УСТРОЙСТВО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СБОРА ЭНЕРГИИ, ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО УСТРОЙСТВА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
DEVICE-CONVERTER FOR ENERGY COLLECTION, ENERGY GENERATOR, FITTED WITH SUCH CONVERTER DEVICE AND APPLICATION OF SUCH CONVERTER DEVICE

Информация, содержащаяся в заявке на патент Германии DE 10 2016 224 639.9, включена в настоящую заявку по ссылке.
Предлагаемое изобретение относится к устройству-преобразователю для сбора энергии и к генератору энергии, снабженному таким устройством-преобразователем. Кроме того, предлагаемое изобретение относится к применению такого устройства-преобразователя.
Под собиранием энергии здесь понимается извлечение малых количеств электрической энергии из источников, находящихся в окрестностях передвижного электрического прибора, например, из температуры окружающей среды или из вибраций. Применимые устройства для сбора энергии, такие как термоэлектрические генераторы или пьезоэлектрические кристаллы обеспечивают либо напряжение неизменной полярности (напряжение постоянного тока), либо напряжение чередующейся полярности (напряжение переменного тока). Чтобы обеспечить возможность эффективно использовать энергию, предоставляемую устройством для сбора энергии, требуется устройство-преобразователь.
Предлагаемое изобретение имеет целью создание простого, надежного, эффективного и допускающего повсеместное использование устройства-преобразователя для сбора энергии, которое могло бы работать как от напряжения неизменной полярности, поставляемого устройством для сбора энергии, так и от напряжения чередующейся полярности.
Указанная цель предлагаемого изобретения достигается созданием устройства-преобразователя для сбора энергии, содержащего следующие компоненты:
- преобразователь, включающий
-- первый входной соединительный элемент и второй входной соединительный элемент для соединения с устройством для сбора энергии,
-- первый выходной соединительный элемент и второй выходной соединительный элемент для соединения с накопителем гальванического электричества,
-- первую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества положительным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую
--- первый электронный переключатель и
--- первый накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем, при этом упомянутый первый накопитель электрической энергии содержит первую катушку индуктивности, первый конденсатор и первый запирающий элемент,
-- вторую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества отрицательным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую
--- второй электронный переключатель и
--- второй накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем, при этом упомянутый второй накопитель электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности, второй конденсатор и второй запирающий элемент,
- управляющее устройство для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя и второго электронного переключателя на основе полярности напряжения устройства для сбора энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам, и при этом упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу.
Предлагаемый преобразователь выполнен как повышающий преобразователь. Благодаря тому, что преобразователь содержит первую зарядную схему, которая может работать от положительного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, и вторую зарядную схему, которая может работать от отрицательного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, обеспечена возможность преобразования напряжения чередующейся полярности, прикладываемой к входным соединительным элементам, в напряжение постоянного тока (то есть, имеет место преобразование переменного тока в постоянный). Для этой цели каждая из упомянутых зарядных схем имеет электронный переключатель и соединенный с ним последовательно накопитель электрической энергии. Упомянутое управляющее устройство использовано для приведения электронных переключателей в действие на основе полярности напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, так что в зависимости от этой полярности работает первая зарядная схема или вторая зарядная схема, или же по очереди работают обе зарядные схемы.
Предлагаемое устройство-преобразователь обеспечивает простое и эффективное накопление и подачу электрической энергии. Упомянутая первая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому первому конденсатору. Упомянутый первый запирающий элемент соединен последовательно с первой катушкой индуктивности или с первым конденсатором. Этот первый запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Первый запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации первый электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии в первой катушке индуктивности благодаря положительному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка первого конденсатора предотвращена первым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации первый электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка первого конденсатора от первой катушки индуктивности, благодаря тому, что через первый запирающий элемент протекает ток.
Упомянутая вторая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому второму конденсатору. Упомянутый второй запирающий элемент соединен последовательно со второй катушкой индуктивности или со вторым конденсатором. Этот второй запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Второй запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации второй электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии во второй катушке индуктивности благодаря отрицательному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка второго конденсатора предотвращена вторым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации второй электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка второго конденсатора от второй катушки индуктивности, благодаря тому что через второй запирающий элемент протекает ток.
Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение чередующейся полярности, то первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим одним из выходных соединительных элементов (преобразование переменного тока в постоянный). Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение неизменной полярности, то в зависимости от конкретной полярности с выходными соединительными элементами соединен либо первый конденсатор, либо второй конденсатор (преобразование постоянного тока в постоянный).
Предлагаемое устройство-преобразователь имеет простую конструкцию и может быть использовано повсеместно. Благодаря тому что упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу, они легко приводятся в действие требуемым образом с помощью связанных с ними электронных переключателей. Соответствующий электронный переключатель соединен с одним из входных соединительных элементов, а соответствующий связанный с ним накопитель электрической энергии соединен с другим соединительным элементом. Представляется предпочтительным такое решение, при котором накопители электрической энергии соединены с первым входным соединительным элементом, а электронные переключатели соединены со вторым входным соединительным элементом. При таком решении достигнуто симметричное строение предлагаемого устройства-преобразователя.
Устройство-преобразователь, в котором первый накопитель электрической энергии соединен с первым выходным соединительным элементом, а второй накопитель электрической энергии соединен со вторым выходным соединительным элементом, легко обеспечивает выходное напряжение. Для обеспечения работы передвижного электронного прибора к выходным соединительным элементам может быть подсоединен перезаряжаемый накопитель гальванического электричества, или перезаряжаемая аккумуляторная батарея. Упомянутый перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему, которая может работать от этого накопителя гальванического электричества и (или) от вырабатываемого выходного напряжения. Упомянутый передвижной электронный прибор может представлять собой, например, переносный электронный прибор, или же электронный прибор, установленный на транспортном средстве. В частности, первый накопитель электрической энергии дополнительно соединен с третьим выходным соединительным элементом и (или) второй накопитель электрической энергии дополнительно соединен с четвертым соединительным элементом. Если ко входным соединительным элементам приложено напряжение неизменной полярности, то перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может быть подсоединен к первому и третьему выходным соединительным элементам при положительном напряжении и ко второму и четвертому соединительным элементам при отрицательном напряжении. Кроме того, перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему.
Устройство-преобразователь, в котором один из входных соединительных элементов соединен с опорным узлом, обеспечивает простоту схемы и простоту работы. Упомянутый опорный узел должным образом обеспечивает опорный потенциал. Представляется предпочтительным такое решение, при котором с опорным узлом соединен входной соединительный элемент, соединенный с электронными переключателями. При таком решении обеспечена простота приведения в действие электронных переключателей.
Устройство-преобразователь, в котором первый электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую первый электронный переключающий элемент и второй электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронные переключающие элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные, или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-р). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы (полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник), в частности, n-канальные МОП-транзисторы.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены первый обращенный диод, включенный параллельно первому электронному переключающему элементу, и второй обращенный диод включенный параллельно второму электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором второй электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую третий электронный переключающий элемент и четвертый электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронных переключающих элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-p). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы, в частности, n-канальные МОП-транзисторы.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены третий обращенный диод, включенный параллельно третьему электронному переключающему элементу, и четвертый обращенный диод включенный параллельно четвертому электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим выходным соединительным элементом, просто и эффективно обеспечивает выходное напряжение для подзарядки накопителя гальванического электричества. При этом устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный.
Устройство-преобразователь, в котором предусмотрен сглаживающий конденсатор, включенный параллельно входным соединительным элементам, обеспечивает надежную и эффективную работу. Упомянутый сглаживающий конденсатор сглаживает импульсные скачки прикладываемого к входным соединительным элементам напряжения устройства для собирания энергии. Кроме того, этот сглаживающий конденсатор упрощает определение полного входного сопротивления.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит первую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, при этом для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:
где
1p
2p
Q и Q - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,
1n
2n
Q and Q - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,
1p
2p
Z и Z - это два следующих одно за другим состояния коммутации первой последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),
1p
1p
2p
S
обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии с первой последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z к общей длительности состояний коммутации Z и Z, иначе говоря, к длительности периода T.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит вторую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, при этом для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:
где
1p
2p
Q и Q - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,
1n
2n
Q and Q - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,
1n
2n
Z и Z - это два следующих одно за другим состояния коммутации второй последовательности переключения,
при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),
1n
1n
2n
S
обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии со второй последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z к общей длительности состояний коммутации Z и Z, иначе говоря, к длительности периода T.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит блок определения полярности для определения положительного напряжения и отрицательного напряжения устройства для собирания энергии, обеспечивает простую и надежную работу независимо от полярности напряжения устройства для собирания энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам. В результате работы блока определения полярности устройство-преобразователь способно определять, прикладывается ли к входным соединительным элементам исключительно положительное напряжение, исключительно отрицательное напряжение, или же чередующиеся положительное и отрицательное напряжение. Блок определения полярности обеспечивает надлежащий сигнал полярности, так что обеспечено простое и надежное переключение первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с прикладываемым в данный момент напряжением. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство используют для приведения в действие первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с первой последовательностью переключения и второй последовательностью переключения, реализованных в управляющем устройстве. Представляется предпочтительным такое решение, при котором блок определения полярности содержит измерительный датчик напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, а также детектор перехода через нулевой уровень. Упомянутый сигнал полярности, в частности, представляет собой цифровой сигнал. Например, этот сигнал полярности может быть равен единице («1») в случае положительного напряжения и нулю («0») в случае отрицательного напряжения.
Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит регулятор полного сопротивления для задания входного полного сопротивления, при этом регулятор полного сопротивления выполнен с возможностью изменять работу электронных переключателей на основе определенного значения входного полного сопротивления и заданного значения входного полного сопротивления, обеспечивает высокий уровень эффективности.Управляющее устройство имеет управляющий контур, реализованный в нем для входного полного сопротивления преобразователя. Полное входное сопротивление определяется на входных соединительных элементах. Для этого управляющее устройство снабжено измерительным датчиком напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам и измерительным датчиком тока для измерения тока, протекающего от устройства для собирания энергии к преобразователю. Входное полное сопротивление определяется управляющим устройством на основе измерений напряжения и тока. Исходя из заданного значения входного полного сопротивления и из определенного значения входного полного сопротивления, определяется ошибка регулирования или разность, которая подается на регулятор полного сопротивления. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор (ПИД - аббревиатура от пропорционально-интегрально-дифференциальный). Регулятор полного сопротивления обеспечивает блок переключения с регулируемым параметром. Этот регулируемый параметр используется для задания коэффициента заполнения D и, следовательно, входного полного сопротивления преобразователя. Блок переключения может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор. Представляется предпочтительным такое решение, при котором обеспечено такое регулирование полного сопротивления, когда входное полное сопротивление является чисто резистивным и, следовательно, измеряемое напряжение и измеряемый ток практически синфазны. Что касается заданного входного полного сопротивления, то оно может быть определено, например, эмпирически. Заданное входное полное сопротивление может быть, например, сопротивлением, при котором при собирании энергии обеспечена высокая эффективность, в частности, максимальная эффективность.
Кроме того, целью предлагаемого изобретения является создание простого, надежного и эффективного генератора энергии, обеспечивающего возможность получать как энергию напряжения чередующейся полярности, так и энергию напряжения неизменной полярности.
Эта цель достигается созданием генератора энергии, имеющего устройство-преобразователь согласно предлагаемому изобретению и устройство для сбора энергии, соединенное с входными соединительными элементами для получения напряжения. Преимущества генератора энергии согласно предлагаемому изобретению соответствуют преимуществам, которые уже описаны в отношении устройства-преобразователя. Устройство-преобразователь может работать как с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение неизменной полярности, так и с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение чередующейся полярности. Соответственно, в качестве устройства для сбора энергии могут быть использованы, например, пьезоэлектрические кристаллы или термоэлектрические генераторы. Представляется предпочтительным такое решение, при котором к выходным соединительным элементам устройства-преобразователя подсоединен накопитель гальванического электричества. Этот накопитель гальванического электричества является перезаряжаемым.
Использование устройства-преобразователя согласно предлагаемому изобретению, в частности, генератора энергии согласно предлагаемому изобретению обеспечивает высокий уровень гибкости и повсеместной применимости простыми средствами. Во-первых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения неизменной полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Во-вторых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения чередующейся полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Устройство-преобразователь автоматически настраивается на присоединенное к нему устройство для сбора энергии, так что устройство-преобразователь является простым и гибким в эксплуатации.
Другие признаки, преимущества и подробности предлагаемого изобретения станут понятны из описания нескольких иллюстративных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого генератора энергии согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения, при этом устройство-преобразователь и устройство для сбора энергии соединены с ним для обеспечения напряжения чередующейся полярности.
На фиг. 2 изображена временная характеристика напряжения, обеспечиваемого устройством для сбора энергии и временная характеристика импульсов переключения, генерируемых управляющим устройством для включения в работу преобразователя устройства-преобразователя.
На фиг. 3 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 4 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 5 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 6 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.
На фиг. 7 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено исключительно положительное напряжение устройства для сбора энергии, приложенное для обеспечения напряжения неизменной полярности согласно второму иллюстративному варианту осуществления.
На фиг. 8 изображена схема того же устройства-преобразователя, схема которого изображена на фиг.7, в его втором состоянии коммутации.
Далее следует описание первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи с фиг. 1 по фиг. 6. Генератор энергии 1 содержит устройство-преобразователь 2 и устройство 3 для сбора энергии. Устройство-преобразователь 2 содержит преобразователь 4 и связанное с ним управляющее устройство 5. Устройство 3 для сбора энергии соединено с первым входным соединительным элементом 6 и вторым входным соединительным элементом 7. Генератор энергии 1 использован для зарядки перезаряжаемого накопителя 8 гальванического электричества. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и вторым выходным соединительным элементом 10 преобразователя 4. Кроме того, преобразователь 4 имеет третий выходной соединительный элемент 9', который в рассматриваемом первом иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не задействован.
h
h
h
hp
hn
Устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение v, которое имеет чередующуюся полярность (напряжение переменного тока). Изменение этого напряжения v во времени проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 2. Часть напряжения v с положительной полярностью далее будет обозначаться v, а его часть с отрицательной полярностью далее будет обозначаться v.
in
h
in
1
0
0
1
0
Преобразователь 4 имеет сглаживающий конденсатор C, предназначенный для сглаживания напряжения v, при этом упомянутый сглаживающий конденсатор соединен параллельно входным соединительным элементам 6, 7 и устройству 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор C соединен с узлом K и с опорным узлом K. Опорный узел K задает опорный потенциал. Первый входной соединительный элемент 6 соединен с узлом K а второй соединительный элемент 7 соединен с опорным узлом K.
hp
hn
1
0
Преобразователь 4 содержит первую зарядную схему 11 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении положительного напряжения v и вторую зарядную схему 12 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении отрицательного напряжения v. Упомянутые зарядные схемы 11, 12 соединены с узлом K и опорным узлом K и включены параллельно друг другу.
1p
2p
1p
2p
1p
1p
0
1p
1p
2p
2p
2p
2p
2p
Первая зарядная схема 11 содержит первый электронный переключатель 13 и соединенный с ним последовательно первый накопитель электрической энергии 14. Этот первый электронный переключатель 13 выполнен как последовательная схема, содержащая первый электронный переключающий элемент Q и второй электронный переключающий элемент Q. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q и Q выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S первого переключающего элемента Q соединен с опорным узлом K. Вывод стока D первого переключающего элемента Q соединен с выводом стока D второго переключающего элемента Q. Вывод истока S второго переключающего элемента Q соединен с узлом K первой зарядной схемы 11.
1p
1p
1p
1p
1p
1p
2p
2p
2p
2p
2p
2p
1p
2p
1p
2p
1p
2p
Параллельно первому переключающему элементу Q включен первый паразитный обращенный диод F. Этот первый паразитный обращенный диод F соединен с выводом истока S и выводом стока D таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S. Соответственно, параллельно второму переключающему элементу Q включен второй паразитный обращенный диод F. Этот второй паразитный обращенный диод F соединен с выводом истока S и выводом стока D таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S. Поэтому упомянутые обращенные диоды F и F имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q и Q гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F и F имеет отрицательное смещение при приложении к первому электронному переключателю 13 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.
p
p
p
p
1
2p
p
1
3p
p
2p
3p
2p
p
3p
1
Первый накопитель электрической энергии 14 содержит первую катушку индуктивности L, первый конденсатор C и первый запирающий элемент D. Первая катушка индуктивности L соединена с узлом K и с узлом K. Первый конденсатор C соединен с узлом K и с узлом K. Первый запирающий элемент D включен между узлом K и узлом K таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K. Первый запирающий элемент D реализован в виде диода. С узлом K соединен первый выходной соединительный элемент 9. С узлом K соединен третий выходной соединительный элемент 9'.
1n
2n
1np
2n
1n
1n
0
1n
1n
2n
2n
2n
2n
2n
Вторая зарядная схема 12 содержит второй электронный переключатель 15 и соединенный с ним последовательно второй накопитель 16 электрической энергии. Этот второй электронный переключатель 15 выполнен как последовательная схема, содержащая третий электронный переключающий элемент Q и четвертый электронный переключающий элемент Q. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q и Q выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S третьего переключающего элемента Q соединен с опорным узлом K. Вывод стока D третьего переключающего элемента Q соединен с выводом стока D четвертого переключающего элемента Q. Вывод истока S четвертого переключающего элемента Q соединен с узлом K первой зарядной схемы 12.
1n
1n
1n
1n
1n
1n
2n
2n
2n
2n
2n
2n
1n
2n
1n
2n
1n
2n
Параллельно третьему переключающему элементу Q включен третий паразитный обращенный диод F. Этот третий паразитный обращенный диод F соединен с выводом истока S и выводом стока D таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S. Соответственно, параллельно четвертому переключающему элементу Q включен четвертый паразитный обращенный диод F. Этот четвертый паразитный обращенный диод F соединен с выводом истока S и выводом стока D таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S. Поэтому упомянутые обращенные диоды F и F имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q и Q гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F и F имеет отрицательное смещение при приложении к третьему электронному переключателю 15 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.
n
n
n
n
1
2n
n
1
3n
n
2n
3n
3n
n
3n
Второй накопитель электрической энергии 16 содержит вторую катушку индуктивности L, второй конденсатор C и второй запирающий элемент D. Вторая катушка индуктивности L соединена с узлом K и с узлом K. Второй конденсатор C соединен с узлом K и с узлом K. Второй запирающий элемент D включен между узлом K и узлом K таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K. Второй запирающий элемент D реализован в виде диода. С узлом K соединен второй выходной соединительный элемент 10.
h
hp
hp
hp
1p
2p
Управляющее устройство 5 использовано для приведения в действие первого электронного переключателя 13 и второго электронного переключателя 15 на основе полярности напряжения v, то есть, на основе положительного напряжения v и отрицательного напряжения v. Управляющее устройство 5 подсоединено к опорному потенциалу. Управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено положительное напряжение v, реализуется первая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z и следующим за ней вторым состоянием коммутации Z. Для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:
1p
2p
где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 3, а состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 4.
hn
1n
2n
Кроме того, управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено отрицательное напряжение v, реализуется вторая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z и следующим за ним вторым состоянием коммутации Z. Для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:
1n
2n
где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 5, а состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 6.
S
S
S
S
S
1p
1n
S
2p
2n
S
Каждая из вышеуказанных последовательностей, и первая и вторая, имеет период длительностью T. Для этой длительности T выполняется равенство T=1/f, где f - это постоянная частота переключения управляющего устройства 5. Соответствующие первые состояния коммутации Z и Z имеют каждое длительность D⋅T, а соответствующие связанные с ними вторые состояния коммутации Z и Z имеют каждое длительность (1-D)⋅T, где D - это коэффициент заполнения.
h
h
h
Управляющее устройство 5 содержит измерительный датчик напряжения 17 для измерения напряжения v и измерительный датчик тока 18 для измерения тока i. Ток i протекает между устройством 3 для сбора энергии и преобразователем 4.
h
h
hp
hn
1p
2p
1n
2n
1p
2p
1n
2n
1p
2p
1n
2n
1p
2p
1n
2n
1p
2p
1n
2n
Управляющее устройство 5 содержит блок 19 определения полярности, на который поступает измеряемое напряжение v. Этот блок 19 определения полярности выполнен с возможностью определять, является ли напряжение v положительным или отрицательным. Для этого блок 19 определения полярности может быть выполнен, например, как детектор перехода через нулевой уровень. Блок 19 определения полярности генерирует надлежащий цифровой сигнал полярности Р. Поэтому блок 19 определения полярности определяет положительное напряжение v и отрицательное напряжение v. Упомянутый сигнал полярности Р подается на блок переключения 20 управляющего устройства 5. Упомянутый блок переключения 20 генерирует управляющие напряжения g, g, g и g для приведения в действие переключающих элементов Q, Q, Q и Q. Эти управляющие напряжения g, g, g и g приложены к выводам G, G, G и G переключающих элементов Q, Q, Q и Q.
h
h
h
h
Управляющее устройство 5 содержит первый аналого-цифровой преобразователь 21, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемое напряжение v в дискретное напряжение v'. Кроме того, управляющее устройство 5 имеет второй аналого-цифровой преобразователь 22, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемый ток i в дискретный ток i'.
h
h
ref
ref
ref
ref
ref
1p
2p
1n
2n
Для расчета входного полного сопротивления управляющее устройство 5 снабжено блоком 23 определения полного сопротивления, выполненным с возможностью определять входное полное сопротивление Z' из значений дискретного напряжения v' и дискретного тока i'. Входное полное сопротивление Z' представляет собой вычисленную величину или оценочное значение для входного полного сопротивления Z преобразователя 4 и соединенного с ним накопителя 8 гальванического электричества, при этом это входное полное сопротивление Z получено со стороны входных соединительных элементов 6, 7. Управляющее устройство 5 содержит вычитающий блок 24, выполненный с возможностью формировать разность Z-Z' между заданным значением входного полного сопротивления Z и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, на выходе которого формируется заданный коэффициент заполнения D. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор. Упомянутый заданный коэффициент заполнения D подается на блок переключения 20, который на основе полярности Р и заданного коэффициента заполнения D генерирует управляющие напряжения g, g, g и g. Для этого блок переключения 20 может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор.
h
h
Описанные выше блок переключения 20, блок 23 определения полного сопротивления, вычитающий блок 24 и регулятор 25 полного сопротивления образуют управляющий блок 26, являющийся частью контура регулирования полного сопротивления. Этот контур регулирования полного сопротивления использован для задания полного сопротивления Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным и чтобы напряжение v и ток i были практически синфазны. Входное полное сопротивление Z задают с помощью коэффициента заполнения D. В режиме прерывистой проводимости для полного сопротивления выполняется следующее равенство:
,
p
n
ref
ref
где L=L или L=L. При этом заданное значение полного сопротивления Z может быть определено, например, экспериментальным путем. В частности, это заданное полное сопротивление Z является резистивным, при котором обеспечен высокий уровень эффективности, предпочтительно, при выработке энергии достигается максимальная эффективность.
Работа генератора энергии 1 осуществляется следующим образом.
h
h
h
hp
hn
hp
hn
Устройство 3 для сбора энергии вырабатывает напряжение v и ток i. По измеряемому напряжению v блок 19 определения полярности определяет, приложено ли к входным соединительным элементам 6, 7 положительное напряжение v или отрицательное напряжение v, и выдает надлежащий сигнал полярности Р. Например, сигнал полярности Р равен единице («1»), единице («1»), если приложено положительное напряжение v, и нулю («0»), если приложено отрицательное напряжение v.
hp
1p
2p
1p
h
p
p
h
p
1p
1n
2n
Когда приложено положительное напряжение v, управляющее устройство 5 реализует первую последовательность переключения. Прежде всего, переключающие элементы Q и Q включаются в первом состоянии коммутации Z, так что ток i протекает через первую катушку индуктивности L. Первый запирающий элемент D препятствует протеканию тока i через первый конденсатор C. В первом состоянии коммутации Z переключающие элементы Q и Q находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 3.
2p
p
p
p
р
p
cp
cp
b
2p
1n
2n
В следующем затем втором состоянии коммутации Z первая катушка индуктивности L обеспечивает ток i через первый запирающий элемент D, при этом первый конденсатор С заряжается. К первому конденсатору C приложено напряжение v. Под действием этого напряжения v протекает ток i, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. Во втором состоянии коммутации Z переключающие элементы Q и Q все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 4.
hn
1n
2n
1n
h
n
n
h
n
1n
1p
2p
При приложении отрицательного напряжения v управляющее устройство 5 реализует вторую последовательность переключения. С самого начала переключающие элементы Q и Q включаются в первом состоянии коммутации Z, так что ток i протекает через вторую катушку индуктивности L. Второй запирающий элемент D препятствует протеканию тока i через второй конденсатор C. В первом состоянии коммутации Z переключающие элементы Q и Q находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 5.
2n
n
n
n
n
cn
cn
b
2n
1p
2p
В следующем затем втором состоянии коммутации Z вторая катушка индуктивности L обеспечивает ток через второй запирающий элемент D, при этом второй конденсатор C заряжается. К этому второму конденсатору C приложено напряжение v. Под действием напряжения v протекает ток i, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. В этом втором состоянии коммутации Z переключающие элементы Q и Q все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 6.
cp
cn
b
Напряжения v и v использованы для зарядки накопителя 8 гальванического электричества, который обеспечивает напряжение E.
h
h
ref
ref
1p
2p
1n
2n
1p
1n
S
2p
2n
S
S
В первой последовательности переключения и второй последовательности переключения входное полное сопротивление Z является регулируемым. Для этого из значений дискретного напряжения v' и дискретного тока i' с помощью блока 23 определения полного сопротивления рассчитывается входное полное сопротивление Z'. Вычитающий блок 24 формирует разность между заданным значением входного сопротивления Z и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, который подает на блок переключения 20 заданный коэффициент заполнения D в качестве управляемой переменной. Этот блок переключения 20 задает временной режим сигналов переключения или управляющих напряжений g, g, g и g, так что в пределах периода Ts соответствующее первое состояние коммутации Z или Z устанавливается на время 0<Т≤D⋅T и соответствующее второе состояние коммутации Z или Z устанавливается на время D⋅T<Т<(1-D)⋅T.
hp
1p
2p
Далее следует описание второго иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи фиг. 7 и фиг. 8. В отличие от первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, в рассматриваемом варианте генератор энергии 1 имеет устройство 3 для собирания энергии, которое обеспечивает исключительно положительное напряжение v. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и третьим выходным соединительным элементом 9' преобразователя 4. Второй выходной соединительный элемент 10 в этом втором иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не имеет соединений. Управляющее устройство 5 реализует исключительно первую последовательность переключения. Первое состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 7, а второе состояние коммутации Z проиллюстрировано на фиг. 8. В отношении схемного решения и способа работы ссылаемся на описание иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, рассмотренного выше.
h
hp
hn
h
hp
hn
hn
hn
Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению может по выбору работать с устройством 3 для сбора энергии, которое вырабатывает либо напряжение v чередующейся полярности, либо исключительно положительное напряжение v, либо исключительно отрицательное напряжение v. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение v чередующейся полярности, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Это проиллюстрировано на прилагаемых чертежах с фиг. 1 по фиг. 6. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает исключительно положительное напряжение v или исключительно отрицательное напряжение v, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Для положительного напряжения v это проиллюстрировано на фиг. 7 и фиг. 8. Для отрицательного напряжения v работа устройства-преобразователя 2 проиллюстрирована на фиг. 5 и фиг. 6.
h
1p
2p
1n
2n
in
Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению построено на основе повышающего преобразователя. Устройство-преобразователь 2 может работать либо с постоянным напряжением, либо с переменным напряжением. Устройство-преобразователь 2 подходит для использования с электроприборами с батарейным питанием, собирающими малые количества электрической энергии с помощью устройства 3 для сбора энергии. Для оптимизации процесса сбора энергии устройство-преобразователь 2 выполнено с возможностью устанавливать входное полное сопротивление Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным. Преобразование переменного тока в постоянный осуществлено на этой стадии без использования мостикового выпрямителя. Это решение позволяет избежать перепада напряжения и потерь энергии, так что устройство-преобразователь 2 пригоден также для очень низких значений напряжений v устройства 3 для сбора энергии. Преобразователь 4 имеет по два электронных переключающих элемента Q, Q и Q, Q на фазу, так что возможно прямое преобразование постоянного напряжения в переменное, а для преобразования постоянного напряжения в постоянное требуется только одна фаза. Для установки входного полного сопротивления Z устройство-преобразователь 2 работает в режиме прерывистой проводимости, так что преобразователь 4 проявляется как чисто нереактивное сопротивление для устройства 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор C упрощает определение входного полного сопротивления Z.
1p
1n
1p
1n
2p
2n
Соединительные элементы S и S истоков имеют один и тот же опорный потенциал, поэтому для переключающих элементов Q и Q может быть использован соответствующий простой драйвер управления затвором нижнего плеча. Для переключающих элементов Q и Q может быть использован соответствующий драйвер плавающего затвора. Измерение напряжения, измерение тока и определение полярности осуществляются просто, так как измерительный датчик напряжения 17, измерительный датчик тока 18 и блок 19 определения полярности используют один и тот же опорный потенциал. Устройство-преобразователь 2 может работать вместе с накопителем гальванического электричества 8, что позволяет получать напряжение, например, 3,7 В, 7,4 В или 12 В. В результате устройство-преобразователь 2 может быть использовано как для переносных электронных приборов, так и для транспортных средств.