ITRM970334A1 - Dispositivo elettromeccanico o elettronico per la somma-moltiplicazione o la sottrazione-divisione di tensioni - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo: "DISPOSITIVO ELETTROMECCANICO 0 ELETTRONICO PER LA SOMMA-MOLTIPLICAZIONE O LA SOTTRAZIONE-DIVISIONE DI TENSIONI ELETTRICHE"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale a un dispositivo elettromeccanico o elettronico, in grado di elevare o abbassare la tensione fornita da un generatore o batteria, ad un carico che sfrutta la energia del generatore o batteria.

Normalmente, la tensione del generatore viene applicata a un .dispositivo comprendente almeno un trasformatore. Ne risulta che una parte della potenza del generatore viene dissipata in calore e inoltre il dispositivo è spesso troppo ingombrante.

Uno scopo delia presente invenzione è quello di realizzare apparecchiature elettromeccaniche e/o elettroniche in grado di effettuare la somma-moltiplicazione o la sottrazione-divisione di tensioni elettriche continue o alternate, anche di notevole potenza, utilizzando le proprietà di accumulo di carica dei condensatori, senza impiego di trasformatori, con grande vantaggio sia per quanto riguarda una minore dissipazione della potenza, che per quanto concerne l'ingombro del dispositivo collegato tra batteria {o generatore) e carico (utenza).

Per "somma-moltiplicazione" si intende la possibilità di avere, in uscita dal dispositivo, una tensione multipla di quella del generatore (o batteria), mentre per "sottrazione-divisione" si intende la possibilità di avere, sempre in uscita dal dispositivo, delle tensioni sottomultiple di quelle applicate all'input del dispositivo.

Un altro scopo della presente invenzione, subordinato ai precedenti, è quello di indicare come, sfruttando sempre uno stesso concetto inventivo, si può ottimizzare la scelta dei circuiti e delle componenti elettroniche, per consentire il trasferimento di potenze superiori, incrementando la frequenza degli "scambi" nel circuito, come verrà spiegato in seguito .

I suddetti scopi sono ottenuti in generale come indicato nella rivendicazione 1.

Alcune varianti e/o forme d'esecuzione preferite sono incluse nelle rivendicazioni dipendenti.

La presente invenzione,verrà descritta nel seguito, con riferimento ad alcune sue particolari forme di esecuzione, a titolo puramente illustrativo e non limitativo; tali forme d'esecuzione sono mostrate schematicamente nei disegni annessi, nei quali:

FIG. 1 è uno schema di principio del circuito elettrico sommatore-moltiplicatore di tensione, utilizzato in una prima forma d'esecuzione di tipo "elettromeccanico" del dispositivo della presente invenzione;

FIG. 2 è uno schema, di principio di un sommatoremoltiplicatore a "scambi" elettronici, utilizzato in una seconda forma d'esecuzione di tipo "elettronico" della presente invenzione;

FIG. 3 è un insieme di quattro diagrammi, che indicano l'andamento temporale dei comandi per gli "interruttori elettronici" dello schema di Fig. 2;

FIG. 4 è un diagramma di confronto tra la tensione di uscita Vout del dispositivo operante secondo lo schema di Fig. 2, e la tensione di batteria Vb;

FIG. 5 è uno schema di principio di un inverter con "sommatore-moltiplicatore" di tensione a scambio meccanico, secondo una terza forma di esecuzione dell'invenzione;

FIG. 6 è uno schema di principio di un inverter con "sommatore-moltiplicatore" completamente elettronico, secondo una quarta possibile forma di esecuzione dell'invenzione;

FIGG. 7a e 7b sono dei diagrammi per l'andamento temporale delle tensioni di comando degli interruttori elettronici del circuito di Fig. 6;

FIG. 7c rappresenta la tensione di uscita;

FIG. 8 è una rappresentazione parziale prospettica di una realizzazione elettromeccanica del dispositivo, secondo una quinta forma di esecuzione,-che non fa uso dei relè.

In Fig. 1, indica una batteria che fornisce una tensione costante, anche se l'invenzione non si deve ovviamente intendere limitata a questo caso, essendo ugualmente possibile impiegare un generatore a corrente alternata come fonte d'energia. Con Vout è indicata la tensione sul carico.

Lo schema di Fig. 1 comprende una fila di condensatori A, e uria seconda fila di condensatori ,B. La fila A è costituitavdai<' >due condensatori C1a e C2a ' mentre la fila B, dai due condensatori C1b e C2b Le due file A e B potrebbero presentare ciascuna lo stesso numero arbitrario n di condensatori cioè: C1a . Cna e C1b.... Cnb' in questo caso parleremo di n "celle" che compongono il gommatore-moltiplicatore. Il numero dei condensatori è limitato solo dalla resistenza totale dei contatti.

Gli scambi meccanici sono assicurati da relè a due per prima fila A, e a seconda fila B, detti relè consentendo ai condensatori di spostarsi dalla posizione di parallelo sulla batteria, alla posizione di serie tra loro ed in parallelo sul carico.

Nella Fig. 1, tutti i,relè sono disegnati nella posizione di riposo (non alimentati). Questa situazione non si presenta mai durante il funzionamento del "moltiplicatore-sommatore", poiché, quando i relè della fila A sono alimentati, quelli della fila B devono es-sere a riposo e viceversa.

Supponendo che in un determinato istante del funzionamento del dispositivo i relè della fila A sono a riposo (posizione mostrata) e quelli della fila B sono eccitati (contatti K1,K2,K3,K4 chiusi), i condensatori C1a e C2a sono in parallelo sia tra loro che sulla batteria, mentre i condensatori C1b e C2b sono in serie tra loro e in parallelo sul carico. Nel successivo istante, si verificherà il contrario: i relè della fila A sono eccitati; quelli della fila B sono a riposo (posizione dei relè R'1b- R2b, R'2b mostrata in Fig. 1).

Nel caso in esame, i relè possono essere comandati come mostrato in Fig. 1 a titolo esemplificativo, in cui due segnali impulsivi a bassa frequenza, sfasati di 90° tra di loro, sono ottenuti dalla tensione di rete, tramite due diodi "DI" e "D2" collegati in opposizione tra loro, in modo che uno dei due diodi sia in conduzione nella semionda positiva e l'altro in quella negativa.

Il dispositivo è in grado di funzionare anche con impulsi di natura diversa, essendo essenziale solamente l'alternanza dell'alimentazione dei relè della fila A e della fila B, che si ripete ciclicamente nel tempo.

Nell'istante iniziale vengono eccitati, indifferentemente, i relè collegati ad una delle due file di condensatori in funzione della conduzione di "D1" o "D2 ".

I relè, eccitati, commutano i condensatori della fila relativa che si posizionano in serie tra di loro ed in parallelo sul carico; mentre l'altra fila resta ferma sulla batteria (con i condensatori in posizione di parallelo tra loro).

Nell'istante successivo, la fila che era rimasta ferma sulla batteria si posiziona in parallelo sul carico con i condensatori in serie tra loro, mentre - contemporaneamente - la fila che si era precedentemente spostata ritorna sulla batteria con i condensatori che tornano ad essere in parallelo tra loro. Questa alternanza si ripete ciclicamente nel tempo .

Operando nella maniera descritta, i condensatori posti in parallelo tra loro e sulla batteria si caricano tutti alla tensione (tensione di batteria).

Quando - successivamente - vengono posti in serie tra loro (dopo la carica sulla batteria) presentano, ai capi del carico, una tensione che sarà pari alla somma (moltiplicazione) delle singole tensioni di ogni condensatore, ossia η(νb) dove "n" è il numero dei condensatori che compongono la fila.

Invertendo il carico con la batteria, ossia ponendo la batteria sui condensatori posti in serie fra loro e collegando il carico invece con i condensatori posti in parallelo, si otterrà sul carico una tensione pari a l/n(Vb) dove "n" è sempre il numero dei condensatori che compongono una delle due file.

In sostanza l'effetto somma-moltiplicazione o quello sottrazione-divisione sarà solo in funzione di dove vengono posizionati il carico e la batteria e dal cablaggio del dispositivo.

Le file A e B sono composte dallo stesso numero di condensatóri tutti uguali tra loro.

In generale, affinchè l'operazione di somma-moltiplicazione (o sottrazione-divisione) possa permettere il trasferimento di potenza desiderato dal generatore al carico è necessario stabilire opportunamente i seguenti tempi:

- di carica del parallelo (della serie) dei condensatori;

- di commutazione;

- di scarica della serie (del parallelo) dei condensatori.

A causa della "inerzia" degli interruttori elettromeccanici, tra i quali i relè, è preferibile una realizzazione del dispositivo oggetto dell'invenzione come quella mostrata nella Fig. 2, che consente, grazie all'utilizzo di interruttori elettronici, una frequenza assai maggiore degli "scambi" suddetti. Lo schema di un circuito di un dispositivo completamente allo stato solido, concepito per realizzare le operazioni di somma moltiplicazione o sottrazionedivisione, è mostrato in Fig. 2 a titolo puramente esemplificativo. In questo caso, tale schema di principio comprende soltanto due "celle"; teoricamente è possibile realizzare un dispositivo allo stato solido, con un numero di "celle" desiderato e arbitrario .

Nel caso della Fig. 2, si avrà quindi (come per la Fig. 1), Vout 2Vb. Inoltre, invertendo il carico con la batteria si otterrebbe un sottrattore-divisore anche nel presente caso.

Il circuito presenta due porte NOT per il segnale di comando verso alcuni degli interruttori elettronici MFl sino a MF8 e MSI sino a MS6, per fornire le giuste polarità agli interruttori stessi, essendo alcuni di tipo "P" ed altri di tipo "N". I condensatori di una fila (A) sono indicati con C-1 C2 , quelli dell'altra fila (B) da C3, C4 .

Il circuito esemplificativo di Fig. 2 comprende inoltre un generatore di onda quadra indicato con G e uno sfasatone Sf, per il comando degli interruttori suddetti, onde effettuare gli "scambi" o commutazioni.

Le commutazioni parallelo/serie (serie/parallelo) generatore/carico (carico/generatore) nel caso del sommatore/moltiplicatore., avvengono nel modo seguente, ciclicamente nel tempo (le fasi 1 e 2 si ripetono alternativamente) :

Fase 1 - interruttori elettronici MF1, MF2, MF3, MF4 e MS4, MS5, MS6 chiusi;

interruttori elettronici MF5, MF6, MF7, MF8 e MSI, MS2, MS3 aperti;

(i condensatori CI e C2 si trovano in parallelo tra loro e sulla batteria Vb, i condensatori C3 e C4 sono in serie tra loro ed in parallelo sul carico) Fase 2 - interruttori elettronici MFi, MF2, MF3, MF4 e MS4, MS5, MS6 aperti;

interruttori elettronci MF5, MF6, MF7, MF8 e MSI, MS2, MS3 chiusi;

(i condensatori CI e C2 si posizionano in serie tra loro e in parallelo sul carico, potendo quindi cedere l'energia accumulata nella fase 1, applicando una tensione al carico di e nVb nel caso generale, mentre i condensatori C3 e C4 si trovano in parallelo tra loro e sulla batteria, potendo accumulare l'energia che cederanno al carico nella fase 1 successiva).

I segnali di comando degli "interruttori elettronici" sono ottenuti da un oscillatore ad onda quadra a duty cycle (ciclo di lavoro utile) variabile con opportuni sfasatori e reti di ritardo, e volendo, disaccoppiatori ottici, come poi mostrato in Fig. 6, per poter separare elettricamente i circuiti di comando con quelli di potenza. Nelle Figg. 3 e 4 sono riportate le forme d'onda di comando e la forma d'onda di uscita.

Questa soluzione elettronica, mentre pone il problema della ricerca dei componenti elettronici idonei, risolve i problemi legati allo scocco degli archi voltaici che sono presenti nei dispositivi di tipo elettromeccanico; inoltre rende possibile utilizzare una frequenza di commutazione nettamente maggiore di quella ottenibile meccanicamente con notevole vantaggio in termini di peso, ingombro e costo dell'apparecchiatura, essendo possibile, a parità di potenza trasferita dal generatore al carico utilizzare condensatori di valori capacitivi significativamente più piccoli.

L'onda quadra a duty cycle permette di garantire che tutti gli interruttori elettronici operino congiuntamente nel modo corretto.

Ad esempio, se gli interruttori MF2,MF3 e MS2 fossero tutti chiusi nello stesso tempo, si avrebbe un cortocircuito.

I tempi di transizione da parallelo a serie e quelli dal generatore al carico devono essere i più brevi possibile essendo dei tempi "morti", mentre quelli di sosta sul generatore e sul carico devono essere opportunamente programmati in funzione della capacità totale presente sul generatore, della resistenza totale di carica, della capacità totale e della resistenza totale di scarica (presente in uscita).

Caratteristiche analoghe si presentano anche nel caso della Fig. 2. Nel caso dei relè (Fig. 1 ), o in genere macchine elettromeccaniche, i tempi "morti" sono caratterizzati dalla costruzione meccanica degli scambi. Quindi, la riduzione dei tempi di commutazione presenterà problematiche sicuramente maggiori di quelle che si possono presentare nella realizzazione di una macchina di tipo elettronico.

Nel caso di un dispositivo elettronico, gli interruttori MF e MS, per poter assicurare il trasferimento di potenza voluto devono presentare le seguen-, ti caratteristiche fondamentali:

- resistenza diretta dell'ordine della decina di m Ω . Resistenze maggiori, oltre a compromettere il rendimento della macchina, potrebbero imporre tempi di permanenza sulla batteria più lunghi di quelli permessi,·

- corrente di lavoro dell'ordine della decina di Ampere.

Correnti di lavoro inferiori non inficiano il funzionamento della macchina ma non permettono l'utilizzo di grandi potenze;

- correnti di picco dell'ordine del migliàio di Ampere;

- fronti di salita e discesa dell'ordine dei μsec.; - frequenza di lavoro maggiore di 10 kHz;

- tensione di lavoro maggiore della tensione massima presente nel circuito.

Il requisito relativo alle correnti di picco ~ 10<3>A, è necessario vista l'elevata intensità della corrente nella fase iniziale di caricamento dei condensatori.

La frequenza di lavoro è assai maggiore rispetto ai dispositivi "elettromeccanici".

In Fig. 5, è disegnato un dispositivo che fornisce al carico "R" una tensione <v>out alternata. La forma di Vout è schematizzata nella stessa figura.

L'inverter di Fig. 5 con sommatore/moltiplicatore, è disegnato in fase di riposo.

Nella Fig. 5 sono presenti tre "celle", vale a dire tre condensatori per ogni fila.

La fila A comprende i condensatori Ca1, Ca2 , Ca3 , e la fila B i condensatori Cb1, Cb2 , Cb3

Inoltre sono presenti sei relè per la fila A,

<e se>i <rel>^ P<er >^-<a >fil<a > i relè R e R'v servono per invertire la polarità sul carico, quando quest'ultimo passa dalla fase di collegamento con la fila A, a quella di collegamento con la fila B.

Lo schema è disegnato in fase di riposo; in questa fase (iniziale) i condensatori sono tutti in parallelo sulla batteria, quindi in fase di carica.

Quando commutano i relè della fila A (quelli della fila B sono sulla batteria), essi si pongono in serie tra loro. Inoltre essi sono allora collegati al carico tramite il terminale 2 di Ry e il terminale 3 di R'v (anche il relè Rv ha commutato), con il positivo sul terminale 2 di Rv e il negativo sul terminale 3 di R'v.

Viceversa, quando commutano i relè della fila B (quelli della fila A sono sulla batteria), sarà la fila dei condensatori Cb1, Cb2 , Cb3 a essere sul carico tramite il terminale 4 di R'v (positivo) e il terminale 1 di Rv (che sarà negativo), garantendo così l'alternanza dei segni sul carico.

La Fig. 6 mostra uno schema di un inverter "elettronico" per la somma-moltiplicazione di tensioni e la trasformazione in tensione alternata.

Gli interruttori elettronici sono in numero maggiore poiché si prevedono in questo caso tre "celle" ossia complessivamente sei condensatori Cl,. C6 anziché quattro, come in Fig. 2. Schematicamente a solo titolo esemplificativo, gli interruttori sono rappresentati come transistor.

I segnali di comando sono mostrati nelle Figg. 7a, 7b, mentre la Fig. 7c mostra la tensione di output. La parte superiore del diagramma di Fig. 7a è il segnale di comando per MF5, MF7, MF9, MF14, MF16, MF18 e MF20.

La parte inferiore è il segnale di comando per MFl, MF2, MF3.

Analogamente, la parte superiore di Fig.7b riguarda i segnali di comando per MF4, MF6, MF8,.MF10, MF15, MF17, MFl9, e quella inferiore, i segnali di comando di MF11, MF12, MF13.

Benché generalmente sia preferibile, per i motivi sopra esposti, utilizzare dispositivi completamente allo stato solido, anche i dispositivi di tipo elettromeccanico potrebbero in determinate condizioni essere impiegati vantaggiosamente. Per questa ragione sono stati anche effettuati degli studi alternativi per sviluppare dispositivi elettromeccanici di genere anche differente dai precedenti. Il dispositivo di Fig. 8 è un esempio di come si possono effettuare gli " scambi" per mezzo di una piastra rettangolare fissa 10, sulla quale sono inserite, su ognuno dei suoi lati maggiori, due file di contatti 20-20' e 21-21', isolati elettricamente tra loro e posti simmetricamente rispetto a una delle linee mediane della piastra.

Nel punto centrale della citata piastra 10 sono realizzati gli ancoraggi per un'altra piastra mobile (non mostrata) che è posizionata sopra la precedente piastra fissa 10 a debita distanza.

La piastra mobile è libera di oscillare e andare a toccare, alternativamente, le estremità di quella sottostante, sulle quali sono posizionate le file di contatti 20,20',21,21'.

La piastra superiore (mobile) ha dei ponticelli (isolati tra loro e debitamente ammortizzati) in corrispondenza delle file dei contatti della piastra inferiore fissa 10.

Nel suo movimento la piastra mobile consente il cortocircuito a coppia dei contatti delle due file 20-20' e, successivamente, di quelli delle file 21-21'. Il movimento oscillatorio è facilitato da due cuscinetti a sfera 30,30' che ne riducono l'attrito permettendo a due elettrocalamite non mostrate di attirare ora su un lato ora sull'altro, la piastra mobile.

Le elettrocalamite sono comandate dallo stesso tipo di segnale utilizzato per i relè.

Le distanze tra i contatti ed i relativi ponticelli e la velocità di oscillazione scandiscono i tempi di commutazione, mentre la durata dell'impulso che eccita le elettrocalamite determina i tempi di permanenza sul generatore e sul carico. Questi parametri devono essere opportunamente calcolati in fase di progettazione della macchina.

Il tecnico del settore potrà anche realizzare dei dispositivi che utilizzano motori ed idonee camme o altri sistemi, per ottenere gli scambi necessari. E' inoltre evidente che si potrebbe far uso di più di due file (A,B,C,D,...) di condensatori, ottenendo gli stessi scopi. Mentre una fila (A) viene caricata, le altre possono essere utilizzate per fornire la potenza al carico.

La presente invenzione è applicabile per la produzione di vari tipi di alimentatori di grandi potenze e di piccole dimensioni, e in tutte quelle applicazioni dove necessitano delle tensioni in genere diverse da quelle disponibili.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Dispositivo per la somma-moltiplicazione o la sottrazione-divisione di tensioni elettriche, caratterizzato dal fatto di comprendere la manipolazione di tensioni continue o alternate e di comprendere almeno una fila di condensatori collegati alternativamente in parallalelo/serie a un generatore o a una batteria (Vb) e in serie/parallelo a un carico (Vout), gli scambi per ottenere il collegamento ora al generatore o alla batteria (Vb), ora al carico (Vout) / essendo effettuati mediante dispositivi elettromeccanici, oppure mediante interruttori elettronici; detti condensatori attingendo energia dal generatore o batteria (Vb) e cedendo la stessa al carico, dopo i suddetti scambi.
2. 2. Dispositivo per la somma-moltiplicazione o la sottrazione-divisione di tensioni elettriche secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i condensatori di una fila sono tutti uguali fra loro, di modo che la tensione (Vout) capi del carico sarà pari a n volte la tensione della batteria o del generatore, nel caso in cui durante la carica i condensatori sono in parallelo, e pari a 1/n volte la tensione della batteria (Vb) o del generatore, nel caso in cui durante la carica i condensatori della stessa fila sono in serie.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 e 2, caratterizzato dal fatto di comprendere più di una fila di condensatori, in maniera tale che il carico possa essere alimentato di continuo.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1,2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti scambi sono effettuati tramite relè, oppure camme azionate da motori di piccola potenza, o similari od altro tipo di meccanismo.
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, caratterizzato dal fatto che i relè o gli interruttori elettronici sono comandati da segnali impulsivi a onda quadra o di altra forma, che impiegano una potenza bassa rispetto alle potenze sviluppate dal dispositivo.
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazióni precedènti caratterizzato, dal fatto che il carico è isolato dal generatore, di modo che quei condensatori che stanno cedendo energia al carico sono isolati rispetto alla batteria e quelli che stanno accumulando energia sono isolati rispetto al carico.
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso viene utilizzato come inverter presentando al carico le file (A) e (B) di condensatori con le polarizzazioni invertite, ottenendo così una tensione alternata che può essere opportunamente trattata (K, Fig. 6) per ottenere un'onda (Vout) simile ad una funzione seno.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sono previsti degli sfasatori (Sf, Sf1) e delle reti di ritardo per garantire il corretto funzionamento degli interruttori elettronici, e dal fatto di utilizzare dei disaccoppiatori ottici per separare elettricamente i circuiti di comando da quelli di potenza .
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che un'onda quadra a duty cycle viene utili comando per gli interruttori elettronici alfine di garantire il corretto funzionamento degli tori stessi