátěľe a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Description

Způsob napájení elektrické zátěže a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu napájení elektrické zátěže, která má předem stanovené jmenovité napětí, tím, že do elektrické zátěže se přivádí sled jehlovitých impulsů. Vynález se dále týká zařízení pro napájení elektrické zátěže, která má předem stanovené jmenovité napětí, se vstupem pro připojení na zdroj napájecího napětí a s výstupem pro připojení k elektrické zátěži, a se zařízením pro vytváření jehlovitých impulsů, které dodává na výstup připojený k elektrické zátěži sled jehlovitých impulsů.

Dosavadní stav techniky

V nej jednodušším případě sestává takové zařízení z mechanického spínače k uzavření proudového obvodu, který spojuje zdroj napájecího napětí, například baterii nebo proudovou sít, se zátěží. Zátěží může být obvykle žárovka. V proudovém obvodu může být ještě uspořádána pojistka proti přetížení.

Zvláštními technickými opatřeními je možno zátěž napájet větším nebo menším množstvím energie, aby bylo možno například regulovat jasnost žárovky od 0 % do 100 %. Tato regulace se provádí například pomocí potenciometru. V současné době je velmi rozšířená takzvaná regulace oddělování fází prostřednictvím tyristorů nebo triaků, což jsou obousměrné triodové tyristory, které každou půlvlnu střídavého napětí spojují se zátěží ve zpožděném volitelném okamžiku.

Napájení elektrické zátěže stejnosměrným proudem a napájení elektrické zátěže střídavým proudem má vždy výhody a nevýhody. Zvláště u žárovek a jiných osvětlovacích těles byly prováděny pokusy zlepšením účinnosti dosáhnout zvýšeného světelného výtěžku (při daném elektrickém výkonu).

Pro napájení elektrických zátěží je zejména i u krokových motorů nebo podobně známé přivádět do zátěže napájecí napětí ve formě impulsů, přičemž činitel zaplnění sledu impulsů, to znamená poměr šířky impulsů k mezeře mezi impulsy, určuje výkon přiváděný do zátěže v rozsahu od 0 % do 100 %. v extrémním případě tohoto impulsovitého napájení se do zátěže přivádí pouze stejnosměrný proud. Šířka impulsů je potom 100 %, mezera mezi impulsy však 0 %, což odpovídá činiteli zaplnění (impuls/mezera) o hodnotě nekonečno. Amplituda napětí napěťových impulsů musí přitom vždy odpovídat jmenovitému napětí zátěže.

Úkolem vynálezu je při napájení elektrické zátěže dosáhnout podstatně vyšší účinnosti ve srovnání s dosavadním stavem techniky, a to zejména u ohmických zátěží, například žárovek, avšak i u pouze nebo převážně indukčních nebo kapacitních zátěží, které mají horší účinnost, pro dosažení lepšího využití elektrické energie.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob napájení elektrické zátěže, která má předem stanovené jmenovité napětí, tím, že do elektrické zátěže se přivádí sled jehlovítých impulsů, podle vynálezu, jehož podstatou je, že amplituda napětí jehlovítých impulsů je větší než jmenovité napětí alespoň l,7krát, avšak nejvýše o násobek druhé odmocniny z šířky mezery mezi impulsy dělené šířkou impulsů”.

2aUvedený úkol dále splňuje zařízení pro napájení elektrické zátěže, která má předem stanovené jmenovité napětí, se vstupem pro připojení na zdroj napájecího napětí a s výstupem pro připojení k elektrické zátěži, a se zařízením pro vytváření jehlovítých impulsů, které dodává na výstup připojený k elektrické zátěži sled jehlovitých impulsů, podle vynálezu, jehož podstatou je, že zařízení pro vytváření jehlovitých impulsů je vytvořeno s elektronickým obvodem, který obsahuje kondenzátor nabíjený ze zdroje stálého proudu, dělič napětí, tvořený dvěma odpory, pro vytváření referenčního napětí, tranzistor s jedním přechodem, připojený k referenčnímu napětí a k napětí kondenzátorů, a koncový tranzistor, který je připojen k tranzistoru s jedním přechodem a ke kondenzátorů.

Zařízení pro vytváření jehlovitých impulsů přivádí na výstup připojený k zátěži sled jehlovitých impulsů.

V ideálním případě jsou tyto jehlovité impulsy Diracovými impulsy, to znamená impulsy s extrémně velkou amplitudou a extrémně malou, avšak stabilní, šířkou.

Amplituda jehlovitých impulsů přiváděných do zátěže je omezena elektronickými prostředky pro vytváření impulsů, které jsou momentálně k dispozici. Elektronickými prostředky, které jsou v současné době k dispozici, je možno uskutečnit šířku impulsů řádové 100 nanosekund. Proto je možno pracovat s velmi vysokými napětími, která jsou o určitý faktor v rozsahu jednoho nebo dvou řádů vyšší než jmenovité napětí zátěže.

U stejnosměrného proudového obvodu je nutno zajistit to, aby napájecí napětí přiváděné do zátěže nebylo v žádném případě vyšší než jmenovité napětí. Je ovšem známé, že existuje jednak téměř přímo úměrná závislost mezi podíly napájecího napětí a jmenovitého napětí a jednak mezi účinností spotřebiče (= jasnost žárovky) a dobou životnosti spotřebiče. Napájí-li se například žárovka se jmenovitým napětím 100 voltů napětím o hodnotě 90 nebo dokonce 80 voltů, zhorší se účinnost, to znamená, že bude podstatně horší světelný výtěžek. Zvýší-li se napájecí napětí naopak na 110 nebo 120 voltů, bude účinnost vyšší, to znamená v daném příkladu vyšší světelný výtěžek, přičemž se však příslušně zkrátí doba životnosti. Je-li napájecí napětí podstatně vyšší než jmenovité napětí, například o faktor 1,5, dojde v krátké době ke zničení zátěže.

Opatřením podle vynálezu se doba životnosti zátěže v žádném případě negativně neovlivní, spíše se ještě prodlouží. Tím, že jehlovité impulsy přiváděné do zátěže mají extrémně malou šířku, se zátěž nezničí, a to i tehdy, když napětí impulsů bude několikrát vyšší než jmenovité napětí zátěže.

Součinitel zaplnění jehlovitých impulsů činí u zařízení podle vynálezu nejvýše 0,3, což odpovídá poměru šířky impulsů k mezeře mezi impulsy, například 3 až 10.

Ukázalo se, že při napájení žárovky je možno dosáhnout například stejného světelného výtěžku tehdy, když se místo obvyklého střídavého napětí přivádějí podle vynálezu jehlovité impulsy, které mají ve srovnání se jmenovitým napětím žárovky několikrát vyšší amplitudu napětí, a spotřebovaný elektrický výkon činí pouze zlomek dřívějšího spotřebovaného výkonu.

Pozoruje-li se spektrum Diracových impulsů, ukáže se velký počet harmonických. Veškeré komponenty se spotřebují v elektrické zátěži. Zvláště u zátěží, které jsou pouze indukční nebo obsahují indukční komponenty, se k zátěži připojí antiparalelně dioda. Tím se dosáhne toho, že možná reakční energie se vede zpět do zátěže.

Podle vynálezu mají jehlovité impulsy konstantní šířku, avšak přitom jsou současně extrémně úzké při relativně velké amplitudě napětí. V každém případě se jedná o impulsy stejnosměrného proudu, to znamená o impulsy stejné polarity.

Regulace aktivování zátěže se potom provádí jednoduše příslušným prodloužením mezer mezi impulsy. U největšího možného výkonu zátěže se činitel zaplnění (šířka impulsů/mezera mezi impulsy) nastaví na největší možnou hodnotu, zde 0,3. Odpovídající poměr amplitudy napájecího napětí ke jmenovitému napětí potom činí asi 1,7 (druhá odmocnina ze 3). U poměrů napětí (amplituda impulsů/jmenovité napětí zatížení) s menší hodnotou se již nedosáhne dobrého účinku, i když se ještě dosáhne lepšího využití energie ve srovnání s dosavadním stavem techniky, čím větší je poměr amplitudy impulsů ke jmenovitému napětí zátěže, tím lepší je dosažený účinek. S výhodou jsou poměry napětí vyšší než 1,7, zejména hodnota vyšší než 3, a zvlášť výhodné hodnoty jsou vyšší než 5. Jmenovité napětí zátěže by nemělo být menší než amplituda jehlovitých impulsů, dělená druhou odmocninou mezery mezi impulsy, normované na šířku impulsů (UZ_nenn > UB/SQR (tp/tj)).

Aby bylo možno dosáhnout vysoké rychlosti sepnutí i u krátkých impulsů, je nutno pracovat s elektronickými spínači. Podle vynálezu je proto mezi vstupem a výstupem zařízení upraven elektronický rychlospínač. V úvahu připadají například tranzistory řízené polem (tranzistory FET) nebo bipolární tranzistory. Při použití tranzistorů FET jako rychlospínačů se provede aktivování s přesné stanoveným napětím. Použije-li se bipolární tranzistor, provede se proudové aktivování, aby byl zohledněn vysokoohmický vstupní odpor tranzistoru FET, respektive nízkoohmický vstupní odpor bipolárního tranzistoru, a aby bylo dosaženo vysoké rychlosti spínání.

Použití jehlovitých impulsů vyšší amplitudy napětí znamená, že je nutno provést opatření, aby se zabránilo škodlivému vlivu na okolí a zejména na zdroj napájecího napětí. Podle vynálezu je vstup zařízení spojen s LC filtrem. Tento filtr propouštějící nízké kmitočty umožňuje přípravu energie pro jehlovité impulsy a zajištuje jejich stabilitu, přičemž však brání zpětnému působení na zdroj napětí.

Zpětnému toku energie ze zátěže ve směru do zdroje napájecího napětí se zabrání zejména blokovací diodou, předřazenou výstupu ze zařízení.

Amplituda napětí jehlovitých impulsů přiváděných do zátěže souvisí s činitelem zaplnění sledu jehlovitých impulsů. Podle vynálezu je hodnota jmenovitého napětí výpočetně ve spojení s amplitudou napětí jehlovitých impulsů pomocí druhé odmocniny činitele zaplnění. U činitele zaplnění tj : tp rovnajícího se 1 : 10 a u předem stanoveného jmenovitého napětí nemůže amplituda napětí jehlovitých impulsů být větší než zhruba trojnásobek jmenovitého napětí. U předem stanovené výšky napětových impulsů (napětí baterie) může být jmenovité napětí tedy menší než napětí baterie nejvýše o faktor odpovídající druhé odmocnině činitele zaplnění. Tato podmínka byla stanovena za předpokladu, že zátěž přijímá sice mnohem vyšší výkon než činí jmenovitý výkon, avšak přitom má přijímat tutéž energii, jako obvykle.

U zvláštního použití výše popsaného principu aktivování zátěže se podle vynálezu jedná o zátěž ve formě elektronické sirény.

Elektronické sirény jsou známé. Elektroakustický měnič (reproduktor) se pomocí modulačního stupně aktivuje koncovým stupněm zesilovače. Způsob činnosti této známé elektronické sirény je v zásadě analogický. Dosáhne-li se obvykle požadovaného zesílení (například 115 dB ve vzdálenosti 32 m), je nutno do měniče přivést značný výkon. Je zapotřebí provést přizpůsobení charakteristické výstupní impedance koncového stupně zesilovače na impedanci zátěže. To znamená značné ztráty.

Podle vynálezu má elektronická siréna generátor jehlovitých impulsů, který prostřednictvím elektronického spínače koncového stupně spojuje elektroakustický měnič se zdrojem napětí, zejména baterií.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje principiální schéma zapojení zařízení k napájení elektrické zátěže, obr. 2 impulsový diagram reálného jehlovítého impulsu, který je podobný ideálnímu Diracově jehlovitému impulsu, obr. 3 sled jehlovitých impulsů, obr. 4 principiální schéma zapojení zařízení k napájení elektrické zátěže, znázorněného na obr. 1 pouze schematicky, obr. 5 detailní skicu zapojení generátoru reálných jehlovitých impulsů (NIG), znázorněného na obr. 4 jako blok, obr. 6 zapojení k napájení žárovky ze zdroje střídavého napětí pomocí usměrňovače (obvyklého), popřípadě generátoru NIG jehlovitých impulsů (podle vynálezu), obr. 7 srovnání tvarů signálů a spektrogramů ideálního harmonického kmitání a čtyř různých impulsů, z nichž impulsy, znázorněné ve dvou nejhořejších řadách (obr. 7 (A) a 7 (Β)), odpovídají výhodným jehlovitým impulsům (Ni), a impulsy podle obr. 7 (C) a 7 (D) jsou ještě použitelné jako jehlovité impulsy, obr. 8 schematické zobrazení typického toku energie ze zdroje energie přes zátěž, které v zásadě ukazuje různou účinnost každé ze tří zátěží, a obr. 9 blokové schéma napájení elektronické sirény.

Příklady provedení vynálezu

Jak je znázorněno na obr. 1, je na zdroj 2 napětí, to jest napětí UB baterie, připojena zátěž L, která má jmenovité napětí UZ_ncnn. přes spínací zařízení 6.

Zdrojem 2 napětí může být baterie nebo obvyklé usměrňovači zařízení, které ze sítě střídavého napětí o hodnotě například 220 V pomocí transformátoru, usměrňovače a vyhlazovacího kondenzátoru dodává stejnosměrné napětí UB.

Zátěží L může být v tomto případě zejména ohmická zátěž

L, zvláště elektrická žárovka. Popsané příklady provedení jsou vhodné rovněž pro indukční a kapacitní zátěže nebo komplexní zátěže, to jest zátěže se smíšenými ohmickými, indukčními a kapacitními elementy. Zvláštní použití však vynález má u ohmických, indukčních a kapacitních zátěží s nízkou účinností, jako jsou žárovky, elektroakustické a piezoakustické měniče a podobně.

Jako příklad pro použití u elektroakustického měniče jako zátěže bude dále popsána elektronická siréna. Tato elektronická siréna je dobrým příkladem pro vynikající využití energie.

Jak je znázorněno na obr. 1, je napětí UB baterie několikrát větší než jmenovité napětí VZ_nenn zátěže L.

Ve spínacím zařízení 6 se z napětí UB baterie prostřednictvím dalších, dále blíže objasněných, technických opatření, vytváří sled jehlovitých impulsů, podobných Diracovým impulsům, přičemž amplituda napětí jednotlivých impulsů odpovídá napětí UB baterie a činitel zaplnění {šířka impulsů/mezera mezi impulsy) je nastavitelný a není vyšší než 0,3.

Jak je znázorněno na obr. 3, mají zde znázorněné jehlovité impulsy amplitudu odpovídající napětí UB baterie, které je o faktor 4 větší než jmenovité napětí UZ_nenn zátěže L. Šířka tj impulsů k mezeře t_p je u znázorněného příkladu přibližně v poměru 1 impulsů činí T, kromě nerovnost To > T. Toho zapojení.

; 16. Perioda kmitů jednotlivých první periody To, pro kterou platí se dosáhne technickým provedením

Na obr. 2 je ve zvětšeném měřítku znázorněn jediný stabilní jehlovitý impuls. Tento jehlovitý impuls představuje přiblížení k (ideálnímu) Diracově impulsu. Vlastní celkovou dobu impulsu představuje šířka tj impulsu. Tato šířka tj impulsu zahrnuje dobu t_L vzestupu o délce menší než 100 nanosekund, prodlevu t_D o délce asi 100 (nejvýše 200) nanosekund, a dobu t_T poklesu o délce menší než 500 nanosekund. Napětí UB baterie je v rozsahu od 10 do 1000 V.

Na obr. 4 je podrobně znázorněno spínací zařízení 6, které je zobrazeno na obr. 1 pouze schematicky. Vlevo je znázorněn vstup spínacího zařízení 6, na který je připojeno napětí UB baterie, vpravo na obr. 4 je znázorněný výstup, k němuž je připojeno zátěž L, která má jmenovité napětí UZ_ncnn Na vstup spínacího zařízení 6 je připojen LC filtr sestávající z cívky 62 a kondenzátoru 64.

Elektronický spínač 66, zde vytvořený jako samočinně blokující tranzistor FET, je na svém hradlovém vývodu G aktivován generátorem NIG 68 jehlovitých impulsů přesně stanoveným napětím. Přes přípojku signalizuje elektronický spínač 66 generátoru NIG 68 stav zapnuto nebo vypnuto. Antiparalelně k zátěži L je na výstup připojena dioda D2. Mezi výstupem a elektronickým spínačem 66 je uspořádána blokovací dioda Dl pro blokování zpětného proudu.

Na generátor NIG 68 je v sérii s hlavním spínačem HS připojen potenciometr 70., pomocí něhož je možno nastavit délku mezery mezi impulsy z minimální hodnoty až na nekonečno. Nekonečně dlouhá mezera mezi impulsy se nastaví otevřením hlavního spínače HS, což odpovídá vypnutí generátoru NIG 68. Další, zde pro zjednodušení neznázorněné, nastavovací elementy umožňují ještě nastavení šířky impulsů, zablokování a odblokování generátoru NIG 68, vnější synchronizaci a modulací impulsů a, odděleně, mezeru mezi impulsy.

Provozní proud z generátoru NIG 68 je podle obr. 4 veden spojením mezi vývodem S tranzistoru FET elektronického spínače a generátorem NIG 68, a spojením mezi generátorem NIG 68 a společnou dolní sběrnicí zařízení.

Na obr. 5 je podrobně znázorněn generátor NIG 68 z obr. 4, vestavěný do modulu malých rozměrů (10 x 20 x 30 mm),

Tento modul je dimenzován od 5 do 100 V. s pomocí je možno vytvořit poněkud provedeného v praxi jako jeden díl na napětí UB baterie v rozsahu v současné době dostupných součástí větší moduly pro napětí UB baterie v rozsahu od 10 do 1000 V a až do výkonu 20 W. Vývoj elektronických součástí umožní v budoucnosti amplitudy napětí jehlovítých impulsů v rozsahu mnoha tisíc voltů.

Největší předem nastavený činitel zaplnění zde činí 1:9. Pomocí blíže neznázorněného hermetického zapouzdření je zaručený stabilní rozsah pracovních teplot mezi mínus 20 a plus 60 C.

Mezi oběma svorkami Ha L je uspořádáno sériové zapojení sestávající z odporu R2 a dvou diod 10, £0. Při přívodu napětí se potom zvýšeným potenciálem na bázi tranzistoru TI tento tranzistor TI otevře. Tranzistor TI pracuje jako zdroj stálého proudu a dodává nezávisle na dimenzování odporu Rl, připojeného k emitoru tranzistoru TI, do odporu R2 a diody 20 stálý proud, kterým se kondenzátor C, znázorněný na obr. 5 vlevo, nabije.

Současně teče na obr. 5 vpravo proud odpory R13 a R14 děliče napětí, takže mezi těmito odpory R13. R14 se nastaví referenční napětí Ur. Když je kondenzátor C zcela nabitý, je napětí Uc kondenzátoru asi l,05násobku referenčního napětí Ur. Za tím účelem je upraven tranzistor UJT s jedním přechodem, který je vytvořen ze dvou jednotlivých tranzistorů T3. T5, přičemž báze tranzistoru T3 je spojena s kolektorem tranzistoru T5 a báze tranzistoru T5 je spojena s kolektorem tranzistoru T3. Když je potenciál na emitoru E2 tranzistoru T3 vyšší než referenční napětí Ur, uzavře tranzistor UJT s jedním přechodem tok proudu odpory R9. R10.

Když má napětí kondenzátoru C hodnotu, která je přibližně o 5 % větší než referenční napětí Ur, začne vzrůstat vzestupný bok jehlovitého impulsu (viz doba t_L vzestupu na obr. 2). Zapnutím tranzistoru UJT s jedním přechodem teče proud přes odpory R9 a R10. přičemž tranzistor T4 se rychlým poklesem svého potenciálu na bázi oproti emitoru nárazovitě otevře. Diodami 40 a 50 je vydán jehlovitý impuls NI, který je podobný Diracovým jehlovitým impulsům NI. Přitom teče rovněž proud před diodu 60 a odpory R7, R8. Zvětšení potenciálu na bázi tranzistoru T2 tento tranzistor T2 otevře, čímž se tranzistor TI nárazovitě zavře. Tím se přeruší nabíjení kondenzátoru C. Energie akumulovaná v kondenzátoru C se předá přes tranzistor T4 a diody £0, 50 na výstupy 1¹ a 2 ¹ . Prodleva t_D na obr. 2 je v zapojení podle obr. 5 definována dráhou vybíjení kondenzátoru C, kterou tvoří tranzistor UJT s jedním přechodem, odpor R10 a paralelní zapojení sestávající z odporu R9, a dráhou mezi bází a emitorem tranzistoru T4 včetně odporu R6.

Doba otevření tranzistoru UJT s jedním přechodem se udržuje tak dlouho, dokud se kondenzátor C téměř úplně nevybije. Pouze před spuštěním prvního jehlovitého impulsu NI je tento kondenzátor C zcela vybit, takže první perioda To je relativně dlouhá. Zavření tranzistoru UJT s jedním přechodem se provede v průběhu doby t_T poklesu na obr. 2.

Na obr. 6 je znázorněno zapojení, které obsahuje jednak známé zařízení k napájení žárovky jako zátěže L a jednak zařízení podle vynálezu.

Na síť střídavého napětí o velikosti 220 V jsou připojeny dva transformátory TRI a TR2. Na sekundární straně transformátoru TRI je střídavé napětí 15 V usměrňováno dvoucestným usměrňovačem a přiváděno na výstupní svorku dvanáctivoltové žárovky GB. Na výstup jsou připojena měřidla proudu a napětí. Tento proudový obvod spotřebiče je možno ovládat mechanickým hlavním spínačem HS.

Sekundární cívka tranzistoru TR2 dodává do dvoucestného usměrňovače střídavé napětí o velikosti 48 V. Na kondenzátoru CE je proto k dispozici stejnosměrné napětí o velikosti asi 60 V.

Generátor NIG 68 z toho vytváří sled jehlovitých impulsů způsobem popsaným výše ve spojení s obr. 5. Jehlovité impulsy se přivádějí na výstup, na který je jako zátěž L připojena dvanáctivoltová žárovka. V hlavním potenciometr, takže toto zařízení element mezer mezi jehlovitými nej jednodušším způsobem umožněno úplné ovládání příslušného proudového obvodu.

spínači HS je vestavěn slouží jako regulační impulsy NI, čímž je

Zapojení, vytvořené podle obr. 6, v provozu ukázalo, že napájecí zařízení v jeho dolní části, tedy napájecí zařízení podle vynálezu, způsobí stejnou jasnost žárovky GB s pouze polovičním průměrným příkonem.

Další pokusy s indukčními zátěžemi vykázaly podobné energetické úspory. Jako indukční zátěž byl použit například elektroakustický měnič s tlakovou komorou (silný reproduktor) napájený zařízením podle vynálezu. Rovněž v tomto případě došlo ke značné úspoře energie oproti známým zařízením.

Uspořádání, znázorněné na obr. 6, umožňuje na srovnávací bázi porovnat známé napájení a napájení podle vynálezu ohmické zátěže L se špatnou účinností (žárovky).

V levé části obr. 7 jsou znázorněny funkce ideálního harmonického kmitání a čtyř sledů impulsů s velmi rozdílnými poměry impulsů vůči mezeře v rozsahu od 1 : 7,2 do 1 : 180.

Perioda T kmitu všech funkcí je sladěna záměrně na hodnotu 20 milisekund, což odpovídá u harmonického kmitání v dolní pravé části obr. 7 opakovači frekvenci 50 Hz. Všech pět kmitavých funkcí má (záměrně) stejnou amplitudu A.

Začátek a konec periody T kmitů začínají ve vrcholu kladné půlvlny harmonického kmitání, na obr. 7 (E) vlevo dole, popřípadě přesně uprostřed impulsů ve čtyřech sledech impulsů, pro jednodušší znázornění Fourierových řad pro příslušné kmitavé funkce. Perioda T kmitů je znázorněna rovněž jako plná kružnice s 27r(rad), respektive 360°.

Trvání příslušných impulsů je dáno jak jejich polovičním úhlem p otevření, tak i jeho polovičním trváním.

Podle Fourierovy analýzy mohou být všechny kmitavé funkce popsány vhodnými Fourierovými řadami, takže Fourierovy řady představují jako ekvivalent určitý, vypočítatelný a měřitelný počet čistě harmonických kmitání s definovanými frekvencemi a k nim náležejícími amplitudami. Sestaví-li se harmonické komponenty, vznikne základní funkce.

Napětí příslušných pěti kmitavých funkcí na obr. 7 vlevo mají spektra, která jsou znázorněna na obr. 7 vpravo. Je nutno poznamenat, že amplitudy spekter harmonických komponent pro čtyři sledy impulsů nejsou znázorněny v měřítku. (Na obr. 7 jsou znázorněny spektrální čáry pro sledy jehlovitých impulsů přehnaně zvětšeně.)

Jak je vidět, odpovídá amplituda A ve spektru podle obr. 7 (E) harmonického kmitání přesně amplitudě v časovém rozmezí.

U spekter sledů impulsů však vznikne množství více harmonických komponent. Toto množství je tím větší, čím užší impulsy jsou.

Podle vynálezu se použijí jehlovité impulsy s činitelem zaplnění 1:3, které jsou co nejužší, a to přibližně tak, jako jehlovité impulsy podle obr. 7 (A), obr. 7 (B) a obr. 7 (C), avšak ještě i podle obr, 7 (D).

Impulsy podle obr. 7 (D) mají vždy spektrum, v němž jsou jednotlivé spektrální čáry velmi nerovnoměrné. Amplitudy mohou mít velmi rozdílnou velikost, jinou, než jak je schematicky znázorněno na obr. 7.

Spektrum zvlášt výhodné pro účely vynálezu mají oba sledy impulsů, znázorněné na obr. 7 nahoře. Prakticky ideální spektrum má sled jehlovitých impulsů, znázorněný na obr. 7 (A), který může být realizován prostředky, které jsou v současné době v praxi k dispozici. Všechny jednotlivé komponenty spektra jsou prakticky stejně velké a mají vždy velmi malou hodnotu amplitudy, podstatně menší, než jak je znázorněno na obr. 7 (A).

Spektrum, znázorněné na obr. 7 (A) vpravo, je proto zvlášt vhodné, protože vzhledem k malým amplitudám a krátkým dobám trvání těchto jednotlivých komponent signálu se dosáhne dobré stability zapojení napájeného tímto signálem.

Použije-li se pro zařízení podle vynálezu generátor jehlovitých impulsů, který vytváří jehlovité impulsy s činitelem zaplnění 1 : 180, znázorněné na obr. 7 (A), vznikne velmi velký počet harmonických komponent, jejichž amplituda je vždy relativně malá a vznikne úhlem p otevření p = 1° = 0,028 rad. V daném příkladu se vždy stejně velké amplitudy vypočítají jako amplitudy vždy poněkud menší než 1 % amplitudy impulsů.

Výše uvedené úvahy platí pro rozsah platnosti ohmického zákona. Platnost ohmického zákona je v každém případě dána tehdy, když perioda T kmitů (viz obr. 3) je větší než 100 nanosekund. Kratší doby trvání period nemohou být, vzhledem k tomu, že v současné a dohledné době nejsou k dispozici potřebné elektronické součásti, realizovány.

Výše uvedené úvahy rovněž ukazují, že použitím velmi úzkých jehlovitých impulsů podle vynálezu k napájení ohmické, indukční, kapacitní nebo komplexní zátěže se stále dosahuje velmi vysoké stability provozu zapojení. Je známé, že při připojení zátěže na zdroje napětí, zejména na zdroj střídavého napětí, může docházet ke vzniku zakmitávání, k jehož zabránění je nutno provést náročná technická opatření. Tyto problémy jsou použitím jehlovitých impulsů podle vynálezu zcela vyloučeny.

Na obr. 8 jsou znázorněny schematicky tři případy toku energie. Bezztrátový tok energie v praxi neexistuje.

Případ 1, znázorněný na obr. 8 vlevo, je ideálním případem. Ze zdroje 2 teče 100 % energie do spotřebiče V, kde se celá energie přemění na práci, takže nevznikne žádná odpadová energie.

Případ 2, znázorněný na obr. 8 uprostřed, představuje častou situaci v praxi, kdy se velká část energie (zde 80 %) přemění ve spotřebiči V ve využitelnou práci a ztratí se pouze 20 %.

případem, pouze 5 % ztrátovou elektrické elektrické

Případ 3, znázorněný na obr. 8 vpravo, je u něhož se na využitelnou práci přemění naakumulované energie, takže zbylá energie je energií. Tento případ odpovídá dosti přesně žárovce, v níž se přibližně 5 % naakumulované energie přemění na světlo, zatímco zbylých 95 % se přemění na (většinou nežádoucí) teplo. Opatřením podle vynálezu se dosáhne zlepšení situace, charakterizované případem 3, směrem k situaci, charakterizované případem 2.

Výše uvedené úvahy se týkají především ohmických zátěží. Vynález je však stejnou měrou použitelný i u indukčních, kapacitních nebo i komplexních zátěží. I když se u těchto zátěží nemůže hovořit o aktivní energii, ukazují úvahy o zdánlivém toku energie (u indukční nebo kapacitní zátěže), že zařízením podle vynálezu je možno dosáhnout nejen lepší účinnosti, nýbrž i zvýšené stability.

Zařízením, znázorněným na obr. 1 a obr. 4, lze dále dosáhnout určitých výhod, které nemohou být u dosavadních známých zařízení dosaženy:

a) Při zapnutí zátěže se do obvodu přivádí napětí 0 voltů, což vždy závisí na zvoleném uspořádání spínacího obvodu.

b) Je možno provádět plynulou regulaci z 0 až na maximální hodnotu, aniž by bylo za tím účelem zapotřebí provádět zvláštní technická opatření. Generátory potřebné pro vytváření jehlovitých impulsů NI jsou provedeny tak, že bez zvláštních úprav umožňují změnu mezer mezi impulsy.

Na obr. 9 je znázorněno blokové schéma elektronické sirény 100. Elektroakustický měnič 106 je připojen ke koncovému stupni 104 zde blíže neznázorněného zesilovacího obvodu. Spínač koncového stupně 104, který je znázorněn schematicky a je ve skutečnosti proveden jako polovodičový element, je ovládán generátorem NIG I 102 jehlovitých impulsů, přičemž frekvence Diracových jehlovitých impulsů, vysílaných generátorem NIG I 102 činí 420 Hz (přesněji řečeno: první harmonické kmitání), což odpovídá jmenovité frekvenci elektronické sirény 100. Spínač v koncovém stupni 104 spojuje elektroakustický měnič 106 přes LC filtr 105 (cívka a kondenzátor) se zdrojem 108 proudu, například baterií. Generátor NIG I 102 je ovládán řídicí jednotkou 112, kterou může být jakákoli známá programovatelná řídicí jednotka, jak je u elektronických sirén obvyklé. V praxi může být koncový stupeň 104 tvořen v podstatě pouze uvedeným spínačem.

Na rozdíl od známých elektronických sirén je způsob provozu elektronické sirény 100 podle obr. 9 čistě digitální.

Podstatnou výhodou elektronické sirény 100, znázorněné na obr. 9, je okolnost, že neteče prakticky žádný klidový proud. Když není do koncového stupně 104 přiveden žádný jehlovitý impuls, je spínač tvořený koncovým stupněm 104 praktický otevřený. Vnitřní odpor výstupu koncového stupně 104 je prakticky nulový, což umožňuje v podstatě bezztrátový provoz.

Vzhledem k povaze použitých jehlovitých impulsů existují vedle pracovní frekvence 420 Hz četné vyšší harmonické, čímž celkově vznikne úplný tón elektronické sirény 100.

Elektronická siréna 100 podle vynálezu, znázorněná na obr. 9, umožňuje zvlášt výhodným způsobem využití o sobě známého přehlušení. Toto přehlušení vznikne vytvářením dvou těsně sousedních, avšak jistě rozdílných, frekvencí, které nemohou být spojeny celočíselným faktorem, k čemuž je u provedení podle obr. 9 uspořádán přídavný generátor NIG II 110. Frekvence tohoto přídavného generátoru NIG II 110 je oproti frekvenci generátoru NIG I 102 poněkud rozladěná. Tímto provedením vznikne tón elektronické sirény 100. který, z psychoakustických důvodů, je posluchačem pocitován jako mnohem hlasitější, než tón, který je tvořen dvěma stejnými a stejně silnými zdroji. Alternativně může být pro přídavný generátor

NIG II 110 uspořádán vlastní, další, koncový stupeň a elektroakustický měnič 106 je potom připojen na oba koncové stupně. Dále je nutno poukázat na to, že na koncový stupeň 104 nebo na dvojici koncových stupňů může být sériové nebo smíšeně připojen větší počet elektroakustických měničů.

U praktického provedení, na obrázcích neznázorněného, je v jedné věži umístěno několik elektronických sirén typu znázorněného na obr. 9, přičemž exponenciální zvukovod každého alektroakustického měniče je uspořádán v jiné výšce s rozdílnými úhly vyzařování vůči svislé ose této věže.

Generátor NIG I 102 a přídavný generátor NIG II 110 mají provedení shodné jako výše popsaný generátor NIG 68 (obr. 5).

Praktické pokusy ukázaly, že elektronická siréna 100 podle vynálezu může dosáhnout akustického výkonu známé elektronické sirény pouze s přibližně třetinovým elektrickým výkonem. Proto může být vyrobena s levnějšími elektronickými součástmi.

Protože u nezapnuté elektronické sirény 100 neteče v generátoru NIG I 102, v přídavném generátoru NIG II 110 a v koncovém stupni 104 prakticky žádný klidový proud, není v tomto stavu téměř žádná spotřeba proudu. Přesto při zapnutí elektronické sirény 100 existuje u elektronických součástí teplý start.

Elektronická siréna 100 podle vynálezu může být podle potřeby napájena i velmi vysokým napětím, například až 400 V.

Zařízením podle vynálezu, určeným pro provoz elektromotorů na střídavý proud, je možno vytvářet točivé pole, přičemž oproti známým zařízením pro ovládání elektromotorů se dosahují značné úspory energie a zjednodušení synchronizace.

01-74-96-Ηθ

Claims (25)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob napájení elektrické zátěže (L), která má předem stanovené jmenovité napětí (UZ_nenn), tím, že do elektrické zátěže (L) se přivádí sled jehlovitých impulsů (NI), vyznačující se tím, že amplituda napětí (UB) jehlovitých impulsů (NI) je větší než jmenovité napětí (UZ_nenn) alespoň l,7krát, avšak nejvýše o násobek druhé odmocniny z šířky mezery (t_p) mezi impulsy dělené šířkou (tj) impulsů (UB < UZ_nenn . -^(tp/tjj).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že činitel zaplnění (tj/t_p) je menší než 0,3, přičemž tj je šířkou impulsů a t_p je mezerou mezi impulsy.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že činitel zaplnění (t-j-/t_p) je menší než 0,01, přičemž tj je šířkou impulsů a tp je mezerou mezi impulsy.
4. 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že činitel zaplnění (tj/t_p) je menší než 0,006, přičemž tj je šířkou impulsů a t_p je mezerou mezi impulsy.
5. 5. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že jehlovité impulsy (NI) mají vždy konstantní šířku (tj) a proměnná je pouze mezera (t_p) mezi dvěma sousedními jehlovítými impulsy (NI).
6. 6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že činitel zaplnění (tj/t_p) má hodnotu větší než 0 až do hodnoty 0,3, přičemž šířka (tj) impulsů je konstantní a mezera (t_p) mezi impulsy je proměnná.
7. 7. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 6, v y z n a čující se tím, že jehlovité impulsy (NI) jsou impulsy stejnosměrného proudu, to znamená impulsy stejné polarity.
8. 8. Způsob podle jednoho z nároků laž 7,vyznačující se tím, že jehlovité impulsy (NI) mají celkovou dobu trvání maximálně 1000 ns, zejména maximálně 700 ns.

   '
9. 9. Způsob podle jednoho z nároků laž 8,vyznačující se tím, že jehlovité impulsy (NI) mají dobu vzestupu maximálně 100 ns.
10. 10. Způsob podle jednoho z nároků laž 9,vyznačující se tím, že jehlovité impulsy (NI) mají prodlevu (t_D), danou funkčním průběhem, maximálně 200 ns, zejména maximálně 100 ns.
11. 11. Způsob podle jednoho z nároků laž 10,vyznačující se tím, že jehlovité impulsy (NI) mají dobu poklesu maximálně 500 ns.
12. 12. Způsob podle jednoho z nároků laž 11,vyznačující se tím, Že nejmenší perioda (T) jehlovitých impulsů (NI) je asi 100 ns.
13. 13. Zařízení pro napájení elektrické zátěže (L), která má předem stanovené jmenovité napětí (UZ_nenn), se vstupem pro připojení na zdroj napájecího napětí a s výstupem pro připojení k elektrické zátěži (L), a se zařízením pro vytváření jehlovitých impulsů (NI), které dodává na výstup připojený k elektrické zátěži (L) sled jehlovitých impulsů (NI), vyznačující tím, ze zařízeni pro vytvářeni jehlovitých impulsu (NI) je vytvořeno s elektronickým obvodem, který obsahuje kondenzátor <C) nabíjený ze zdroje (Tl) stálého proudu, dělič napětí, tvořený dvěma odpory (R13, R14), pro vytváření referenčního napětí (Ur), tranzistor (UJT) s jedním přechodem, připojený k referenčnímu napětí (Ur) a k napětí (Uc) kondenzátoru, a koncový tranzistor (T4), který je připojen k tranzistoru (UJT) s jedním přechodem a ke kondenzátoru (C).
14. 14. Zařízení podle nároku 13,vyznačující se tím, že k zařízení pro vytváření jehlovitých impulsů (NI) je připojen stavitelný potenciometr
15. 15. Zařízení podle jednoho značující se tím, stejnosměrného napětí.
16. 16. Zařízení podle jednoho z čující se tím, žek zapojena dioda (D2).
17. 17. Zařízení podle jednoho z čující se tím, že rychlospínačem (66).

    (70).

    z nároků 13 nebo 14, vyže je spojeno se zdrojem nároků 13 až 15, v y z n a zátěži (L) je antiparalelně nároků 13 až 16, v y z n a je opatřeno elektronickým
18. 18. Zařízení podle nároku 15,vyznačující se tím, že vstup je spojen s LC filtrem (62, 64).
19. 19. Zařízení podle jednoho z nároků 13 až 18, v y z n a čující se tím, že před výstup je zařazena blokovací dioda (Dl) pro blokování zpětného proudu.
20. 20. Zařízení podle jednoho z nároků 13 až 19, vyznačující se tím, že elektrickou zátěží je převážně ohmická zátěž.
21. 21. Zařízení podle jednoho čující se tím, že z nároků 13 elektrickou až 19, vyznázátěží je převážně indukční zátěž.
22. 22. Zařízení podle jednoho z nároků 13 čující se tím, že elektrickou kapacitní zátěž.

    až 19, vyznázátěží je převážně
23. 23. Zařízení podle jednoho z nároků 13 až 19, v y z n a čující se tím, že elektrickou zátěží (L) je žárovka.
24. 24. Zařízení podle jednoho z nároků 13 až 19, vyznačující se tím, že elektrickou zátěží (L) je elektronická siréna (100).
25. 25. Zařízení podle nároku 24,vyznačující se tím, že elektronická siréna (100) obsahuje elektroakustický měnič (106), který je přes koncový stupeň (104) zesilovače spojen s generátorem (102) jehlových impulsů a se zdrojem (108) proudu.