СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ДВУМЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ
CIRCUIT DEVICE HAVING AT LEAST TWO SERIES-CONNECTED CAPACITORS

Изобретение относится к схемному устройству с, по меньшей мере, двумя конденсаторами, которые подключены последовательно к напряжению, причем параллельно к, по меньшей мере, двум конденсаторам расположен делитель напряжения, который делит напряжение на, по меньшей мере, два конденсатора.
Согласно уровню техники конденсаторы включаются последовательно, если прикладываемое напряжение больше, чем допустимое напряжение на отдельном конденсаторе. Электролитические конденсаторы (ELKO) имеются, например, в габаритах, рассчитанных на номинальное напряжение 500 В. В соответствии с этим в применениях, которые предусматривают накопление электрической энергии в ELKO с напряжениями свыше 500 В, два или несколько ELKO включаются последовательно.
Известно, например, применение нескольких входных конденсаторов для инверторов (преобразователей постоянного тока в переменный), посредством которых электрическая энергия из альтернативных источников энергии рекуперируется в электросеть. Прежде всего, в случае солнечных фотоэлектрических генераторов (солнечных батарей) на входе инвертора возникают высокие напряжения, поэтому, как правило, для накопления энергии на стороне входа предусматривается последовательное включение нескольких ELKO.
Для того чтобы приложенное входное напряжение равномерно разделить на несколько конденсаторов согласно уровню техники, параллельно конденсаторам размещается делитель напряжения. В простейшем случае делитель напряжения состоит из высокоомных сопротивлений, причем параллельно каждому конденсатору включено сопротивление.
Подобные последовательные включения нескольких конденсаторов имеют недостаток, заключающийся в том, что желательное ограничение напряжения упраздняется, когда возникает помеха, при которой конденсатор замыкается накоротко. Короткое замыкание конденсатора приводит принудительным образом к тому, что входное напряжение теперь делится между остальными, не короткозамкнутыми конденсаторами.
Эта проблема известным способом решается расчетом с запасом конденсаторной схемы. Так, например, включаются дополнительные конденсаторы, чтобы отказ или короткое замыкание отдельных конденсаторов компенсировать. Недостатками при этом являются повышенные затраты на компоненты и необходимость предусматривать дополнительную схему, которая указывает выход из строя конденсаторов.
Другой известной мерой для защиты конденсаторов является размещение плавких предохранителей в пути тока каждого отдельного конденсатора. В случае короткого замыкания расплавившийся предохранитель прерывает протекание тока, и остальные конденсаторы далее не заряжаются. Перед новым пуском в эксплуатацию, наряду с устранением причины короткого замыкания, также должен заменяться предохранитель.
В основе изобретения лежит задача предложить усовершенствование схемного устройства вышеназванного типа по сравнению с уровнем техники.
В соответствии с изобретением эта задача решается посредством схемного устройства с, по меньшей мере, двумя конденсаторами, которые подключены последовательно к напряжению, причем параллельно к, по меньшей мере, двум конденсаторам расположен делитель напряжения, который делит напряжение на, по меньшей мере, два конденсатора, причем, кроме того, параллельно каждому конденсатору последовательно с последовательным сопротивлением размещен защитный диод таким образом, что пороговое напряжение диода меньше, чем допустимое напряжение размещенного параллельно защитному диоду конденсатора, и причем параллельно последовательным сопротивлениям размещена схема защиты.
Это устройство можно реализовать с простыми компонентами. Специально предназначенная схема защиты, которая размещена параллельно последовательным сопротивлениям, защищает конденсаторы, как только частичное напряжение на одном из конденсаторов превысит пороговое напряжение защитного диода, включенного параллельно конденсатору, и, тем самым, на соответствующем последовательном сопротивлении приложено напряжение. С этой целью схема защиты содержит, например, устройство для свободного переключения конденсаторов, которое в простейшем случае выполнено как переключающий элемент на входе конденсаторной схемы. В другом выполнении схема защиты содержит конденсатор, который в случае необходимости подключается последовательно к остальным конденсаторам.
Предпочтительным является, если схема защиты содержит, по меньшей мере, один элемент связи с передающей частью и приемной частью, который последовательные сопротивления связывает со схемой тревожной сигнализации таким образом, чтобы напряжение, приложенное к последовательному сопротивлению, вызывало активирование схемы тревожной сигнализации. Схема тревожной сигнализации использует тогда, по сравнению с конденсаторной схемой, более низкий уровень напряжения и может интегрироваться в схему управления устройства, включающего в себя конденсаторную схему. Гальваническое разделение между передающей и приемной частью, по меньшей мере, одного элемента связи к тому же повышает надежность устройства.
Простая подобная форма выполнения предусматривает, что схема тревожной сигнализации включает в себя устройство для свободного переключения, по меньшей мере, двух конденсаторов и что устройство для свободного переключения последовательно с приемной частью, по меньшей мере, одного элемента связи подключено к вспомогательному напряжению. В случае короткого замыкания конденсатора, связь находящегося под напряжением последовательного сопротивления со схемой тревожной сигнализации вызывает тогда то, что устройство для свободного переключения посредством приемной части, по меньшей мере, одного элемента связи нагружается вспомогательным напряжением. Вспомогательное напряжение при этом используется, например, в качестве управляющего напряжения переключающего элемента для свободного переключения.
В устройстве с несколькими элементами связи между конденсаторной схемой и схемой тревожной сигнализации приемные части элементов связи включены параллельно, причем это параллельное включение последовательно с устройством для схемы тревожной сигнализации подключено к вспомогательному напряжению. Затем передача сигнала каждого элемента связи приводит к тому, что схема тревожной сигнализации активируется.
Предпочтительная форма выполнения изобретения предусматривает, что, по меньшей мере, два конденсатора подключены последовательно к напряжению, что параллельно к каждому конденсатору размещено сопротивление, и что параллельно каждому сопротивлению включена последовательная схема из защитного диода и последовательного сопротивления, и что, кроме того, параллельно каждому последовательному сопротивлению размещена передающая часть элемента связи. С помощью такой схемы любое количество конденсаторов может быть включено последовательно, не ухудшая защитное действие схемы.
Для двух последовательно включенных конденсаторов предпочтительна схема, в которой параллельно первому конденсатору размещено первое сопротивление последовательно с первым последовательным сопротивлением, а параллельно второму конденсатору - второе сопротивление последовательно со вторым последовательным сопротивлением, и в которой параллельно первому сопротивлению размещен первый защитный диод, а параллельно второму сопротивлению - второй защитный диод, и в которой, кроме того, параллельно последовательной схеме, образованной из последовательных сопротивлений, размещена передающая часть элемента связи. Таким образом, требуется только один элемент связи, посредством которого оба последовательных сопротивления связаны со схемой тревожной сигнализации.
Предпочтительным является, если параллельно каждому последовательному сопротивлению размещен полупроводниковый стабилитрон для защиты передающей части, по меньшей мере, одного элемента связи. Напряжения пробоя полупроводниковых стабилитронов лежат при этом ниже допустимого напряжения, по меньшей мере, одного элемента связи.
Кроме того, предпочтительно, если перед передающей частью, по меньшей мере, одного элемента связи включено добавочное сопротивление. С помощью этого добавочного сопротивления в случае активирования ограничивается ток через передающую часть, по меньшей мере, одного элемента связи.
Предпочтительным образом защитные диоды выполнены как гасящие диоды. Они имеют в качестве порогового напряжения определенное напряжение пробоя, а также очень высокую мощность утечки и высокое быстродействие срабатывания.
Для элементов связи предпочтительным является выполнение в виде оптопары. Оптопары являются испытанными компонентами, которые гарантируют гальваническую развязку между передающей частью, выполненной в виде светодиода, и приемной частью, выполненной в виде фоторезистора.
Изобретение поясняется далее на примере со ссылками на приложенные чертежи, на которых в схематичном представлении показано следующее:
фиг.1 - схемное устройство с несколькими последовательно размещенными конденсаторами,
фиг.2 - схемное устройство с двумя последовательно размещенными конденсаторами и двумя элементами связи,
фиг.3 - схемное устройство с двумя последовательно размещенными конденсаторами и одним элементом связи,
фиг.4 - схемное устройство по фиг.3 с протеканием тока при короткозамкнутом первом конденсаторе,
фиг.5 - схемное устройство по фиг.3 с протеканием тока при короткозамкнутом втором конденсаторе.
1
(n)
i
1
(n)
1
(n)
1
(n)
На фиг.1 показана форма выполнения схемного устройства, соответствующего изобретению, с несколькими последовательно размещенными конденсаторами C … C, причем каждому конденсатору C для упрощения последующего описания присвоен индекс i=1 … n. При этом число n конденсаторов C … C зависит от приложенного напряжения U, номинальных напряжений конденсаторов C … C и деления напряжения на отдельные конденсаторы C … C.
1
(n)
i
i
i
i
Деление напряжения задается делителем напряжения. Делитель напряжения в простейшем случае, как показано на фиг.1, образован из нескольких сопротивлений R … R, причем параллельно каждому конденсатору C включено сопротивлений R. Напряжение U делится соответственно значениям сопротивлений на отдельные конденсаторы C. При одинаковых значениях сопротивлений к каждому конденсатору C приложено одинаковое частичное напряжение U/n.
i
i
Si
i
i
i
n
Параллельно каждому сопротивлению R включена последовательная схема из защитного диода D и последовательного сопротивления R. Соответствующий защитный диод D имеет при этом пороговое напряжение, которое лежит ниже допустимого напряжения параллельно расположенных конденсаторов C. При этом защитные диоды D … D предпочтительно выполнены как гасящие диоды.
1
(n)
В режиме работы без помех для частичных напряжений, приложенных к конденсаторами C … C, справедливо соотношение:
1
2
(n-1)
(n)
max
UC=UC=UC=UC=U/n.
i
(n)
Для напряжений на защитных диодах D … D справедливо соотношение:
1
2
(n-1)
(n)
(n)
UD=UD=UD=UD=UC.
S1
S(n)
1
(n)
1
(n)
S1
S(n)
К последовательным сопротивлениям R … R в режиме работы без помех не приложено никакое напряжение, так как напряжения UD … UD, приложенные к защитным диодам D … D, меньше, чем их пороговое напряжение. Параллельно последовательным сопротивлениям R … R размещена схема защиты.
1
n
Si
i
Si
S1
V1
Vn
Показанная на фиг.1 схема защиты включает в себя n элементов связи OC … OC, которые предпочтительно выполнены как оптопары. Параллельно каждому последовательному сопротивлению R при этом включена передающая часть (например, светодиод) элемента связи OC. К тому же, для защиты передающих частей от перенапряжений параллельно каждому последовательному сопротивлению R включен полупроводниковый стабилитрон D, который становится проводящим, как только приложенное к передающей части напряжение достигает допустимого максимального значения. От тока перегрузки передающая часть защищена посредством добавочных сопротивлений R … R.
1
n
S
1
n
Приемные части элементов связи OC … OC (например, фототранзисторы) включены параллельно вспомогательному напряжению U и устройству ALARM (тревожной сигнализации) для свободного переключения конденсаторов C … C от приложенного на входе напряжения U.
i
1
(i-1)
(i+1)
(n)
1
(i-1)
(i+1)
(n)
1
(i-1)
(i+1)
(n)
1
(i-1)
(i+1)
(n)
Si
S(i-1)
S(i+1)
S(n)
1
(i-1)
(i+1)
(n)
1
(n)
В случае помех, когда конденсатор C короткозамкнут, приложенное на входе напряжение U разделяется на остальные, не замкнутые накоротко конденсаторы C … C, C … C. При этом превышается пороговое напряжение защитных диодов D … D, D … D, размещенных параллельно этим конденсаторам C … C, C … C. Защитные диоды D … D, D … D становятся проводящими, и на последовательных сопротивлениях R … R, R … R формируется напряжение, которое через элементы связи OC … OC, OC … OC вызывает активирование схемы тревожной сигнализации для свободного переключения конденсаторов C … C.
1
2
1
2
2
1
На фиг.2 показано схемное устройство в той же форме выполнения только с двумя последовательно соединенными конденсаторами C, C. В случае помех, то есть при коротком замыкании конденсатора C или C, все приложенное на входе напряжение U прикладывается к незамкнутому накоротко конденсатору C или C. При этом способ работы схемы защиты соответствует описанному на фиг.1.
1
2
S1
S2
1
2
1
S1
2
S2
1
2
Если только два конденсатора C и C включены последовательно, также целесообразной является другая соответствующая изобретению форма выполнения. Подобное альтернативное схемное устройство представлено на фиг.3. В этом устройстве последовательные сопротивления R, R являются элементами делителя напряжения для разделения приложенного на входе напряжения U на оба конденсатора C, C. Делитель напряжения составляется тогда из первой последовательной схемы, состоящей из первого сопротивления R и первого последовательного сопротивления R, и второй последовательной схемы, состоящей из второго сопротивления R и второго последовательного сопротивления R. Первая последовательная схема включена параллельно первому конденсатору C, а вторая последовательная схема включена параллельно второму конденсатору C.
1
2
S1
S2
При этом для сопротивлений R, R, R, R справедливо соотношение:
1
S1
2
S2
(R+R)=(R+R).
1
2
S1
S2
S1
S2
S1
S2
V
Напряжение U делится тогда равномерно на оба конденсатора C, C. Параллельно каждому последовательному сопротивлению R, R вновь размещен соответствующий полупроводниковый стабилитрон D, D для защиты от перенапряжений в схеме защиты. При этом оба полупроводниковых стабилитрона D, D образуют последовательную схему, параллельно которой включен элемент связи ОС с добавочным сопротивлением R.
1
2
1
2
2
S2
2
S2
S1
V
2
2
S2
S1
V
S2
S2
Протекание тока при коротком замыкании конденсатора C, C показано на фиг.4 и 5. Показанное на фиг.4 короткое замыкание первого конденсатора 1 вызывает протекание тока от положительного полюса напряжения U через первый конденсатор C, за счет чего на втором конденсаторе C приложено все напряжение U. Все напряжение U приложено, таким образом, к последовательной схеме из второго сопротивления R и второго последовательного сопротивления R. Эта последовательная схема делит напряжение U на второй защитный диод Dи второй полупроводниковый стабилитрон D или параллельно этому расположенные элементы схемы защиты D, R, OC. При этом превышается пороговое напряжение второго защитного диода D, вследствие чего последний становится проводящим. Таким образом, ток протекает через проводящий второй защитный диод Dк отрицательному полюсу приложенного на входе напряжения U. Приложенное на втором последовательном сопротивлении R напряжение вызывает протекание тока через схему защиты, т.е. через полупроводниковый стабилитрон D, добавочное сопротивление R и передающую часть элемента связи OC. Это протекание тока определяется при этом посредством второго полупроводникового стабилитрона D, включенного параллельно второму последовательному сопротивлению R.
1
2
Как только ток начинает протекать через схему защиты, посредством элемента связи ОС активируется схема тревожной сигнализации, и конденсаторы C, C посредством устройства ALARM для свободного переключения разъединяются от приложенного на входе напряжения U. Это происходит так, что посредством приемной части элемента связи ОС устройство ALARM подключается к вспомогательному напряжению.
2
1
1
На фиг.5 представлено протекание тока при коротком замыкании второго конденсатора C. В этом случае все напряжение U приложено к первому конденсатору C, что приводит к срабатыванию первого защитного диода D. Через схему защиты вновь протекает ток, который вызывает свободное переключение конденсаторов, благодаря чему их повреждение предотвращается.
1
2
После устранения неисправности, которая привела к короткому замыканию одного из конденсаторов C или C, схема может снова запускаться в работу.