СХЕМА, АДАПТИРОВАННАЯ ДЛЯ ПОДАЧИ НАПРЯЖЕНИЯ К ЭЛЕКТРОННОМУ УСТРОЙСТВУ, И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2016 года по МПК H02M5/08 

Настоящее изобретение относится к схеме, адаптированной для подачи напряжения к электронному устройству, такому как нагрузка V_L, причем упомянутое напряжение получается из напряжения V_S, которое имеет периодический цикл с периодом, имеющим положительную часть и отрицательную часть, и где напряжение V_S подается на последовательное соединение нагрузки V_L и входа схемы.

В потребляющих электроэнергию устройствах, таких как мобильные телефоны, обычной практикой является установка перезаряжаемой аккумуляторной батареи в устройство.

Поскольку перезаряжаемая аккумуляторная батарея в мобильном телефоне обеспечивает напряжение для работы мобильного телефона, а также напряжение для подзарядки этой аккумуляторной батареи, необходимо обеспечить напряжение на выходе аккумуляторной батареи, которое выше, чем напряжение, необходимое для работы такого устройства. Поэтому разность между зарядным напряжением и напряжением для работы потребляющего устройства дает представление о том, как происходит процесс зарядки. Однако, если подается более высокое напряжение к потребляющему устройству по сравнению с тем, которое предусмотрено, уменьшается в целом эффектность всей системы. Путем простого расчета энергии можно сделать вывод относительно того, что эффективность более или менее пропорциональна разности между напряжением, используемым для подзарядки аккумуляторной батареи, и напряжением для работы потребляющего устройства.

В патенте США №3927364 раскрыт умножитель напряжения с использованием пассивных компонентов.

Однако в этом патенте США отсутствует какая-либо рекомендация относительно того, как выполнить схему, в которой на выходе схемы можно было бы установить нормальное рабочее напряжение для потребляющего устройства и, в дополнение к этому, напряжение, которое увеличивалось бы в зависимости от рабочего напряжения.

В свете устройств, например, таких, где используются светоизлучающие диоды (СИД), хорошо известно, что они обладают низкой потребляемой мощностью.

В патенте США 2004/0189555 раскрыт источник света на основе СИД, где источник света питается от источника переменного тока, который подсоединен к схеме умножения и стабилизатору напряжения.

Даже при том, что такие светоизлучающие диоды (СИД) обладают более низкой потребляемой мощностью по сравнению с традиционными лампами, в современном обществе существует потребность в снижении потребляемой мощности независимо от того, насколько низким является фактическое потребление.

Поэтому задачей изобретения является повышение эффективности потребляющего устройства, которое использует нормальное рабочее напряжение и повышенное напряжение, полученное исходя из рабочего напряжения.

Другой задачей изобретения является улучшение драйвера источника света для светоизлучающих диодов, который повышает интенсивность света при потреблении от заданного напряжения по сравнению с интенсивностью света при использовании того же самого напряжения, но без схемы, соответствующей настоящему изобретению.

Решение этой задачи достигается с помощью схемы типа той, которая описана в ограничительной части п.1 формулы изобретения и отличается тем, что состоит из трех последовательно соединенных диодов и двух конденсаторов, один из конденсаторов соединен параллельно с двумя из этих диодов, и другой конденсатор соединен параллельно с двумя из других диодов, или упомянутая схема состоит из последовательного соединения по меньшей мере двух светоизлучающих диодов СИД и одного вспомогательного диода, причем диоды соединены с двумя импедансами, один из импедансов соединен параллельно с двумя из диодов, а другой импеданс соединен параллельно с двумя из других диодов.

Таким образом, из напряжения, подаваемого на потребляющее устройство, которое использует рабочее напряжение, можно дополнительно обеспечить более высокое напряжение, например, для подачи напряжения на перезаряжаемую аккумуляторную батарею или для возбуждения СИД диодов, что приводит к повышению эффективности потребляющего устройства или источника света, использующего также СИД диоды.

Для того чтобы получить еще более эффективную схему предпочтительно, как изложено в п.2, чтобы, по меньшей мере, дополнительный генератор асимметричного тока (ACG) был соединен параллельно с одним или двумя из двух диодов.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения приведен в п.3, в котором изложено, что вспомогательный диод является светоизлучающим диодом (СИД).

Простой и полезный вариант осуществления изобретения состоит в том, как изложено в п.4, что импедансы представляют собой конденсаторы.

Для дополнительного повышения интенсивности света, предпочтительно, согласно п.5, импедансы представляют собой катушки индуктивности.

Практический пример использования изобретения состоит в том, как изложено в п.6, что перезаряжаемая аккумуляторная батарея подключена между напряжением V_S и генератором асимметричного тока.

Вариант осуществления, как изложено в п.7, в котором напряжение V_S подается на последовательное соединение двух диодов и параллельное соединение из генератора асимметричного тока и конденсатора, при этом один вывод нагрузки соединен с указанным параллельным соединением, тогда как другой вывод нагрузки подключен между диодами. В этом варианте удается избежать использования традиционных выпрямителей, когда напряжение V_S, например, имеет синусоидальную форму. Кроме того, вышеупомянутые преимущества схемы согласно изобретению, касающиеся формирования более высокого напряжения из более низкого напряжения питания, получены таким образом, как было объяснено ранее.

В пределах объема настоящего изобретения преимуществом является работа схемы в двухтактной конфигурации, как изложено в п.8, то есть, когда V_S равно напряжению V_DC постоянного тока, которое прикладывается последовательно с двумя переключателями и нагрузкой, а генератор ассиметричного тока соединен параллельно с переключателем и нагрузкой.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - базовая схема генератора ассиметричного тока согласно изобретению;

фиг.2 - источник света согласно изобретению;

фиг.3 - другой предпочтительный вариант осуществления источника света согласно изобретению;

фиг.4 - дополнительный вариант осуществления изобретения;

фиг.5 - схема (фиг.1) в варианте умножителя;

фиг.6 - генератор ассиметричного тока (фиг.1), соединенный с перезаряжаемой аккумуляторной батареей;

фиг.7 - генератор ассиметричного тока (фиг.1), соединенный с нагрузкой;

фиг.8 - предпочтительный вариант осуществления изобретения согласно изобретению;

фиг.9 - источник света, подобный тому, который показан на фиг.2, но с восемью СИДами.

На фиг.1 показана схема в виде генератора ассиметричного тока, состоящая из трех диодов D1, D2, D3, которые соединены последовательно. Два конденсатора C1, C2 соединены с диодами так, что конденсатор C1 соединен параллельно с диодами D1, D2, тогда как конденсатор C2 соединен параллельно с диодами D2 и D3.

Схема подключена к источнику напряжения V_S через нагрузку V_L и работает следующим образом.

Когда напряжение V_S подается на нагрузку V_L, на выходе нагрузки V_L создается напряжение V_ACG.

Напряжение V_S показано на фигуре в виде периодического симметричного синусоидального сигнала.

Схема работает следующим образом.

Когда верхний вывод V_S является положительным во время первого полупериода, конденсаторы C1, C2 будут заряжаться во время первого полупериода V_S. Ток будет протекать через нагрузку V_L, и последовательную часть схемы, состоящую из конденсатора C1, диода D2 и конденсатора C2, поскольку диоды D1, D3 не будут пропускать ток.

После завершения первого периода напряжения напряжение V_ACG будет равно напряжению V_S, деленному на количество конденсаторов, то есть 1/2 V_S.

В течение второго периода напряжения V_S напряжением V_ACG управляют с помощью параллельной схемы, состоящей из конденсаторов C1, C2, диода D1 и диода D3.

Как показано на фиг.1, видно, что V_L>V_S, когда V_S находится во втором периоде, так как V_L будет равно сумме V_S и V_ACG. Следует отметить, что в начале первого полупериода ток в конденсаторах будет максимальным и определяться с помощью сопротивления цепи. Когда конденсаторы полностью заряжены, ток будет минимальным.

Ниже приведен пример, в котором предполагается, что V_S равно 9 В, и нагрузка V_L представляет собой 12-вольтовую перезаряжаемую аккумуляторную батарею. Обычно нельзя подзаряжать 12-вольтовую аккумуляторную батарею источником 9 В.

Благодаря использованию схемы, показанной на фиг.1, см. также фиг.6, становится возможной подзарядка аккумуляторной батареи, поскольку во время заряда конденсаторов C1, C2 они получат напряжение 4,5 В (=1/2 V_S), при этом упомянутое напряжение будет добавляться к источнику напряжения 9 В во время разряда конденсаторов C1, C2 и, таким образом, создавая напряжение 13,5 В для заряда аккумуляторной батареи.

Обращаясь теперь к фиг.2, можно увидеть, что она отличается от фиг.1 тем, что два диода D1, D3 заменены на светоизлучающие диоды СИД1, СИД2.

Другое отличие состоит в том, что два переключателя S1 и S2 соединены последовательно с входом постоянного тока и нагрузкой, которая может иметь значение 0.

Эти переключатели являются асинхронными переключателями, которые могут питаться от внешнего генератора (не показан) с частотой f, например 5 МГц.

Последовательно соединенные светоизлучающие диоды СИД1 и СИД2 подключены между переключателями S1, S2.

Эта схема работает следующим образом.

Когда S1 включен и S2 выключен во время увеличивающейся части напряжения постоянного тока, ток будет протекать через конденсатор C1, диод D1 и конденсатор C2, что приведет к значению напряжения постоянного тока плюс половина напряжения постоянного тока.

Во время следующей уменьшающейся части напряжения постоянного тока, когда переключатель S1 выключен и переключатель S2 включен, конденсатор C1 будет разряжаться через диод СИД1, а конденсатор C2 будет разряжаться через СИД2 и нагрузку.

Таким образом, большая мощность выводится от источника напряжения постоянного тока, что приводит к более интенсивному свету по сравнению с ситуацией, где три последовательно соединенных диода подключены непосредственно к напряжению постоянного тока.

Следует отметить, что можно также заменить диод D1 на светоизлучающий диод, но этот диод будет излучать меньше света, чем светоизлучающие диоды СИД1 и СИД2.

Для того чтобы получить более высокую интенсивность света от светоизлучающих диодов СИД1, СИД2, следует обратить внимание на фиг.3.

Отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.2, состоит в том, что две катушки индуктивности L1, L2 соединены параллельно со светоизлучающим диодом СИД2 и светоизлучающим диодом СИД1 соответственно.

Когда переключатель S1 включен и переключатель S2 выключен, ток во время возрастания напряжения постоянного тока протекает быстрее через конденсатор C1, диод D1 и конденсатор C2, чем по пути через катушку индуктивности L1, конденсатор C1 и катушку индуктивности L2 и конденсатор C2, вследствие того, что индуктивность катушек задерживает ток. Это означает, что конденсаторы C1 и C2 будут получать первое количество заряда последовательно до тех пор, пока задержанный ток через катушки индуктивности не получат максимальный заряд при окончании возрастания напряжения.

На спадающей части напряжения постоянного тока конденсаторы будут получать заряд из катушек индуктивности, что приведет в целом к более интенсивному излучению света из светоизлучающих диодов СИД1 и СИД2, по сравнению с вариантом, показанным на фиг.3.

Следует отметить, что лучше, если источник напряжения постоянного тока имеет низкую индуктивность по той причине, что катушки индуктивности L1, L2 не смогут создавать такую же мощность, если источник напряжения постоянного тока имеет некоторую индуктивность.

Вариант осуществления, показанный на фиг.4, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг.2, тем, что конденсаторы C1, C2 заменены на катушки индуктивности L1, L2.

В этом случае, один переключатель S1 соединен последовательно с диодами СИД1, D1 и СИД2.

Когда S1 включен во время возрастания напряжения постоянного тока, ток протекает через катушку индуктивности L1, диод D1 и катушку индуктивности L2, что приводит к запитке катушек индуктивности.

Когда переключатель выключен, катушки индуктивности будут высвобождать сохраненную энергию через светоизлучающие диоды СИД1 и СИД2.

Схема, показанная на фиг.5, отличается от схемы, показанной на фиг.1, тем, что две аналогичные схемы ACG, соответственно, подключены между диодами D1, D2 и положительной частью V_S и между диодами D2, D3 и отрицательной частью V_S. Два конденсатора в схемах ACG обозначены C5, C6 и C3, C4 соответственно.

В этой схеме можно получить более быстрый заряд трех конденсаторов C1, C3, C4 и C2, C5, C6, так как они имеют меньшую последовательную емкость, по сравнению с использованием только двух конденсаторов C1, C2, как показано на фиг.1.

Аналогично при разряде конденсаторов C3, C4 параллельным образом, они будут добавлять свое напряжение к C1, и аналогичным образом конденсаторы C5, C6 будут добавлять свое напряжение к C2.

В итоге более высокое выходное напряжение V_ACG по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг.1, будет представлять собой результат или, другими словами, будет достигнуто умножение напряжения V_S.

На фиг.6 продемонстрировано практическое применение схемы ACG, где перезаряжаемая аккумуляторная батарея вставлена в качестве нагрузки.

Такая перезаряжаемая аккумуляторная батарея работает, например, с напряжением между 10,8 и 13,5 В.

Это означает, что перезаряжаемая аккумуляторная батарея в случае, когда она подключена к схеме ACG, будет получать большее количество заряда, чем выделять.

Это также означает, что можно использовать источник напряжения V_S, который является достаточным для потребляющего устройства, и при этом создается напряжение, необходимое для заряда аккумуляторной батареи, без повышения напряжения источника напряжения V_S.

В зависимости от того, какие и как схемы ACG масштабируются или умножают, можно, например, заряжать 36-вольтовую аккумуляторную батарею с помощью источника напряжения V_S 2 В.

На фиг.7 показана компоновка схемы ACG, где источник V_S соединен со схемой ACG, и V_S также соединен с двумя диодами D4, D5.

Компоновка на фиг.8 отличается от компоновки на фиг.7 тем, что конденсатор C7 заменен на другую схему ACG. Функция остается, в основном, той же самой, как объяснено в отношении фиг.7, но с различиями в том, что оба периода источника V_S обеспечивают в сдвиговой манере заряд и разряд в схеме ACG, что приводит к показанному выходному напряжению.

На фиг.9 показан источник света, состоящий из восьми светоизлучающих диодов, где четыре из них соединены параллельно между собой и последовательно с конденсатором C1, а оставшиеся светоизлучающие диоды соединены последовательно с конденсатором C2.

Функционирование этого источника света аналогично варианту, показанному на фиг.2.

Даже при том, что изобретение объяснено в связи с пассивными компонентами, в пределах объема формулы изобретения ясно, что изобретение можно осуществить с использованием активных компонентов, таких как транзисторы, заменив диоды или т.п.

Изобретение относится к области электротехники, к схеме, адаптированной для подачи напряжения V_S в электронное устройство, такое как нагрузка или источник света. Напряжение V_S подается в схему (ACG), которая может получать напряжение V_ACG из V_S, где V_ACG≠V_S. Схема состоит в первом варианте осуществления из трех последовательно соединенных диодов (D1, D2, D3) и двух конденсаторов (C1, C2), где конденсатор (C1) соединен параллельно с двумя диодами (D1, D2) и конденсатор (C2) соединен параллельно с диодами (D2, D3). Таким образом, выполнен генератор асимметричного тока (ACG), который из нормального периодического источника напряжения V_S может получить два напряжения, каждое из которых подходит для перезаряжаемой батареи или источника света. Таким образом, экономически эффективное напряжение, которое требуется для электронного устройства, является преимущественным для подзарядки перезаряжаемой аккумуляторной батареи или повышения интенсивности света для СИД источника света, что приводит к экономии текущих затрат, быстрой подзарядке перезаряжаемой батареи и повышению интенсивности света, излучаемого источником света. Изобретение также охватывает применения генератора асимметричного тока (ACG). 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Схема для подачи напряжения на электронное устройство, такое как нагрузка V_L, причем указанное напряжение формируется из напряжения V_S, которое имеет периодический цикл с периодом, имеющим положительную часть и отрицательную часть, и напряжение V_S подается на последовательное соединение нагрузки V_L и входа схемы (ACG), отличающаяся тем, что упомянутая схема состоит из трех последовательно соединенных диодов (D1, D2, D3) и двух конденсаторов (C1, C2), причем один из конденсаторов (C1) соединен параллельно с двумя диодами (D1, D2), а другой конденсатор (C2) соединен параллельно с двумя другими диодами (D2, D3), или упомянутая схема состоит из последовательного соединения по меньшей мере двух светоизлучающих диодов (СИД) и одного дополнительного диода, причем диоды соединены с двумя импедансами, где один из импедансов соединен параллельно с двумя диодами, а другой импеданс соединен параллельно с двумя другими диодами.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере дополнительный генератор асимметричного тока (ACG) соединен параллельно с одним из двух диодов или с обоими диодами.

3. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительный диод (D1) представляет собой светоизлучающий диод.

4. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные импедансы представляют собой конденсаторы (C1, C2).

5. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные импедансы представляют собой катушки индуктивности (L1, L2).

6. Схема по п.1, отличающаяся тем, что перезаряжаемая аккумуляторная батарея подключена между напряжением V_S и генератором асимметричного тока (ACG).

7. Схема по п.1, отличающаяся тем, что указанное напряжение V_S подключено к последовательному соединению двух диодов (D4, D5) и параллельному соединению генератора асимметричного тока (ACG) и конденсатора, при этом один вывод нагрузки соединен с указанным параллельным соединением, а другой вывод подключен между диодами.

8. Схема по п.7, отличающаяся тем, что напряжение V_S представляет собой напряжение V_DC постоянного тока, которое подключено последовательно с двумя переключателями (S1, S2) и нагрузкой, при этом генератор асимметричного тока (ACG) подключен параллельно переключателю (S2) и нагрузке.