Устройство для резонансного заряда конденсатора
DEVICE FOR RESONANCE CHARGE OF CAPACITOR

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания импульсных нагрузок. Уровень техники
Известно устройство для заряда суперконденсаторных батарей, в котором реализован способ резонансного заряда («Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017), упрощенная схема которого приведена на фиг. 1. Оно состоит из конденсатора источника питания 1, подключенных к нему транзистора 2 и 6, конденсатора 4, подключенных к нему транзисторов 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5, 7 подключена индуктивность 3. Первый цикл зарядки, (фиг. 2), происходит от конденсатора источника питания 1 по последовательной цепи транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 6, конденсатор 4. До определенных величин емкости конденсатора 4 за первый цикл он теоретически может зарядиться до двойного напряжения источника питания. Каждый последующий цикл подзарядки конденсатора 4 происходит в два этапа: при подключении индуктивности 3 к конденсатору источника питания 1 через транзисторы 2, 7 в ней происходит накопление энергии, при переключении ее к конденсатору 4 через транзисторы 5,6 происходит его подзарядка. За несколько таких циклов напряжение на конденсаторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Поэтому это устройство и принимается в качестве прототипа, хотя оно и несколько отличается схематически от предлагаемого устройства.
В прототипе за один цикл подзарядки в конденсатор передается фиксированная энергия, потому что амплитуда тока в индуктивности определяется только величиной напряжения на входном конденсаторе, что ограничивает амплитуду зарядного тока и увеличивает время заряда конденсатора. Кроме того отключение транзистора 2, через который передается энергия в индуктивность, происходит при максимальном токе, что приводит к повышенным потерям (жесткая коммутация транзисторов).
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является заряд конденсатора до напряжения в несколько раз превышающего напряжение источника питания и сокращение времени заряда. Для этого предлагается устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор.
Описание фигур.
Фиг. 1. Упрощенная схема прототипа.
1 - конденсатор источника питания, 2, 5, 6, 7 - транзисторы, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор.
Прототип (фиг. 1) состоит из конденсатора источника питания 1, к которому подключены последовательно включенные транзисторы 2 и 6, конденсатора 4, которому подключены последовательно включенные транзисторы 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5 и 7 подключена индуктивность 3.
Фиг. 2. Временные диаграммы токов и напряжений и токов прототипа.
i1 - ток через индуктивность, i2 - ток через конденсатор, Uc - напряжение на выходном конденсаторе
Принцип работы прототипа заключается в следующем (фиг. 2).
В интервале времени 0-t1 через последовательно включенные транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 5 и конденсатор 4 протекает ток, который заряжает конденсатор 4 от нуля до некоторого напряжения. В интервале времени t1-t2 через последовательно включенные транзисторы 2, 7 и индуктивность 3 протекает ток, при этом в индуктивности 3 запасается энергия, которая в интервале времени t2-t3 подзаряжает конденсатор 4. Во времена третьего и последующих циклов величина передаваемой в конденсатор энергии не меняется.
Фиг. 3. Устройство для резонансного заряда конденсатора.
1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 8 - перезарядная индуктивность, 9 - ограничивающий транзистор, Un - напряжение источника питания.
Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 8 и ограничивающий транзистор 9.
Фиг. 4. Временные диаграммы напряжений и токов.
U1 - инапряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение управления ограничивающим транзистором 9, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4.
Осуществление изобретения
Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 4), на которых: U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4. Первоначально напряжение на конденсаторе относительно «земли» равно нулю. В момент времени t=0 открываются транзистор 2 и ограничивающий транзистор 9, происходит первоначальный заряд конденсатора квазисинусоидальным импульсом тока по цепи 1, 2, 3, 4. Ток протекает и по цепи перезарядная индуктивность 8, ограничивающий транзистор 9, но он намного ниже зарядного тока через конденсатор 4, так как величина перезарядной индуктивности 8 в несколько раз больше чем индуктивности 3. После снижения зарядного тока до нуля и закрытия транзистора 2 (t1) (мягкая коммутация) положительно заряженный конденсатор 4 перезаряжается через перезарядную индуктивность 5 и ограничивающий транзистор 8 до отрицательного напряжения, более чем в два раза превышающего напряжение источника питания. Ограничивающий транзистор 8 постоянно открыт до заряда конденсатора 4 до заданного напряжения. В момент t2 открывается транзистор 2, напряжения источника питания и конденсатора складываются, импульс зарядного тока выше, соответственно выше и увеличение напряжения на конденсаторе при этом цикле. Второй цикл заканчивается в момент t4, при этом напряжение на конденсаторе 4 увеличится сравнению с первым циклом. После нескольких циклов заряд-перезаряд напряжение на конденсаторе в несколько раз превысит двойное напряжение источника питания. Когда оно достигнет заданного значения, ограничивающий транзистор 8 закрывается, последний цикл состоит только из интервала перезарядки конденсатора через источник питания (tn-tn+1). Заряженный конденсатор разряжается на физическую нагрузку.
Расчеты показывают, что при индуктивности 3 - L=0,004 Гн, перезарядной индуктивности 5 - L=0,025 Гн, конденсаторе 4 - С=6 мкФ после первого цикла напряжение на конденсаторе 4 превысит напряжение источника питания в 2,51 раза, через 5 циклов - в 10,2 раза, а через 10 циклов - в 20,6 раз (для прототипа через 5 циклов в 2,23 раза, через 10 циклов в 3,16 раза).
Таким образом, в каждый последующий цикл заряда конденсатора в него вводится большая энергия по сравнению с предыдущим циклом. Этот результат достигается за счет того, что параллельно конденсатору подключены перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Благодаря этому, после цикла заряда конденсатора, от конденсатора источника питания происходит резонансный перезаряд конденсатора от положительного напряжения до отрицательного без ввода энергии, а амплитуда зарядного тока каждого последующего цикла определяется суммой напряжений на конденсаторе источника питания и возрастающего от цикла к циклу напряжения на конденсаторе.
Литература.
1. Полезная модель к изобретению «Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017.