ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ ПРИ ОТВОДЕ ЭНЕРГИИ Российский патент 2013 года по МПК H02M3/158 H02J7/34 

По настоящей заявке испрашивается приоритет на основании предварительных заявок США №60/944451 "Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии", поданной 15 июня 2007 г. (дело №06005/561855Р), и №60/944454 "Преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом для отвода энергии", поданной 15 июня 2007 г. (дело №06005/561853Р), содержание которых полностью включено в настоящий документ.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к схемам преобразования напряжения и энергии, в частности к способу и устройству для передачи энергии между первичной электрической схемой и вторичной электрической схемой.

Уровень техники

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в различных прикладных задачах для генерирования регулируемого напряжения. Один тип преобразователей, известных как повышающие преобразователи, генерирует на выходных клеммах напряжение, которое больше напряжения на входных клеммах. Понижающие преобразователи, напротив, генерируют на выходных зажимах меньшее напряжение. Работа преобразователей постоянного тока в постоянный, известных в данной области техники, как правило, основана на регулировании с помощью специальной схемы переключения длительности и направления тока, протекающего в катушке индуктивности. В частности, преобразователи постоянного тока в постоянный периодически изменяют промежутки времени, в течение которых катушка индуктивности запасает и затем отдает электрическую энергию, в зависимости от напряжения, определенного схемой обратной связи на выходных клеммах преобразователя. Так как работа типовых преобразователей постоянного тока в постоянный зависит только от выходного напряжения, преобразователь потребляет необходимое количество энергии на входных зажимах для обеспечения генерирования регулируемого напряжения на выходных зажимах. Например, для питания нагрузки постоянным напряжением типовой преобразователь постоянного тока в постоянный потребляет некоторое количество энергии, подводимой ко входным клеммам, зависящее от потребления энергии нагрузкой.

Одной из известных областей применения преобразователей постоянного тока в постоянный является схема устройства для отвода энергии. Во многих промышленных и бытовых прикладных задачах токовый контур, состоящий из источника и одного или более потребителей электрической энергии, включает дополнительную схему для перенаправления некоторого количества энергии из токового контура во вторичную нагрузку. Процесс отбора энергии из первичной схемы обычно называется "отводом", а схема, необходимая для выполнения этой операции, соответственно называется "устройством для отвода энергии". Как правило, устройство для отвода использует излишнюю или неиспользуемую электрическую энергию из первичной схемы для питания меньшей нагрузки.

Однако применение устройства для отвода не ограничивается электрическими схемами. Например, источником энергии может служить солнечное излучение или вибрация. Одним словом, различные виды электромагнитной или механической энергии могут отводиться и запасаться в виде электрической энергии.

Устройства для отвода могут использоваться, например, в токовых контурах с током 4-20 мА, которые широко используются в системах управления технологическими процессами для передачи аналоговых сигналов между полевыми устройствами и распределенной системой управления (DCS, РСУ). В целом полевые устройства, такие как клапаны, клапанные позиционеры или выключатели, обрабатывают сигналы управления с использованием постоянного тока в диапазоне 4-20 мА. Подобным образом полевые устройства, производящие измерения технологических параметров, например, датчики давления, расхода или температуры, генерируют сигналы в диапазоне 4-20 мА и передают эти сигналы в распределенную систему управления по отдельной паре проводов. В некоторых случаях может возникнуть необходимость в использовании некоторого количества энергии в контуре с током 4-20 мА для питания дополнительного устройства, например, радиопередатчика и радиоприемника. В то же время необходимо ограничивать падение напряжения в схеме отвода, питаемой от контура с током 4-20 мА, так, чтобы схема отвода не влияла на токовый контур и, более конкретно, на связь распределенной системы управления с полевым устройством.

Так как непостоянный токовый контур может отдавать нагрузке, питаемой устройством для отвода, больше энергии, чем требуется, также необходимо отбирать излишнюю энергию и сохранять ее в аккумулирующем устройстве. Дополнительно необходимо иметь средства для обратной передачи энергии из аккумулирующего устройства, когда токовый контур отдает меньше энергии, чем требуется для работы нагрузки, питаемой устройством для отвода. Другими словами, необходимо повышать напряжение питания аккумулирующего устройства и понижать напряжение, подводимое от источника питания к нагрузке, питаемой устройством для отвода. Кроме того, так как напряжение на клеммах аккумулирующего устройства и клеммах нагрузки может изменяться во времени, необходим преобразователь постоянного тока в постоянный. Специалисту в данной области техники также понятно, что в некоторых прикладных задачах эта зависимость может быть изменена на противоположную и может возникнуть необходимость обратного повышения и понижения напряжения между аккумулирующим устройством и нагрузкой, питаемой устройством для отвода.

Для достижения данной цели с использованием имеющихся технических возможностей соответствующая схема требует по меньшей мере двух преобразователей постоянного тока в постоянный. В частности, для регулирования должным образом передачи энергии между двумя схемами с изменяющимися нагрузками и готовностью необходим по меньшей мере один понижающий преобразователь и по меньшей мере один повышающий преобразователь. Очевидно, использование нескольких преобразователей постоянного тока повышает сложность, стоимость и размеры схемы. Кроме того, традиционные преобразователи постоянного тока в постоянный генерируют на выходе постоянное напряжение и поэтому бесполезно расходуют электрическую энергию при наличии избытка энергии в схеме.

Таким образом, известные в данной области техники преобразователи не обеспечивают эффективное средство отбора дополнительной энергии, доступной на входе. Например, нагрузка устройства для отвода, потребляющая относительно небольшое количество энергии, приводит к тому, что устройство для отвода потребляет это необходимое количество энергии на входных клеммах независимо от реальной мощности токового контура. Потребление энергии на выходных клеммах может быть чрезмерно большим и вызывать искажения в токовом контуре, а потребление слишком маленького количества энергии нежелательно, так как при этом токовый контур используется неэффективно. Кроме того, могут возникать случаи, при которых питающий ток значительно падает и нагрузка, питаемая устройством для отвода, не получает требуемого количества энергии.

Раскрытие изобретения

Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для отвода, аккумулирования и передачи энергии в схеме с ограниченной энергией эффективно передает излишнюю электрическую энергию, имеющуюся в схеме, в устройство для аккумулирования энергии и, когда в схеме требуется большее количество энергии, эффективно отбирает электрическую энергию от устройства для аккумулирования энергии и питает эту схему энергией. В одном аспекте схема включает источник питания и нагрузку. В некоторых вариантах осуществления преобразователь включает пару входных клемм, соединяющий преобразователь со схемой, пару выходных клемм, соединяющих преобразователь с устройством для аккумулирования, катушку индуктивности для аккумулирования тока или другой элемент, выполненный с возможностью аккумулирования электрической энергией, два электрических ключа, управляющих направлением тока и аккумулированием энергии в преобразователе, и схему управления, управляющую двумя ключами для изменения скважности тока катушки индуктивности. При этом двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный генерирует ШИМ-импульсы (широтно-импульсная модуляция) для соответствующей схемы.

В другом аспекте двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный увеличивает эффективность схемы путем максимизации использования имеющейся энергии. Еще в одном аспекте двунаправленный преобразователь выполнен с возможностью передачи запасенной энергии в схему при большей мощности, чем при отводе энергии из схемы. В одном варианте осуществления двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный принимает сигналы управления от отдельной аналоговой схемы, генерирующей ШИМ-импульсы. В другом варианте осуществления двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный управляется микроконтроллером, связанным с устройством, питаемым двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный.

Предлагаемый способ отвода энергии в токовом контуре включает соединение устройства для отвода энергии последовательно с источником питания и потребителем энергии, регулирование падения напряжения на входных клеммах устройства для отвода энергии и передачу на выходные клеммы энергии, доступной при регулируемом падении напряжения и контурном токе. В частности, падение напряжения на устройстве для отвода энергии регулируется с помощью схемы обратной связи, генерирующей входной сигнал напряжения, и схемы регулирования, использующей входной сигнал напряжения для регулирования времени заряда и разряда катушки индуктивности. Схема регулирования может представлять собой традиционный преобразователь постоянного тока в постоянный или схему, имеющую несколько дискретных компонентов, например компараторов.

В некоторых вариантах осуществления источник питания является источником изменяющегося тока или напряжения. В одном варианте осуществления устройство для отвода энергии является преобразователем постоянного тока в постоянный, использующим схему обратной связи для регулирования входного напряжения. В одном варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом поддерживает по существу неизменное напряжение на входных клеммах. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом изменяет напряжение на входных клеммах в соответствии с входным током так, что большее количество имеющейся энергии отводится, когда контурный ток мал. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом дополнительно включает развязывающий трансформатор на выходе для предотвращения обратной передачи энергии на входные клеммы при возникновении неисправности. При этом использование развязывающего трансформатора улучшает искробезопасность устройства для отвода энергии. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом дополнительно обеспечивает фильтрацию для увеличения полного сопротивления в токовом контуре и, таким образом, обеспечения возможности модуляции в контуре.

Краткое описание графических материалов

Фиг.1 представляет собой схему, в которой может быть использован двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный.

Фиг.2 представляет собой электрическую схему, в которой показан двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный в одной из возможных конфигураций.

Фиг.3 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный согласно настоящему изобретению работает вместе со схемой определения напряжения.

Фиг.4 представляет собой примерный сигнал, отображающий изменения во времени напряжения на типовом устройстве, используемом в контуре с током 4-20 мА.

Фиг.5 представляет собой электрическую схему, на которой показана одна из возможных схем для генерирования сигналов широтно-импульсной модуляции для использования с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой схему, в которой для отбора излишней энергии в качестве устройства для отвода мощности может использоваться преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом.

Фиг.7 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом.

Фиг.8 представляет собой электрическую схему, в которой показан двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом в одной из возможных конфигураций.

Фиг.9 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и обратно пропорциональной зависимостью падения напряжения от тока.

Фиг.10 представляет собой примерные формы входного тока и напряжения, регулируемых преобразователем в соответствии с одним из вариантов осуществления.

Фиг.11 представляет собой электрическую схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом с развязывающим трансформатором, используемым для обеспечения искробезопасности путем ограничения энергии.

Фиг.12 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с фильтрующими свойствами.

Фиг.13 представляет собой электрическую схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом с фильтрующими свойствами, включающего схему связи по протоколу HART.

Фиг.14 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный работает вместе с преобразователем постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и схемой регулирования напряжения.

Фиг.15 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный работает вместе с преобразователем постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и микропроцессорным контроллером.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана схема 10, в которой может быть использован двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный. Источник 12 питания питает нагрузку 14 электрической энергией. Количество энергии, доступной в схеме 10, можно определить не всегда. В частности, потребление энергии нагрузкой 14 может изменяться во времени. Кроме того, количество энергии в источнике 12 питания может быть непостоянным и также изменяться во времени. Двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный может быть соединен последовательно с источником 12 питания и нагрузкой 14. Двунаправленный преобразователь 16 может иметь положительную входную клемму 18 и отрицательную входную клемму 20. Кроме того, двунаправленный преобразователь 16 может иметь пару 22 выходных клемм.

При работе двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный потребляет излишнюю энергию от входных клемм 12 и 16 и направляет ее в устройство 24 для аккумулирования энергии через выход 22. Когда нагрузка 14 требует большее количество энергии, чем может быть передано от источника 12 питания, двунаправленный преобразователь 16, напротив, потребляет энергию из устройства 24 для аккумулирования энергии и отдает запасенную энергию в схему 10 через входные клеммы 12 и 16.

Источник 12 питания может являться аккумуляторной батареей, генератором или любым другим известным в данной области техники источником питания. Нагрузка 14 может являться двигателем, датчиком или любым другим устройством. В целом схема 10 может содержать различные потребители энергии, имеющие разную потребность в энергии.

Как показано на фиг.2, схема 50, соответствующая одной из возможных реализации двунаправленного преобразователя 20, может включать положительную входную клемму 52 и отрицательную входную клемму 54. При наличии излишней энергии на входных клеммах 52 и 54 понижающий ШИМ-сигнал 56 может пропустить доступную энергию на входе и направить ее в устройство 24 для аккумулирования энергии, подключенное к выходным клеммам 58 и 60 схемы 50. На этом этапе работы двунаправленного преобразователя 16 напряжение на устройстве 24 для аккумулирования энергии может составлять например, 1 В, а напряжение на входных клеммах 52 и 54 может составлять 3 В. Когда ШИМ-сигнал 56 соответствует величине "включения", ключ 70 соединяет входную клемму 52 с положительной клеммой 72 катушки 74 индуктивности. Более конкретно, от клеммы 52 к клемме 72 через соединение 76 может протекать ток. Повышающий ШИМ-сигнал 80 при этом соответствует величине "выключения", и ключ 82 остается в выключенном состоянии. В соответствии с приведенным выше примером, к катушке 74 индуктивности приложена разность напряжений, равная 2 В (3 В - 1 В), и ток катушки 74 нарастает.

Когда ШИМ-сигнал 56 соответствует состоянию "выключения", ключ 70 находится в выключенном состоянии. При этом ток может протекать через разрядный диод 84 в направлении входной клеммы 72 катушки 74 индуктивности. Разрядный диод 84 может быть соединен с землей для потребления дополнительного тока, не подаваемого на вход, и, таким образом, увеличения общей эффективности схемы 50. Как понятно специалисту в данной области техники, ток протекает до полного исчезновения магнитного поля и электродвижущей силы (ЭДС). Таким образом, передача энергии в устройство для аккумулирования может регулироваться. Другими словами, более высокое напряжение на входных клеммах схемы 50 подается в виде импульсов ШИМ или импульсов с заданной скважностью на вход устройства для аккумулирования с меньшим напряжением.

Как показано на фиг.1, нагрузка 14 может в определенный момент потребовать большее напряжение, чем напряжение, которое может обеспечить источник 12 питания. Если в устройстве 24 для аккумулирования энергии запасено достаточное количество энергии, двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный может предать необходимую энергию из устройства 24 для аккумулирования энергии в нагрузку 14 и, таким образом, обеспечить бесперебойную работу схемы 10. Как показано на фиг.2, напряжение на выходных клеммах 58 и 60 может составлять 1 В, а необходимое напряжение на входных клеммах 52 и 64 может по прежнему составлять или приблизительно составлять 3 В. В этом состоянии понижающий ШИМ-сигнал 56 может по прежнему соответствовать состоянию "выключения", а повышающий ШИМ-сигнал периодически не замыкает и не размыкает ключ 82.

В частности, ШИМ-сигнал 80, соответствующий состоянию "включения", может замкнуть ключ 82. Когда ключ 82 замкнут, положительная клемма 72 катушки 74 индуктивности соединена с землей. При этом ток катушки 74 индуктивности нарастает. Когда ШИМ-сигнал 80 переходит в состояние "выключения", ток протекает от клеммы 58 устройства 24 для аккумулирования энергии к клемме 52 через обратный диод 86. Таким образом, энергия, запасенная в устройстве 24 для аккумулирования энергии, может эффективно передаваться обратно в нагрузку 14.

ШИМ-сигналы 56 и 80 могут подаваться в соответствии с напряжением, измеряемым на клеммах 52 и 54 или на нагрузке 14, например. Одним словом, любой сигнал об уровне напряжения в схеме 10 может использоваться для регулирования работы схемы 50 с помощью ШИМ-сигналов 56 и 80.

Специалисту в данной области техники также понятно, что электронный ключ может представлять собой полевой транзистор со структурой металл-оксид-проводник (MOSFET), другой тип транзистора или любое другое известное электронное средство переключения, обеспечивающее большую частоту переключения.

Примерная схема, включающая схему определения напряжения, показана на фиг.3. За исключением схемы 102 определения напряжения схема 100 подобна схеме 10. Схема 102 может измерять напряжения на нагрузке 14 и подавать сигналы 104 и 106 в двунаправленный преобразователь 16. В одном из возможных вариантов осуществления сигналы 104 и 106 могут являться ШИМ-сигналами 56 и 80. В другом варианте схема 102 определения напряжения может не иметь возможности генерирования колебательных сигналов и может генерировать только простые сигналы напряжения. В этом случае двунаправленный преобразователь 16 может генерировать ШИМ-импульсы 56 и 80 при обработке сигналов 104 и 106 с использованием дополнительной схемы (не показана). Еще в одном варианте осуществления схема 102 определения напряжения может определять изменения напряжения во всей схеме 100 или, другими словами, на нагрузке 14 и преобразователе 16.

В одной из возможных реализаций в зависимости от конкретного требования нагрузки 14 или всей схемы 100 могут быть выбраны две пороговые величины. Например, для работы нагрузки 14 в целом может требоваться напряжение 3 В, но нагрузка 14 может также работать при напряжении в диапазоне 2,7-3,3 В. Таким образом, схема определения напряжения может быть выполнена с возможностью определения изменений напряжения на нагрузке 14 и соответственно генерирования двух ШИМ-сигналов. Сигнал 120, показанный на фиг.4, представляет собой примерное изменение во времени напряжения на одном или более элементах схемы. Как показано, действительное напряжение, определяемое схемой 102, может изменяться в диапазоне от 2,7 до 3,3 В, а напряжение задания в данном примере может составлять 3 В. Двунаправленный преобразователь 16 по возможности предотвращает увеличение напряжения свыше верхнего предела и уменьшение напряжения ниже нижнего предела. Очевидно, слишком большое напряжение может привести к повреждению одного или более устройств в схеме 100, а слишком маленькое напряжение может привести к отключению схемы 100.

Как показано на фиг.2 и 4, участки 122, соответствующие промежуткам времени, когда определенное напряжение превышает заданное напряжение 3 В, соответствуют понижающему режиму работы схемы 50. Как описано выше, в понижающем режиме работы ШИМ-сигнал 56 управляет ключом 70 для регулирования передачи излишней энергии в устройство 24 для аккумулирования энергии. С другой стороны, участки 124, соответствующие промежуткам времени, когда определенное напряжение меньше заданного напряжения 3 В, соответствуют передаче энергии из устройства 24 для аккумулирования энергии обратно в схему 10 или 100. В этом режиме работы ШИМ-сигнал 80 переводит ключ 82 в повышающий режим.

На фиг.5 показана примерная реализация аналоговой ШИМ-схемы, выполненной с возможностью генерирования ШИМ-импульсов в зависимости от изменения напряжения на клеммах 152 и 154. Клеммы 152 и 156 могут быть подключены к одной или нескольким нагрузкам 14, а также могут быть подключены к источнику 12 питания. Понятно, что величины сопротивления резисторов могут быть выбраны в соответствии с конкретными требованиями схемы, например диапазоном допустимых напряжений, и в соответствии с типом соединения, выбранного для ШИМ-схемы 150. ШИМ-схема 150 генерирует небольшие импульсы тока для управления ключами 70 и 82. Таким образом, два выхода схемы 150 являются управляющими проводами 156 и 158. Пунктирная линия 160 дополнительно нанесена для обозначения границы между схемами 150 и 50.

Понятно, что возможны различные другие реализации ШИМ-схемы 150. Например, ШИМ-схема может быть реализована путем объединения нескольких доступных микросхем, или вся схема может быть реализована как одна прикладная микросхема (ASIC).

Также предполагается, что для генерирования необходимых ШИМ-импульсов может использоваться микроконтроллер. Как описано выше, двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может использоваться для отвода энергии в контурах управления с током 4-20 мА, распространенных в системах управления технологическими процессами. В частности, двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может управляться так, чтобы направлять излишнюю доступную энергию в контуре с током 4-20 мА, например, в конденсатор большой емкости. Одним из потребителей этой отведенной энергии может быть дополнительное устройство, например радиостанция с управлением микроконтроллером. Несмотря на то что для управления передачей энергии между радиостанцией и устройством для аккумулирования может использоваться ШИМ-схема 150, вместо нее может быть целесообразным использование микроконтроллера. Так как микроконтроллер обычно определяет количество энергии, требуемое для радиостанции в данный момент, микроконтроллер может генерировать ШИМ-сигналы 56 и 80 в соответствии с этими мгновенными потребностями. В одном из возможных вариантов осуществления микроконтроллер может управлять двунаправленным преобразователем 16 с помощью повышающего ШИМ-сигнала 80 для потребления энергии из устройства 24 для аккумулирования, когда радиостанция работает в режиме передачи. И напротив, микроконтроллер может генерировать ШИМ-сигнал 56, когда радиостанция находится в режиме ожидания.

Дополнительно микроконтроллер может прогнозировать изменения потребления энергии радиостанцией через небольшие промежутки времени, например микросекунды. Например, микроконтроллер может управлять двунаправленным преобразователем для потребления энергии при наступлении определенных для данного устройства условий, требующих потребления энергии, чтобы минимизировать задержку перед началом передачи. Более конкретно, датчик в системе управления технологическим процессом может определить отклонение, например излишнее давление или слишком маленькую температуру, а микроконтроллер может подготовить радиостанцию для передачи путем подачи соответствующего ШИМ-сигнала в двунаправленный преобразователь.

Еще в одном варианте микропроцессор может подавать простые сигналы, указывающие на требуемое напряжение, а другая схема, либо как часть двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный, либо как отдельный компонент, может использовать эти сигналы для генерирования ШИМ-импульсов. В этом случае микропроцессор может быть запрограммирован с использованием более простого алгоритма для обеспечения большего количества энергии для работы радиостанции.

Конечно, микроконтроллер может также определять множество уровней потребления энергии. Например, микроконтроллер может генерировать более широкие повышающие ШИМ-импульсы, когда известно, что радиостанция потребляет большое количество энергии в режиме передачи, более короткие повышающие ШИМ-импульсы, когда известно, что радиостанция потребляет среднее количество энергии в режиме приема, и широкие понижающие импульсы, когда радиостанция находится в режиме ожидания и, таким образом, потребляет мало или не потребляет энергии.

В другом аспекте двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может использоваться в схеме, включающей преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом, выполненный для отвода электрической энергии, в частности для отвода энергии в схеме, в которой протекает изменяющийся постоянный ток. На фиг.6 показана система, в которой устройство для отвода энергии с регулируемым входом может использоваться для эффективного отбора энергии из токового контура и направления излишней энергии в нагрузку или устройство для аккумулирования, или в обе стороны. Как показано на фиг.6, токовый контур или схема 210 включает распределенную систему 212 управления, полевое устройство 214 и устройство 216 для отвода энергии, соединенное последовательно с полевым устройством 214. Эти и другие элементы схемы, показанные на фиг.6, соединены проводами.

При работе распределенная система 212 управления и полевое устройство 214 посылают и принимают аналоговые сигналы с током 4-20 мА так, что эти сигналы невозможно спрогнозировать устройством 216 для отвода энергии, реализованным как преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом. Другими словами, относительно устройства 216 для отвода энергии ток в контуре 210 может неконтролируемо изменяться во времени в диапазоне от 4 до 20 мА. Устройство 216 для отвода мощности соединено с контуром 210 последовательно через пару входных клемм 218, одна из которых соединена непосредственно с положительной клеммой распределенной системы 212 управления, а другая соединена непосредственно с положительным входом полевого устройства 214. Однако устройство 216 для отвода энергии может также быть соединено с соответствующими отрицательными клеммами распределенной системы 212 управления и полевого устройства 214. При работе устройство 216 для отвода энергии создает регулируемое падение напряжения на входных клеммах 218. Устройство 216 для отвода может поддерживать напряжение на постоянном уровне и, таким образом, изменять потребление энергии на входных клеммах 218 линейно току, протекающему в устройстве 216 для отвода. Устройство 216 для отвода может затем передавать энергию, отобранную на входных клеммах, к одному или более устройствам или схемам, соединенным с выходом устройства 216 для отвода. В другом варианте осуществления устройство 216 для отвода может регулировать входное напряжение в соответствии с током, протекающим в устройстве 216 для отвода. В частности, устройство 216 для отвода может увеличивать падение напряжения на входных клеммах 218 по мере уменьшения тока в устройстве 216 для отвода.

Нагрузка 220, питаемая устройством 216 для отвода энергии, может быть подключена к нему через пару выходных клемм 222. Нагрузка 220 может являться любым типом устройства, потребляющего либо постоянную, либо переменную мощность. Например, нагрузка 220 может являться простым электрическим элементом, имеющим постоянное потребление энергии, например светодиодом, или сложным устройством с изменяющимся потреблением энергии, например радиопередатчиком и радиоприемником. Также понятно, что, несмотря на то, что на фиг.6 показана только одна нагрузка, питаемая устройством для отвода, устройство 216 для отвода энергии может питать множество нагрузок с различным потреблением энергии.

Устройство 216 для отвода также может быть соединено с устройством 224 для аккумулирования энергии. Устройство 224 для аккумулирования энергии может являться, например, одним конденсатором большой емкости или относительно сложной схемой, включающей несколько конденсаторов, соединенных параллельно, или любым другим подходящим типом устройства для аккумулирования, включая известные в данной области техники. Специалисту в данной области техники понятно, что конденсатор может быть использован в устройстве для аккумулирования энергии, поскольку напряжение на конденсаторе увеличивается при протекании в нем тока. Конденсатор высокой плотности или конденсатор большой емкости может запасать большой заряд и поэтому может быть предпочтителен в качестве устройства для аккумулирования энергии.

Дополнительно к выходным клеммам 222 параллельно нагрузке 220, питаемой устройством для отвода энергии, и устройству 224 для аккумулирования энергии может быть подключен настраиваемый шунтирующий регулятор 226. Шунтирующий регулятор 226 может использоваться для рассеивания лишней энергии, когда нагрузка 220, питаемая устройством для отвода энергии, не потребляет всю доступную на выходных клеммах 222 энергию. Шунтирующий регулятор 226 может быть необходим при отсутствии устройства 224 для аккумулирования энергии. В других вариантах осуществления может быть предпочтительным не использование шунтирующего регулятора в контуре 210, а запасание всей излишней энергии на выходных клеммах 222 в устройстве 224 для аккумулирования энергии. Настраиваемый шунтирующий регулятор 226 может быть реализован любым известным в данной области техники образом, например, с использованием стабилитрона и одного или нескольких резисторов.

Еще в одном варианте к выходным клеммам 222 для фильтрации выходного напряжения может быть подключен конденсатор 228. Так как выходной сигнал устройства 216 для отвода энергии не регулируется, конденсатор 228 может использоваться для сглаживания выходного напряжения, в частности, при наличии в схеме 210 нагрузки 220, питаемой устройством для отвода энергии. В этом случае конденсатор 228 может быть частью выходной схемы. Однако конденсатор 228 не требуется, если устройство 216 для отвода энергии передает энергию главным образом в устройство 224 для аккумулирования энергии. Более того, нерегулируемая составляющая выходного сигнала на клеммах 222 может быть необходима, если энергия на выходных клеммах 222 передается в устройство 224 для аккумулирования энергии.

При этом входной фильтрующий конденсатор 230, подключенный к выходным клеммам 218 устройства 216 для отвода энергии может использоваться для фильтрации входного шума. Специалисту в данной области техники понятно, что входной фильтрующий конденсатор необходим на входе любой схемы постоянного тока. Емкость входного фильтрующего конденсатора 230 зависит от рабочей частоты преобразователя постоянного тока в постоянный, используемого в устройстве 216 для отвода энергии. Дополнительно напряжение на выходных клеммах 218 может быть ограничено для предотвращения выхода устройства 216 для отвода энергии из строя при прекращении протекания тока в контуре 210. Например, может использоваться стабилитрон 232 для того, чтобы при увеличении напряжения на входных клеммах свыше определенного предела стабилитрон открывался и пропускал ток в направлении полевого устройства 214 с током 4-20 мА. Специалисту в данной области техники понятно, что данный предел определяется физическими свойствами выбранного стабилитрона.

Конденсаторы 228 и 230, шунтирующий регулятор 226 и стабилитрон 232 могут входить в устройство 216 для отвода энергии. В зависимости от области применения устройство для отвода энергии может быть выполнено с возможностью регулирования выходного напряжения с помощью шунтирующей схемы 226 или передачи всей доступной энергии в устройство 224 для аккумулирования энергии. Предполагается, что некоторые конфигурации, в которых некоторые компоненты, показанные на фиг.6, отсутствуют и некоторые компоненты добавлены в соответствии с требованиями, могут быть реализованы в прикладных микросхемах. В другом варианте устройство 226 для отвода энергии может быть выполнено как отдельная прикладная микросхема, которая может использоваться в любых описанных здесь конфигурациях. Еще в одном варианте части схемы устройства для отвода энергии могут быть выполнены в виде отдельной микросхемы, работающей совместно с традиционным преобразователем постоянного тока в постоянный.

На фиг.7 показано устройство 216 для отвода энергии более подробно. В соответствии с этой примерной схемой ток входит в устройство 216 для отвода энергии в положительной клемме 240 входной пары 218 клемм и выходит из отрицательной клеммы 242. После прохождения через положительную клемму 240 ток проходит к положительной клемме катушки 244 индуктивности. Дополнительно относительно небольшая часть тока проходит к входной схеме 246 регулирования. То же или по существу то же количество тока, которое входит в положительную клемму 240, выходит из отрицательной клеммы 242. При этом схема, реализованная в соответствии с идеей настоящего изобретения и описанная подробно ниже, обеспечивает регулируемое падение напряжения на клеммах 240 и 242. Например, падение напряжения на клеммах 240 и 242 устройства для отвода энергии, используемого в токовом контуре с током 4-20 мА, может поддерживаться постоянным и равным 1 В.

Как показано на фиг.7, повышающий контроллер 250 постоянного тока в постоянный регулирует промежуток времени, в течение которого катушка 244 индуктивности запасает ток. Контроллер 250 может являться серийной микросхемой, например микросхемой NCP1421 компании "On Semiconductor " или схемой, выполненной из нескольких дискретных интегральных схем с возможностью обеспечения переключения с большой частотой и регулирования скважности сигнала коммутируемой схемы в соответствии с сигналом обратной связи. В частности, в контроллере может использоваться один или более полевых транзисторов со структурой металл-оксид-проводник (MOSFET), например, для быстрого размыкания и замыкания электрических цепей. Контроллер изменяет время размыкания и замыкания цепей в соответствии с параметрами компонентов колебательной схемы, используемых в контроллере, и сигналом обратной связи, например током или напряжением. В этом случае контроллер 250 может обеспечить широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с регулируемой скважностью в схеме устройства 216 для отвода энергии. Понятно, что возможность переключения может также быть реализована с использованием дискретных полупроводников, серийных интегральных схем или других компонентов и материалов, известных в данной области техники.

Как показано на фиг.7, контроллер 250 имеет вывод 252 переключения, вывод 254 обратной связи, выход 256 и вывод 258 заземления. Понятно, что контроллер 250 может иметь дополнительные входы и не ограничен перечисленными выше четырьмя выводами. Как показано на фиг.7, вывод 252 переключения электрически соединен с отрицательной клеммой катушки 244 индуктивности, вывод 256 соединен с одной из выходных клемм 222, а вывод 252 заземления электрически соединен с клеммой пары 222 клемм противоположной полярности и с отрицательной входной клеммой 242. Кроме того, вывод 252 соединен с выходом входной схемы 246 регулирования.

В каждом периоде работы контроллер 250 сначала электрически соединяет вход вывода 252 переключения с выводом 258 заземления. Когда выводы 252 и 258 соединены, ток в катушке 244 индуктивности нарастает. Далее контроллер 250 отсоединяет выводы 252 и 258. Исчезновение магнитного поля в катушке 244 индуктивности приводит к тому, что ток из катушки 244 индуктивности проходит к положительной клемме выходной пары 222 клемм. Кроме того, отрицательная клемма катушки 244 индуктивности может быть соединена как с выводом 252 переключения, так и с положительной клеммой выходной пары 222 клемм через обратный диод 260. Обратный диод 260 предпочтительно является диодом Шоттки, но также может являться диодом другого типа. Обратный диод 260 обеспечивает синхронное выпрямление вывода катушки 244 индуктивности. Однако, если контроллер выполнен 250 с возможностью синхронного выпрямления, обратный диод не требуется.

Как показано на фиг.7, некоторое количество тока, входящего в устройство 216 для отвода энергии в клемме 240, направляется в схему 246 регулирования входного напряжения. Схема 246 может генерировать сигнал напряжения, указывающий на величину тока во входной клемме 240. Контроллер 250 использует сигнал, генерируемый схемой 246 регулирования, для выборочного увеличения или уменьшения выдаваемой энергии на выходной паре 222 клемм. Например, контроллер 250 может увеличить скважность импульсов и, таким образом, уменьшить входное напряжение на паре 218 клемм в зависимости от уровня напряжения, определенного схемой 246. Реализация схемы 246 описана более подробно ниже.

На фиг.8 показана электрическая схема одного из возможных вариантов осуществления устройства 270 для отвода энергии. В этой конфигурации устройство 270 для отвода энергии содержит как диод 232 для ограничения напряжения на требуемом уровне, так и входной фильтр 230. Важно отметить, что в конфигурации, показанной на фиг.8, выходное напряжения регулируется шунтирующей схемой 226. Как указано выше, эта конфигурация может быть полезна при использовании преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом для питания нагрузки, требующей неизменного уровня напряжения. Шунтирующая схема 226 рассеивает излишнюю энергию и предотвращает передачу в нагрузку большего количества энергии, чем необходимо.

Схема 246 регулирования входного напряжения включает операционный усилитель 272 и резисторы 274 и 276. Усилитель 272 может использовать опорное напряжение 278 на неинвертирующем входе и изменяющееся напряжение на инвертирующем входе для управления зависимостью между входным напряжением на клеммах 240 и 242 и напряжением, подаваемым на вывод 254 обратной связи. Специалисту в данной области техники понятно, что величины сопротивлений резисторов 274 и 276 могут быть выбраны в соответствии с требуемым падением напряжения. Как описано выше, в типовом контуре с током 4-20 мА, используемом в системах управления технологическими процессами, падение напряжения на блоке 216 или 272 отвода энергии, равное 1 В, как правило, допустимо. Подобным образом резисторы 278 и 280, используемые в шунтирующей схеме 226, могут быть выбраны в соответствии с требуемым выходным напряжением.

На фиг.9 показан другой предполагаемый вариант осуществления преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом, который может использоваться для отвода энергии. Схема 290 отвода энергии может включать большинство элементов устройства 270 для отвода энергии, описанного выше. Дополнительно схема 290 отвода энергии может регулировать входное напряжение более эффективным и удобным образом, чем устройство 270 для отвода энергии. В частности, падение напряжения на различных элементах схемы, таких как полевое устройство 214, в контуре 210 регулирования может быть меньше, когда ток в контуре 210 меньше. В случае схемы с током 4-20 мА, используемой в системах управления технологическими процессами, распределенная система 212 управления определяет меньшее падение напряжения в контуре, когда она генерирует сигнал величиной 4 мА, и, наоборот, распределенная система 212 управления определяет большее падение напряжения, когда аналоговый сигнал ближе или равен 20 мА. Подобным образом полевое устройство, такое как устройство 214, как правило, определяет меньшее или большее падение напряжения на распределенной системе 212 управления, когда полевое устройство генерирует, а не принимает сигнал величиной 4-20 мА. Таким образом, в контуре 210 допустимы большие падения напряжения на схеме 216, 270 или 290 отвода энергии при меньших токах контура.

Устройство 290 для отвода энергии, показанное на фиг.9, потребляет большее количество энергии из входной пары 218 клемм при меньших входных токах, входящих в устройство 290 для отвода энергии в клемме 240, чем, например, в устройство 270 для отвода энергии, так как падение напряжение на паре 218 клемм в устройстве 290 больше. Понятно, что эта особенность может быть полезной, если нагрузка 220, питаемая устройством для отвода энергии, потребляет большое количество энергии. В частности, схема 291 регулирования, включающая усилитель 272, компонент ограничения коэффициента усиления или резистор 292 и резисторы 294-300, регулирует напряжение на паре 218 клемм так, что входное напряжение изменяется обратно пропорционально входному току, измеряемому схемой 291. Элементы 292-300, а также опорное напряжение 302 выбираются и выполняются так, чтобы обеспечить генерирование большего сигнала обратной связи от схемы 291 регулирования к выводу 254 обратной связи, когда входной ток больше. В этом случае устройство 290 для отвода энергии использует отрицательное полное сопротивление схемы 291 регулирования. Таким образом, при увеличении сигнала на выводе 254 обратной связи контроллер 250 уменьшает скважность ШИМ-импульсов и, таким образом, уменьшает количество энергии, передаваемой на выходные клеммы 222. Подобно устройствам 216 и 270 для отвода энергии, устройство 290 для отвода энергии регулирует входное напряжение независимо от сигнала на выходе устройства 290 для отвода энергии.

Также понятно, что обратно пропорциональная зависимость между входным током и напряжением, подаваемым на вывод 254 обратной связи, может быть реализована другими известными в данной области техники средствами. В варианте осуществления, показанном на фиг.9, резистор 300 служит в качестве датчика выходного тока, так как ток, возвращающийся от устройства 290 для отвода энергии к выходной клемме 242, проходит через резистор 300. Однако также могут использоваться любые известные средства измерения тока для регулирования сигнала, подаваемого на вывод 254 обратной связи контроллера 250, и, таким образом, изменения количества энергии, потребляемой устройством 290 для отвода энергии.

В целом выбирать параметры элементов схемы необходимо с учетом максимально допустимого падения напряжения. Например, целесообразно выбирать величины сопротивлений резисторов 292-300 в соответствии с допустимым падением напряжения при токе 20 мА, если устройство 290 для отвода энергии предназначено для использования в системе управления технологическим процессом. На фиг.10 показаны примерные зависимости во времени входного тока и напряжения на входе устройства 290 для отвода энергии, подключенного в контуре с током 4-20 мА. В частности, сигнал 310 может представлять собой ток, протекающий во входной клемме 240, а сигнал 320 может представлять собой напряжение на входной паре 218 клемм. Оба сигнала показаны в относительно большом временном масштабе, например, нескольких секунд. Как показано на фиг.10, обратно пропорциональная зависимость между входным напряжением и входным током обеспечивает зеркальное отображение сигнала 220 относительно сигнала 310. Также понятно, что сигнал 320 может иметь задержку 322 порядка микро- или даже наносекунд относительно сигнала 310. Блок 290 отвода энергии поддерживает падение напряжения в диапазоне 1-2 В в зависимости только от входного тока и независимо от напряжения или потребления энергии на выходных клеммах 222.

Другим необходимым аспектом работы любого устройства для отвода энергии является безопасность и, в частности, соблюдение стандартов искробезопасности, принятых во многих отраслях. В целом сертификация устройства по искробезопасности налагает на это устройство определенные ограничения по энергии. Например, переносные средства связи по протоколу HART ограничены условиями V_oc≤2 В и I_sc≥32 мА, где V_oc - максимальное напряжения на средстве связи, а I_sc - максимальный разрешенный ток в средстве связи. Стандартны искробезопасности, связанные со средствами связи по протоколу HART, могут использоваться как указания по проектированию безопасных устройств для отвода энергии для использования в установках с током 4-20 мА, так как обеспечение питания схемы связи по протоколу HART является наиболее вероятной областью применения устройств для отвода энергии.

Как описано выше, преобразователи постоянного тока в постоянный, известные в данной области техники, могут потреблять слишком много энергии от входных клемм и влиять на работу схемы, из которой отводится энергия. Это влияние может привести к отключению питания в устройстве или прекращению передачи сигналов в схеме. С другой стороны, при возникновении неисправности традиционные преобразователи постоянного тока в постоянный может не удержать запасенную энергию и повредить схему путем передачи энергии обратно в схему, особенно если нагрузкой, питаемой устройством для отвода энергии, является конденсатор или подобное устройство для аккумулирования энергии. Такая неисправность более опасна, чем избыточное потребление энергии из схемы. При использовании, например, в системах управления технологическими процессами традиционные повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный могут подвергаться высокому эксплуатационному риску хотя бы потому, что контур с током 4-20 мА может соединять взрывоопасные или другие опасные устройства. Поэтому внезапные выбросы тока в контуре могут привести к появлению искры и вызвать взрыв. Однако соблюдение описанных выше стандартов безопасности с помощью любых традиционных средств неизбежно уменьшит эффективность повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный.

Так как трансформатор с регулируемым входом согласно описанным здесь вариантам осуществления особенно хорошо подходит для отбора энергии для устройства для аккумулирования энергии, соблюдение ограничений по искробезопасности, очевидно, является вопросом применения такого трансформатора. На фиг.11 показан трансформатор 350 преобразователя постоянного тока в постоянный с гальванически развязанным входом, используемый для отвода энергии в токовом контуре 210. Трансформатор преобразователя постоянного тока в постоянный или устройство 350 для отвода энергии обеспечивает ограничение энергии неисправности с помощью развязывающего трансформатора 355. Важно отметить, что развязывающий трансформатор 355 может эффективно заменить катушку 244 индуктивности в дополнение к обеспечению безопасной работы. При этом схема переключения, такая как контроллер 250, работающий совместно с регулятором 246 обратной связи, может генерировать ШИМ-импульсы так же, как в варианте осуществления, показанном на фиг.8, независимо от того, подводится ли энергия к катушке 244 индуктивности или развязывающему трансформатору 355. Катушки трансформатора, намотанные на стороне 357 схемы устройства 350 для отвода энергии, могут использоваться для аккумулирования электрической энергии, когда вывод 252 переключения подключен к выводу 258 заземления, и индуцирования тока, протекающего в противоположном направлении в катушках, подключенных на стороне 359 нагрузки. Другими словами, развязывающий трансформатор 355 можно рассматривать как катушку индуктивности с дополнительной функцией гальванической развязки.

Как показано на фиг.8, в случае неисправности, вызванной коротким замыканием обратного диода 260, существует замкнутый контур разрядки от выхода 222 ко входу 218. Кроме того, внутренняя схема контроллера 250 может также образовывать контур между выходом 222 и входом 218 с практически нулевым сопротивлением. Развязывающий трансформатор 355 в варианте осуществления, показанном на фиг.11, напротив, предотвращает передачу энергии обратно на вход 218. Специалисту в данной области техники понятно, что развязывающий трансформатор можно рассматривать как безотказный для всех практических целей при условии выбора правильного трансформатора с соответствующим насыщением сердечника.

Кроме того, коэффициент трансформации развязывающего трансформатора 355 может быть выбран так, чтобы дополнительно обеспечить требуемое в некоторых прикладных задачах преобразование напряжения. Таким образом, вместо использования дополнительной схемы для регулирования напряжения питания нагрузки, целесообразно использовать развязывающий трансформатор 355, который может быть эффективным средством регулирования выходного напряжения. Более того, трансформатор может быть выполнен с несколькими обмотками для обеспечения при необходимости в конкретной прикладной задаче нескольких выходов.

Кроме того, ясно, что обеспечение полной гальванической развязки между стороной 357 питания схемы и стороной 359 нагрузки не требуется. В частности, напряжение обратной связи или силовые сигналы могут подаваться от стороны 359 нагрузки на сторону 357 питания для использования в качестве опорных величин или дополнительного регулирования, если соединения на границе развязки включают безотказные резисторы с правильно подобранным сопротивлением. Также может быть необходимым ограничение энергии, передаваемой через трансформатор в прямом направлении или в направлении от стороны 357 питания на сторону 359 нагрузки. Эти ограничения могут способствовать обеспечению требуемых пределов передачи энергии в противоположном направлении. Несмотря на то что обеспечивающие эти функции элементы не показаны на фиг.11, следует отметить, что эти прямые ограничения могут быть обеспечены шунтирующим регулятором, подключенным ко входу трансформатора на стороне 357 питания.

Как показано на фиг.11, ко входным клеммам 218 могут быть дополнительно подключены ограничительные диоды 362 для ограничения напряжения на входе устройства 350 для отвода энергии и задания максимального напряжения на случай неисправности для обеспечения искробезопасности. Специалисту в данной области техники понятно, что ограничительные диоды 362 не влияют на устройство 350 для отвода энергии в нормальных режимах работы устройства 350.

На фиг.12 показан другой вариант осуществления устройства для отвода энергии с использованием преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом. В данном случае токовый контур 400 включает средство 402 связи по протоколу HART в дополнение к распределенной системе 212 управления и полевому устройству 214, описанному выше со ссылкой на фиг.6. HART модулятор 402 подключен параллельно полевому устройству 214 для модулирования напряжения на полевом устройстве. Как известно, возможность модулирования напряжения в схеме зависит от полного сопротивления схемы. В частности низкое полное сопротивление схемы приводит к потреблению большого количества энергии моделирующей схемой. При этом распределенная система 212 управления может представлять собой аккумуляторную батарею с очень низким полным сопротивлением, и, таким образом, типовой токовый контур с током 4-20 мА не проводит сигналы связи по протоколу HART. Поэтому требуется увеличить полное сопротивление контура 400. Кроме того, требуется решить эту задачу без использования таких традиционных средств, как катушка индуктивности, так как катушка индуктивности шунтирует полезную энергию. Таким образом, полное сопротивления контура 400 можно увеличить с помощью катушки индуктивности, но при этом нельзя отвести достаточное количество энергии из контура 400 для питания схемы 402 связи по протоколу HART.

В соответствии с описанным ниже вариантом осуществления устройство 216 для отвода энергии в дополнение к питанию нагрузки 200 служит в качестве эквивалентной катушки 404 индуктивности, соединенной последовательно с полевым устройством 214. Эквивалентная катушка 404 индуктивности не является физическим устройством, отдельным от устройства 216 для отвода энергии. Напротив, в данном варианте осуществления устройства 214 для отвода энергии устройство 214 представляет для схемы 400 катушку индуктивности, так что схема 403 связи по протоколу HART может модулировать сигналы по проводам схемы 400. Дополнительно конденсатор 406 обеспечивает фильтрацию для сглаживания внезапных изменений тока, которые могут повлиять на связь по протоколу HART.

Устройство 450 для отвода энергии, показанное на фиг.13, работает так, чтобы регулировать скорость изменения тока в устройстве 450 для отвода энергии, тем самым создавая полное сопротивление переменному току. Дополнительно устройство 450 для отвода энергии уменьшает уровень помех и обеспечивает прохождение в схеме 500 сигналов модулирования напряжения и, в частности, сигналов связи по протоколу HART. Как показано на фиг.13, устройство для отвода энергии может питать схему 452 связи по протоколу HART и может в данном варианте осуществления включать схему 452 связи по протоколу HART, как встроенный компонент.

Как показано на фиг, 13, для фильтрации помех в контуре к полевому устройству 214 параллельно подключен конденсатор 406. Однако конденсатор 406 может не являться частью устройства 450 для отвода энергии и может быть выполнен отдельно, как показано на фиг.2. Дополнительно последовательно к распределенной системе 212 управления и полевому устройству 214 подключен входной фильтр 454 подавления помех. Подобно другим описанным здесь вариантам осуществления выбор входного фильтра 454 подавления помех зависит от рабочей частоты контроллера 250, а также от допустимой амплитуды помех на входных клеммах 218. Например, конденсатор емкостью 1 мкФ может использоваться в качестве входного фильтра 454 в контуре с током 4-20 мА с допустимым падением напряжения, равным ~1 В, и выходным напряжением нагрузки, питаемой устройством для отвода энергии, равным ~3 В. Однако специалисту в данной области техники понятно, что входной фильтр 454 в этом и других вариантах осуществления также может иметь значительно большую емкость.

Работа схемы 455 обратной связи во многом подобна работе схемы 246 обратной связи, показанной на фиг.8. Однако схема 455 обратной связи дополнительно включает конденсатор 456, эффективно передающий на инвертирующий вход усилителя 272 сигнал, указывающий на ток, входящий в устройство 450 для отвода энергии. Эта конфигурация обеспечивает динамическую характеристику, ограничивающую скорость изменения тока 458, проходящего в устройстве 450 для отвода энергии и к полевому устройству 214. Дополнительно комбинация аккумулирования энергии в конденсаторе 406 и ограниченной скорости изменения тока в устройстве 450 для отвода энергии обеспечивает фильтрацию, которая может изолировать схему 452 связи по протоколу HART. Ограниченная скорость изменения тока 458 в устройстве 450 для отвода энергии дополнительно обеспечивает последовательное полное сопротивление для контурного тока.

Устройство 450 для отвода энергии может быть дополнительно улучшено путем ограничения напряжения на входных клеммах устройства 450 с помощью стабилитрона. Кроме того, развязывающий трансформатор, подобный трансформатору 355, показанному на фиг.11, может использоваться вместо катушки 244 индуктивности для обеспечения искробезопасности путем ограничения энергии. Развязывающий трансформатор, используемый вместо катушки 244 индуктивности, может дополнительно иметь обмотки, выполненные с возможностью изменения выходного тока. Специалисту в данной области техники понятно, что различные аспекты вариантов осуществления изобретения, показанных на фиг.6-13, могут быть объединены для достижения различных прикладных целей.

Дополнительно устройство 450 для отвода энергии может иметь множество выходов и может поддерживать каждое выходное напряжение на разном уровне путем использования, например, шунтирующих регуляторов. На фиг.13 показана типовая конфигурация шунтирующего регулятора 226, который рассеивает излишнюю энергию, передаваемую в нагрузку, подключенную к выходной паре 460 клемм. Так как преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом отбирает доступную энергию на входе при регулируемом падении напряжения, могут быть необходимы дополнительные регуляторы напряжения для обеспечения регулируемого напряжения для нагрузок, питаемых устройствами для отвода энергии. Предполагается, что вариант осуществления, показанный на фиг.13 может питать радиоприемник и радиопередатчик, а также схему связи по протоколу HART. Дополнительно излишняя энергия может запасаться в устройстве для аккумулирования энергии, таком как устройство 224, а не рассеиваться шунтирующим регулятором.

Также предполагается, что фильтрующие возможности устройства 450 для отвода энергии могут настраиваться. Устройство для отвода энергии может найти дополнительные области применения, описанные здесь, благодаря возможности отключения фильтрации, когда она не требуется.

Таким образом, как описано выше, преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом в соответствии с по меньшей мере некоторыми вариантами осуществления поддерживает по существу постоянное падение напряжения на входных клеммах и направляет доступную энергию при регулируемом падении напряжения к выходным клеммам. В зависимости от характеристик схемы, включающей такой преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом, напряжение на выходных клеммах преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом может изменяться при работе, и в некоторых прикладных задачах это изменение может быть непредсказуемым для нагрузки, питаемой преобразователем постоянного тока в постоянный с регулируемым входом.

Как пример, на фиг.14 показана схема 500, в которой двунаправленный преобразователь 502 регулирует передачу энергии между устройством 504 для аккумулирования энергии и нагрузкой 506 с постоянным напряжением, питаемой устройством 510 для отвода энергии с регулируемым входом, в результате чего на паре выходных клемм 512 появляется нерегулируемое напряжение. В этом примере схема 500 включает контур управления с током 4-20 мА, в котором связь между распределенной системой 520 управления и полевым устройством 524 осуществляется с помощью сигналов тока 4-20 мА. Устройство 510 для отвода энергии с регулируемым входом соединено последовательно с полевым устройством 524 с образованием токового контура 530, включающего распределенную систему 520 управления, полевое устройство 534 и устройство 510 для отвода энергии. При работе устройство 510 для отвода энергии отбирает излишнюю энергию, доступную в токовом контуре 530 и регулирует падение напряжение на входных клеммах устройства 510 для отвода энергии. В некоторых вариантах осуществления устройство 210 для отвода энергии может поддерживать по существу постоянное падение напряжения, чтобы не нарушать передачу сигналов в контуре 530. Так как ток в контуре 530 может изменяться в диапазоне от 4 до 20 мА, устройство 510 для отвода энергии может потреблять изменяющееся количество энергии, доступной в контуре 530, и передавать доступную энергию при изменяющемся напряжении на выходные клеммы 512. Однако нагрузка 506, питаемая устройством 510 для отвода энергии, может требовать для работы неизменного напряжения. При том что выходные клеммы 512 устройства 510 для отвода энергии можно подключить к настраиваемому шунтирующему регулятору для рассеивания излишней энергии и тем самым поддержания неизменного напряжения для нагрузки 506, питаемой устройством для отвода энергии, эффективность шунтирующих регулятором и других средств рассеивания лишней энергии очевидно мала.

С другой стороны, двунаправленный преобразователь 502 постоянного тока в постоянный, подключенный последовательно к выходным клеммам 512 устройства 510 для отвода энергии с регулируемым входом и нагрузки 506 на различных этапах работы либо эффективно отбирает энергию при наличии излишней энергии в контуре 540 (определяемом по меньшей мере тремя блоками 502, 506 и 510), либо компенсирует нехватку энергии в контуре 540 путем передачи энергии из устройства 502 для аккумулирования энергии в нагрузку 506. При этом работа двунаправленного преобразователя 502 постоянного тока в постоянный может быть подобна работе двунаправленного преобразователя 16 постоянного тока в постоянный, например, описанного выше.

Дополнительно схема 542 определения напряжения может управлять работой двунаправленного преобразователя 502 постоянного тока в постоянный путем измерения падения напряжения на нагрузке 506 и соответственно подачи сигналов управления в двунаправленный преобразователь 502 постоянного тока в постоянный по линиям 544 и 546 управления. В некоторых вариантах осуществления схема 542 определения напряжения может быть подобна схеме 102, описанной выше со ссылкой на фиг.3. В другом варианте схема 542 определения напряжения может быть встроена в нагрузку 506 так, что нагрузка 506 может эффективно изменять направление и количество (например, с помощью ШИМ-импульсов) передаваемой энергии в двунаправленном преобразователе 502 постоянного тока в постоянный. В любом случае двунаправленный преобразователь 502 постоянного тока в постоянный может передавать энергию в устройство 504 для аккумулирования энергии, когда схема 542 определения напряжения определяет падение напряжения, превышающее определенный верхний порог, и, наоборот, из устройства 504 для аккумулирования энергии, когда схема 542 определения напряжения определяет падение напряжения ниже определенного нижнего порога.

Как показано на фиг.15, схема 550 подобна схеме 500, описанной выше. Однако вместо использования схемы 542 определения напряжения схема 550 включает микропроцессорный контроллер, который связывается с нагрузкой 506 и изменяет по линиям 544 и 546 управления направление и количество передаваемой энергии в двунаправленном преобразователе 502 постоянного тока в постоянный. В одном варианте осуществления микропроцессорный контроллер 552 и нагрузка могут связываться по стандарту RS-232 для обмена информацией в соответствии с подходящим протоколом связи. Путем обработки информации от нагрузки 506 контроллер 552 может увеличивать или уменьшать ширину ШИМ-импульсов, изменять направление передачи энергии или другим образом управлять схемой 540 по линиям 544 и 546 управления.

Понятно, что схема 550 может дополнительно включать схему 542 определения напряжения, которая может, например, передавать сигналы измерения напряжения в контроллер 552. Кроме того, предполагается, что некоторые описанные выше компоненты могут быть объединены для упрощения, например, выполнения корпуса и упаковки. В одном таким предполагаемом варианте осуществления двунаправленный преобразователь 16 или 502 постоянного тока в постоянный может включать конденсатор большой емкости или другой тип блока аккумулирования энергии.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные пример, которые должны рассматриваться только как примерные и не ограничивающие изобретение, специалистам в данной области техники понятно, что в описанные варианты осуществления могут быть внесены изменения, дополнения и/или исключения без изменения сущности и объема изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности. Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный содержит: первую пару клемм, которая соединяет преобразователь с первой электрической схемой, имеющей источник питания, и включает положительную клемму и отрицательную клемму; вторую пару клемм, которая соединяет преобразователь со второй электрической схемой и включает положительную клемму и отрицательную клемму; аккумулирующий элемент для временного аккумулирования электрической энергии; и схему переключения, соединенную с первой парой клемм, второй парой клемм и аккумулирующим элементом, причем в первом режиме работы электрическая энергия передается из первой электрической схемы во вторую электрическую схему через аккумулирующий элемент, причем двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный поддерживает регулируемое падение напряжения на первой паре клемм для отбора электрической энергии из первой схемы при регулируемом падении напряжения, а во втором режиме работы электрическая энергия передается из второй электрической схемы в первую электрическую схему через аккумулирующий элемент. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, имеющий первый режим работы и второй режим работы, содержащий: первую пару клемм, которая соединяет преобразователь с первой электрической схемой, имеющей источник питания, и включает положительную клемму и отрицательную клемму; вторую пару клемм, которая соединяет преобразователь со второй электрической схемой и включает положительную клемму и отрицательную клемму; аккумулирующий элемент для временного аккумулирования электрической энергии; и схему переключения, соединенную с первой парой клемм, второй парой клемм и аккумулирующим элементом, причем в первом режиме работы электрическая энергия передается из первой электрической схемы во вторую электрическую схему через аккумулирующий элемент, причем двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный поддерживает регулируемое падение напряжения на первой паре клемм для отбора электрической энергии из первой схемы при регулируемом падении напряжения, а во втором режиме работы электрическая энергия передается из второй электрической схемы в первую электрическую схему через аккумулирующий элемент.

2. Двунаправленный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что аккумулирующий элемент включает катушку индуктивности.

3. Двунаправленный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что схема переключения включает: первый элемент переключения, имеющий первое рабочее состояние и второе рабочее состояние, причем первый элемент переключения электрически соединяет положительную клемму первой пары клемм с первой клеммой аккумулирующего элемента для осуществления аккумулирования электрической энергии в аккумулирующем элементе в первом рабочем состоянии первого элемента переключения, при этом первый элемент переключения электрически отсоединяет положительную клемму первой пары клемм от аккумулирующего элемента для осуществления передачи электрической энергии из аккумулирующего элемента во втором рабочем состоянии первого элемента переключения, и причем вторая клемма аккумулирующего элемента электрически соединена с положительной клеммой второй пары клемм так, что электрическая энергия передается через положительную клемму второй пары клемм во втором рабочем состоянии первого элемента переключения.

4. Двунаправленный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что первый элемент переключения является полевым транзистором со структурой металл-оксид-проводник (MOSFET).

5. Двунаправленный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что схема переключения дополнительно включает: второй элемент переключения, имеющий первое рабочее состояние и второе рабочее состояние, причем второй элемент переключения электрически соединяет первую клемму аккумулирующего элемента с отрицательной клеммой первой пары клемм для осуществления аккумулирования электрической энергии в аккумулирующем элементе в первом рабочем состоянии второго элемента переключения, при этом второй элемент переключения электрически соединяет первую клемму аккумулирующего элемента с положительной клеммой первой пары клемм для осуществления передачи электрической энергии из аккумулирующего элемента к положительной клемме первой пары клемм во втором рабочем состоянии второго элемента переключения.

6. Двунаправленный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что схема переключения дополнительно включает: первый диод, пропускающий электрический ток только в направлении от первой клеммы аккумулирующего элемента к положительной клемме первой пары клемм; и второй диод, пропускающий электрический ток только в направлении от отрицательной клеммы первой пары клемм к первой клемме аккумулирующего элемента.

7. Двунаправленный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что схема переключения дополнительно включает: первый конденсатор, электрически соединенный с первой парой клемм; и второй конденсатор, электрически соединенный со второй парой клемм.

8. Двунаправленный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что регулируемое падение напряжения на первой паре клемм является первым падением напряжения, а вторая пара клемм связана со вторым падением напряжения, причем первое падение напряжения больше, чем второе падение напряжения, в первом режиме работы устройства, и меньше, чем второе падение напряжения, во втором режиме работы устройства.

9. Способ регулирования двунаправленной передачи энергии между первой схемой и второй схемой, причем первая схема содержит источник питания, включающий следующие этапы: этап передачи электрической энергии из первой схемы во вторую схему в первом режиме работы в соответствии с наличием неиспользуемой энергии в первой схеме, на котором осуществляют аккумулирование энергии из первой схемы в аккумулирующем элементе и передают энергию из аккумулирующего элемента во вторую схему; и этап передачи электрической энергии из второй схемы в первую схему во втором режиме работы в соответствии с отсутствием энергии в первой схеме, на котором осуществляют аккумулирование энергии из второй схемы в аккумулирующем элементе и передают энергию из аккумулирующего элемента в первую схему.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что передача электрической энергии из первой схемы во вторую схему включает чередующиеся процессы аккумулирования энергии из первой схемы в аккумулирующем элементе и передачи энергии из аккумулирующего элемента во вторую схему с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что передача электрической энергии из первой схемы во вторую схему дополнительно включает изменение ширины импульса в соответствии с количеством неиспользуемой энергии, имеющейся в первой схеме, причем ширину импульса увеличивают при увеличении количества энергии, имеющейся в первой схеме.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что чередующиеся процессы аккумулирования энергии и передачи энергии включают управление электронным ключом, включающим транзистор.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что передача электрической энергии из второй схемы в первую схему включает чередующиеся процессы аккумулирования энергии из второй схемы в аккумулирующем элементе и передачи энергии из аккумулирующего элемента в первую схему с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что передача электрической энергии из второй схемы в первую схему дополнительно включает изменение ширины импульса в соответствии с объемом дефицита энергии, требуемой в первой схеме, причем ширину импульса увеличивают при увеличении количества энергии, требуемой в первой схеме.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что аккумулирующий элемент является катушкой индуктивности.

16. Способ по п.9, отличающийся тем, что первая схема включает источник питания и нагрузку, а аккумулирующий элемент является компонентом двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный, причем способ дополнительно включает: соединение двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный последовательно с источником питания и нагрузкой; измерение падения напряжения на нагрузке для генерирования сигнала измерения напряжения; и выбор первого режима работы или второго режима работы на основе сигнала измерения напряжения.

17. Способ по п.9, отличающийся тем, что первая схема включает источник питания и нагрузку, а аккумулирующий элемент является компонентом двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный, причем способ дополнительно включает: прием первого сигнала для управления первым режимом работы, прием второго сигнала для управления вторым режимом работы, управление первым электронным ключом в соответствии с первым сигналом и управление вторым электронным ключом в соответствии со вторым сигналом, причем первый электронный ключ и второй электронный ключ являются компонентами двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный.

18. Система для отвода энергии из первой схемы, имеющей изменяющийся постоянный ток, содержащая: устройство для отвода энергии, включающее входную пару клемм, соединяющую устройство для отвода энергии с первой схемой, и выходную пару клемм, соединяющую устройство для отвода энергии со второй схемой, устройство для аккумулирования электрической энергии; и двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, соединенный последовательно с выходной парой клемм и с устройством для аккумулирования энергии, причем двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный передает энергию из второй схемы в устройство для аккумулирования энергии в первом режиме работы и из устройства для аккумулирования энергии во вторую схему во втором режиме работы, и управляющий элемент для управления работой двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный, причем управляющий элемент представляет собой схему определения напряжения, соединенную с возможностью связи с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный, или контроллер, соединенный с возможностью связи с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный.

19. Система по п.18, отличающаяся тем, что устройство для отвода энергии является устройством для отвода энергии с регулируемым входом, которое поддерживает регулируемое падение напряжения на входной паре клемм и отбирает электрическую энергию из первой схемы при регулируемом падении напряжения.

20. Система по п.18, отличающаяся тем, что двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный включает: катушку индуктивности и схему переключения, соединенную с катушкой индуктивности для периодического аккумулирования электрической энергии в катушке индуктивности в первом режиме работы преобразователя постоянного тока в постоянный и во втором режиме работы преобразователя постоянного тока в постоянный.

21. Система по п.18, отличающаяся тем, что устройство для аккумулирования электрической энергии является конденсатором большой емкости.

22. Система по п.18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит нагрузку, питаемую устройством для отвода энергии, соединенную со второй схемой, которая питается от устройства для отвода энергии в первом режиме работы двунаправленного преобразователя и от устройства для аккумулирования энергии во втором режиме работы двунаправленного преобразователя.

23. Система по п.22, отличающаяся тем, что схема определения напряжения, соединенная с возможностью связи с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный, измеряет напряжение на нагрузке, питаемой устройством для отвода энергии, причем схема определения напряжения включает: первую линию управления, соединенную с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный, которая управляет передачей электрической энергии из второй схемы в устройство для аккумулирования энергии; первую линию управления, соединенную с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный, которая управляет передачей электрической энергии из устройства для аккумулирования энергии во вторую схему.

24. Система по п.22, отличающаяся тем, что контроллер, соединенный с возможностью связи с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный, соединен с возможностью связи с нагрузкой, питаемой устройством для отвода энергии, причем контроллер регулирует передачу электрической энергии между устройством для аккумулирования энергии и второй схемой на основе сигнала связи между контроллером и нагрузкой, питаемой устройством для отвода энергии.

25. Способ регулирования двунаправленной передачи электрической энергии между схемой питания, включающей источник питания, и схемой аккумулирования энергии, использующей элемент аккумулирования тока, в котором: определяют потребление энергии схемы питания, причем схема питания связана с изменяющимся постоянным током; если определенное потребление энергии соответствует излишней энергии, имеющейся в схеме питания, то регулируют первую передачу излишней энергии из схемы питания в схему аккумулирования энергии через элемент аккумулирования тока; и если определенное потребление энергии связано с дефицитом энергии, имеющимся в схеме питания, то регулируют вторую передачу требуемой энергии из схемы аккумулирования энергии в схему питания через элемент аккумулирования тока.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что определение потребления энергии схемы питания включает обработку сигнала от контроллера, связанного со схемой питания.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что определение потребления энергии схемы питания включает: получение сигнала измерения напряжения, связанного со схемой питания; получение нижнего порога напряжения схемы питания, причем нижний порог напряжения ниже, чем рабочее напряжение, связанное со схемой питания, получение верхнего порога напряжения схемы питания, причем верхний порог напряжения выше, чем рабочее напряжение, связанное со схемой питания, сравнение сигнала измерения напряжения с нижним порогом напряжения и верхним порогом напряжения; и регулирование второй передачи электрической энергии, если сигнал измерения напряжения меньше, чем нижний порог напряжения, и регулирование первой передачи электрической энергии, если сигнал измерения напряжения больше, чем верхний порог напряжения.