УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2022 года по МПК H02M7/217 

Для данной заявки на патент испрашивается приоритет по заявке на патент Германии №DE 102018201925.8, содержание которой включено в данную заявку по ссылке.

Предлагаемое изобретение относится к устройству для сбора электрической энергии и к генератору энергии, содержащему такое устройство.

Под сбором энергии понимается сбор малых количеств электрической энергии из источников в окрестностях какого-либо совершающего движения электротехнического устройства, например, от его вибраций или перемещений. Соответствующие сборщики энергии, например, пьезоэлектрические генераторы или сборщики энергии электромагнитных полей создают низковольтное электрическое напряжение переменной полярности (переменное напряжение), от которого следует отбирать электрическую энергию, чтобы использовать ее как можно более эффективным образом.

Цель предлагаемого изобретения состоит в создании простого и компактного устройства, которое обеспечивало бы возможность собирать электрическую энергию эффективным и надежным образом. В частности, оно должно обеспечивать эффективный сбор электрической энергии из чрезвычайно низковольтных (в диапазоне милливольт) источников.

Эта цель достигается созданием устройства, имеющего признаки, раскрываемые в п. 1 формулы изобретения. Выпрямительный модуль содержит первую зарядную цепь для сбора энергии положительного напряжения сборщика энергии на входных клеммах, и вторую зарядную цепь для сбора энергии отрицательного напряжения сборщика энергии на входных клеммах, причем упомянутые зарядные цепи имеют общую катушку и общий электронный переключатель. В этом случае, когда приложено положительное напряжение, электронный переключатель замкнут, он находится в первом состоянии переключения, и происходит накопление энергии в катушке благодаря приложенному положительному напряжению и протекающему по ней току. В этом первом состоянии переключения первый запирающий элемент не позволяет первому конденсатору заряжаться. Упомянутый первый запирающий элемент может быть реализован в виде диода. В следующем за этим втором состоянии переключения электронный переключатель разомкнут, при этом первый конденсатор заряжается энергией, накопленной в катушке. В этом втором состоянии переключения первый запирающий элемент пропускает ток от катушки к первому конденсатору для его зарядки. Когда на входных клеммах приложено отрицательное напряжение, электронный переключатель замкнут, он находится в первом положении переключения, и происходит накопление энергии в катушке благодаря приложенному отрицательному напряжению и протекающему по ней току. В этом втором состоянии переключения второй запирающий элемент не позволяет второму конденсатору заряжаться. Упомянутый второй запирающий элемент может быть реализован в виде диода. В следующем за этим втором состоянии переключения электронный переключатель разомкнут, при этом второй конденсатор заряжается энергией, накопленной в катушке. В этом втором состоянии переключения второй запирающий элемент пропускает ток от катушки ко второму конденсатору для его зарядки.

Выпрямительный модуль содержит только одну катушку, используемую зарядными цепями совместно как при положительном, так и при отрицательном напряжении на входных клеммах, поэтому выпрямительный модуль является простым и компактным. Стоимость устройства существенно зависит от магнитного объема, который ограничен общей катушкой. Поскольку в выпрямительном модуле только одна катушка, магнитный объем ограничен объемом этой единой катушки и стоимость устройства является сравнительно низкой. Кроме того, переменное напряжение на входных клеммах преобразуется в напряжение одной полярности или в постоянное напряжение в один прием, так что сбор электрической энергии осуществляется эффективным и надежным образом. Входные клеммы не соединены с диодом выпрямительного модуля непосредственно, так что чрезвычайно низкое напряжение сборщика энергии тоже может быть выпрямлено и использовано просто и эффективно. Выпрямительный модуль может быть реализован как вольтодобавочный преобразователь.

Зарядные цепи используют электронный переключатель совместно и соответствующим образом. Этот электронный переключатель содержит по меньшей мере один электронный переключательный элемент. Этот по меньшей мере один электронный переключательный элемент может быть реализован как полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (полевой МОП-транзистор), предпочтительно - как нормально открытый n-канальный полевой МОП-транзистор. Первое состояние переключения и следующее за ним второе состояние переключения длятся в течение периода времени T_S. Для этого периода T_S соблюдается следующее равенство: T_S=1/f_S, где через f_S обозначена частота переключения управляющего устройства. Первое состояние переключения имеет продолжительность D⋅T_S, а соответствующее второе состояние переключения имеет продолжительность (1-D)⋅T_S, где D - это продолжительность включения.

Устройство, охарактеризованное в п. 2 формулы изобретения, сочетает простоту и компактность и обеспечивает эффективный сбор энергии. Цепь, состоящая из последовательно соединенных катушки и электронного переключателя, соединена с входными клеммами. Если электронный переключатель замкнут, то эта последовательная цепь образует контур из катушки и электронного переключателя вместе со сборщиком энергии, который подсоединен к входным клеммам. В результате под действием присутствующего на входных клеммах напряжения через катушку течет ток и катушка накапливает энергию. В следующем за этим втором состоянии переключения электронный переключатель разомкнут и в силу того, что цепь является последовательной, отсутствует соединение катушки с одной из входных клемм и контур, таким образом, разомкнут. В результате в этом втором состоянии переключения обеспечена возможность для зарядки первого конденсатора или второго конденсатора. Представляется предпочтительным такое решение, когда катушка соединена с первой входной клеммой, а электронный переключатель соединен со второй входной клеммой.

Устройство, охарактеризованное в п. 3 формулы изобретения, сочетает надежность и эффективность. Благодаря использованию двух последовательно соединенных электронных переключающих элементов удалось избежать паразитных токов и связанных с этим потерь. Упомянутые два электронных переключающих элемента могут быть включены встречно. Тем самым удается избежать потерь и отказов, связанных с паразитными токами. Паразитные токи вызываются, в частности, паразитными диодами. Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов эти паразитные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбирают из группы, состоящей из полевых транзисторов (n-канальных или р-канальных) и биполярных транзисторов (n-p-n или p-n-р). Представляется предпочтительным такое решение, когда эти электронные переключающие элементы реализованы как полевые МОП-транзисторы, в частности, n-канальные полевые МОП-транзисторы.

Устройство, охарактеризованное в п. 4 формулы изобретения сочетает простоту и высокую надежность. Электронный переключатель содержит по меньшей мере один электронный переключающий элемент, имеющий связанный с ним паразитный диод. Когда выпрямительный модуль начинает работать, этот паразитный диод используется для снабжения электрической энергией управляющего устройства. Для этого цепь питания управляющего устройства соединена с выпрямительным модулем таким образом, что катушка, один из конденсаторов, цепь питания и паразитный диод образуют контур вместе со сборщиком энергии, который подсоединен к входным клеммам. Через этот контур, то есть через паразитный диод, цепь питания заряжается за счет напряжения на входных клеммах и/или напряжения гальванического накопителя энергии, так что цепь питания обеспечивает напряжение питания для генерирования сигналов управления. Цепь питания может быть соединена с одной из выходных клемм и выводом электронного переключающего элемента. Представляется предпочтительным такое решение, когда цепь питания соединена со второй выходной клеммой и электродом истока электронного переключающего элемента, который реализован как полевой МОП-транзистор. Представляется предпочтительным такое решение, когда электрод стока электронного переключающего элемента соединен со второй входной клеммой.

Устройство, охарактеризованное в п. 5 формулы изобретения, сочетает высокую надежность и высокую эффективность. Электронные переключающие элементы соединены последовательно и включены встречно, так что паразитные диоды имеют противоположные направления запирания. Такое решение в отношении электронных переключающих элементов обеспечивает блокирование протекания паразитного тока тем или другим паразитным диодом как при положительном, так и при отрицательном напряжении на входных клеммах. Таким образом удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. Представляется предпочтительным такое решение, когда соединение между соединенными последовательно электронными переключающими элементами образует опорный потенциал («массу») управляющего устройства, так чтобы электронный переключающий элемент мог быть легко приведен в действие за счет заданного опорного потенциала. Представляется предпочтительным такое решение, когда электронные переключающие элементы реализованы как полевые МОП-транзисторы, соединенные с электродами истока и соединенными таким образом последовательно. Представляется предпочтительным такое решение, когда электроды истока соединены с цепью питания управляющего устройства, а полученный при этом узел образует опорный узел и соединен с опорным потенциалом («массой»). Последовательное соединение электронных переключающих элементов может быть соединено с катушкой и второй входной клеммой. Паразитный диод электронного переключающего элемента, который соединен со второй входной клеммой, может иметь проводящее направление включения в сторону второй входной клеммы.

Устройство, охарактеризованное в п. 6 формулы изобретения, сочетает простоту и компактность с эффективным сбором энергии. Если на входных клеммах присутствует положительное напряжение, то катушка, первый конденсатор и первый запирающий элемент во втором состоянии переключения образуют первый контур, так что энергия, накопленная в катушке в первом состоянии переключения, передается от катушки первому конденсатору. Во втором состоянии переключения первый запирающий элемент обеспечивает возможность протекания тока от катушки к первому конденсатору.

Устройство, охарактеризованное в п. 7 формулы изобретения, сочетает простоту и компактность с эффективным сбором энергии. Если на входных клеммах присутствует отрицательное напряжение, то катушка, второй конденсатор и второй запирающий элемент во втором состоянии переключения образуют второй контур, так что энергия, накопленная в катушке в первом состоянии переключения, передается от катушки второму конденсатору. Во втором состоянии переключения второй запирающий элемент обеспечивает возможность протекания тока от катушки ко второму конденсатору.

Устройство, охарактеризованное в п. 8 формулы изобретения, сочетает простоту и компактность. Первый запирающий элемент и второй запирающий элемент имеют разные проводящие направления или разные запирающие направления относительно катушки, поэтому для выпрямительного модуля обеспечено простое переключение между первой зарядной цепью и второй зарядной цепью. Когда электронный переключатель разомкнут, протекание тока обеспечено с помощью запорных элементов либо через первый контур, который содержит катушку, первый запорный элемент и первый конденсатор, либо через второй контур, который содержит катушку, второй запорный элемент и второй конденсатор. Представляется предпочтительным такое решение, когда запорные элементы реализованы как диоды. Первый запорный элемент может быть соединен, в частности, с первой входной клеммой и первой выходной клеммой и обеспечивает возможность протекания тока от катушки к первому конденсатору. Второй запорный элемент может быть соединен с первой входной клеммой и второй выходной клеммой и обеспечивает возможность протекания тока от катушки ко второму конденсатору.

Устройство, охарактеризованное в п. 9 формулы изобретения, обеспечивает возможность эффективного сбора энергии. При наличии на входных клеммах положительного напряжения заряжается первый конденсатор, а при наличии на входных клеммах отрицательного напряжения заряжается второй конденсатор, так что на выходных клеммах обеспечено сравнительно высокое выходное напряжение, даже если величина напряжения на входных клеммах чрезвычайно мала.

Устройство, охарактеризованное в п. 10 формулы изобретения, сочетает простоту и компактность. Сборщик энергии соединен с входными клеммами и обеспечивает напряжение или входное напряжение на них. На выходных клеммах обеспечено выходное напряжение, за счет которого может работать нагрузка. Центральный узел зарядной цепи, с которым соединены единая и единственная катушка, электронный переключатель и конденсаторы, простым образом обеспечивает возможность накопления электрической энергии в катушке в первом состоянии переключения и возможность зарядки одного из конденсаторов электрической энергией, накопленной в катушке в следующем за тем втором состоянии переключения. Переключение между упомянутыми первым и вторым состояниями переключениями обеспечено с помощью электронного переключателя. Выбор первой зарядной цепи в случае положительного напряжения на входных клеммах и второй зарядной цепи в случае отрицательного напряжения на входных клеммах обеспечен с помощью запорных элементов. В частности, этот выбор может осуществляться автоматически, если запорные элементы реализованы как диоды.

Устройство, охарактеризованное в п. 11 формулы изобретения, обеспечивает возможность эффективного и надежного сбора энергии. Гальванический накопитель энергии заряжается от конденсаторов и накапливает собранную электрическую энергию. Таким образом, благодаря гальваническому накопителю энергии устройство обеспечивает выходное напряжение на выходных клеммах, даже если конденсаторы не заряжены. Кроме того, гальванический накопитель энергии стабилизирует выходное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, когда гальванический накопитель энергии соединен с выходными клеммами. Электрическая энергия, не востребованная нагрузкой, хранится или временно хранится в гальваническом накопителе энергии, поэтому использование собранной энергии осуществляется просто и эффективно.

Устройство, охарактеризованное в п. 12 формулы изобретения, обеспечивает возможность надежного сбора энергии. К выходным клеммам подсоединен регулятор напряжения, поэтому обеспечена возможность подачи на нагрузку напряжения сравнительно постоянной величины. В частности, использование регулятора напряжения обеспечивает преимущество в том случае, когда с выходными клеммами не соединен гальванический накопитель энергии. Из-за изменения степени заряда конденсаторов выходное напряжение на выходных клеммах тоже изменяется, поэтому использование регулятора напряжения для стабилизации выходного напряжения обеспечивает преимущество. Этот регулятор напряжения может содержать, в частности, преобразователь постоянного напряжения в постоянное с управляемым выходом. Поэтому преобразователь постоянного напряжения в постоянное выполнен как часть схемы управления напряжением, которая сравнивает напряжение на выходе с заданным значением напряжения и разность между этим заданным значением напряжения и напряжением на выходе подает на устройство управления, которое приводит в действие преобразователь постоянного напряжения в постоянное для корректирования этой разности напряжений. Упомянутое устройство управления может быть реализовано, например, как пропорционально-интегральный дифференциальный регулятор.

Устройство, охарактеризованное в п. 13 формулы изобретения, сочетает надежность и эффективный сбор энергии. Схема управления обеспечивает надежную подачу напряжения с помощью цепи питания. В частности, цепь питания решена таким образом, чтобы напряжение питания было как можно более постоянным по величине. Представляется предпочтительным такое решение, когда цепь питания соединена с одной из выходных клемм и соединена с электронным переключателем. В частности, цепь питания может быть соединена со второй выходной клеммой и соединена с соединением двух электронных переключающих элементов электронного переключателя. Образованный таким образом узел служит как опорный узел и обеспечивает опорный потенциал для схемы управления. Питающее напряжение служит входным напряжением для схемы управления. Схема управления выполнена таким образом, что имеет место слежение за точкой максимальной мощности, так что обеспечена оптимизация или максимизация сбора энергии. Для этого схема управления настраивает продолжительность включения D таким образом, чтобы входное полное сопротивление на входных клеммах практически соответствовало внутреннему сопротивлению сборщика энергии и чтобы это входное полное сопротивление было практически чисто активным, так чтобы напряжение на входных клеммах и соответствующий ток были практически синфазными.

Устройство, охарактеризованное в п. 14 формулы изобретения, сочетает надежность и эффективный сбор энергии с простотой. Цепь питания, которая обеспечивает подачу питающего напряжения на схему управления, образована по меньшей мере одним генератором подкачки заряда. Представляется предпочтительным такое решение, когда управляющее устройство содержит только один генератор подкачки заряда, если выпрямительный модуль содержит гальванический накопитель энергии. Генератор подкачки заряда может быть, в частности, однокаскадным. Представляется предпочтительным такое решение, когда управляющее устройство содержит ровно два генератора подкачки заряда, если выпрямительный модуль не содержит гальванического накопителя энергии. Упомянутые ровно два генератора подкачки заряда могут представлять собой вторичный генератор подкачки заряда и первичный генератор подкачки заряда, причем вторичный генератор подкачки заряда действует для приведения в действие первичного генератора подкачки заряда.

Устройство, охарактеризованное в п. 15 формулы изобретения, сочетает простоту с надежностью и эффективностью сбора энергии. "В частности, генератор подкачки заряда выполнен однокаскадным. Представляется предпочтительным такое решение, когда генератор подкачки заряда содержит только один диод и только один конденсатор. Представляется предпочтительным такое решение, когда диод соединен со второй выходной клеммой и конденсатором, а конденсатор соединен с опорным узлом, который образован между двумя электронными переключающими элементами электронного переключателя. В частности, опорный узел имеет опорный потенциал для схемы управления. Диод пропускает ток от второй выходной клеммы к опорному узлу. В частности, генератор подкачки заряда образует первичный генератор подкачки заряда, если выпрямительный модуль не содержит гальванического накопителя энергии.

Устройство, охарактеризованное в п. 16 формулы изобретения, сочетает простоту с надежностью и эффективностью сбора энергии. Вместе со сборщиком энергии, который соединен с входными клеммами, генератор подкачки заряда, катушка, один из конденсаторов и паразитный диод одного из электронных переключающих элементов образуют контур, обеспечивающий приведение в действие генератора подкачки заряда при наличии напряжения на входных клеммах. Когда генератор подкачки заряда начинает работать, возникает питающее напряжение, которое обеспечивает возможность приведения в действие электронного переключателя или электронных переключающих элементов. В результате обеспечивается простой и надежный запуск устройства. Представляется предпочтительным такое решение, когда узел образует опорный узел, имеющий опорный потенциал для схемы управления для генерирования сигналов управления. Представляется предпочтительным такое решение, когда генератор подкачки заряда соединен со второй выходной клеммой, а электронный переключатель соединен с катушкой и второй входной клеммой. Если выпрямительный модуль не содержит гальванического накопителя энергии, то генератор подкачки заряда образует первичный генератор подкачки заряда.

Устройство, охарактеризованное в п. 17 формулы изобретения, сочетает простоту с надежностью и эффективностью сбора энергии. Генератор подкачки заряда обеспечивает надежный запуск управляющего устройства и надежное генерирование сигналов управления для управления электронным переключателем. В частности, генератор подкачки заряда образует вторичный генератор подкачки заряда, который обеспечивает приведение в действие первичного генератора подкачки заряда и возникновение питающего напряжения. Генератор подкачки заряда представляет особое преимущество, если выпрямительный модуль не содержит гальванического накопителя энергии.

Устройство, охарактеризованное в п. 18 формулы изобретения, обеспечивает надежный и эффективный сбор энергии. Для запуска первичного генератора подкачки заряда, который обеспечивает питающее напряжение для работы электронного переключателя, используется вторичный генератор подкачки заряда. Этот вторичный генератор подкачки заряда может быть реализован, в частности, как пассивный однокаскадный генератор подкачки заряда Вилларда. Что касается первичного генератора подкачки заряда, то представляется предпочтительным такое решение, когда он является однокаскадным и содержит последовательную цепь, состоящую из диода и конденсатора. Вторичный генератор подкачки заряда соединен со вторичным генератором подкачки заряда таким образом, что конденсатор первичного генератора подкачки заряда заряжается с помощью вторичного генератора подкачки заряда. Для этого вторичный генератор подкачки заряда может быть соединен с первым узлом, который образован между диодом и конденсатором первичного генератора подкачки заряда.

Устройство, охарактеризованное в п. 19 формулы изобретения, сочетает простоту с надежностью и эффективностью сбора энергии. Генератор подкачки заряда выполнен как пассивный однокаскадный генератор подкачки заряда Вилларда. Этот генератор подкачки заряда образует, в частности, вторичный генератор подкачки заряда, который соединен с первичным генератором подкачки заряда. Для этого к соединению между первым диодом и третьим конденсатором, то есть, к первому узлу подсоединен четвертый диод. При наличии на входных клеммах отрицательного напряжения через второй диод заряжается четвертый конденсатор. Для этого второй диод пропускает ток от второй входной клеммы к первой входной клемме. При наличии на входных клеммах положительного напряжения четвертый конденсатор разряжается через третий диод и заряжается пятый конденсатор. Для этого третий диод пропускает ток от второго узла к третьему узлу. При зарядке пятого конденсатора напряжение в третьем узле практически равно удвоенному максимальному напряжению на входных клеммах. Третий конденсатор первичного генератора подкачки заряда заряжается через четвертый диод, так что третий диод обеспечивает питающее напряжение. Для этого четвертый диод пропускает ток от пятого конденсатора к третьему конденсатору.

Устройство, охарактеризованное в п. 20 формулы изобретения, сочетает простоту с надежностью сбора энергии. Активное сопротивление упрощает запуск цепи питания и, таким образом, подачи питающего напряжения для работы электронного переключателя с помощью схемы управления. Цепь питания соединена со второй выходной клеммой, так что когда цепь питания начинает работать, заряжается второй конденсатор. Если выпрямительный модуль имеет гальванический накопитель энергии, то напряжение гальванического накопителя энергии приложено главным образом к первому конденсатору, в то время как напряжение на втором конденсаторе является низким. Напряжения на первом конденсаторе и на втором конденсаторе уменьшаются с помощью линейного резистора, так что цепь питания и схема управления могут без проблем приводиться в Действие. Представляется предпочтительным такое решение, когда с целью предотвращения потерь упомянутый линейный резистор имеет высокое сопротивление.

Устройство, охарактеризованное в п. 21 формулы изобретения, обеспечивает эффективный и надежный сбор энергии, если на входных клеммах присутствует положительное напряжение. Для переключения между первым состоянием переключения и следующим за ним вторым состоянием переключения использованы электронные переключающие элементы. В первом состоянии переключения электрическая энергия накапливается в катушке за счет присутствующего на входных клеммах положительного напряжения. Для этого в первом состоянии переключения электронные переключающие элементы замкнуты. В следующем за ним втором состоянии переключения за счет накопленной электрической энергии заряжается первый конденсатор. Электронные переключающие элементы приводятся в действие синхронно. Первая последовательность переключений длится в течение интервала времени T_S. Для этого интервала времени T_S соблюдается следующее равенство: T_S=1/f_S, где через f_S обозначена частота переключения управляющего устройства. Первое состояние переключения имеет продолжительность D⋅T_S, а второе состояние переключения имеет продолжительность (1-D)⋅T_S, где D - это продолжительность включения. Представляется предпочтительным такое решение, когда входное полное сопротивление настраивается продолжительностью включения D. Продолжительность включения D представляет собой отношение продолжительности первого состояния переключения к общей продолжительности состояний переключения, то есть к периоду T_S.

Устройство, охарактеризованное в п. 22 формулы изобретения, обеспечивает эффективный и надежный сбор энергии, если на входных клеммах присутствует отрицательное напряжение. Для переключения между первым состоянием переключения и следующим за ним вторым состоянием переключения использованы электронные переключающие элементы. В первом состоянии переключения электрическая энергия накапливается в катушке за счет присутствующего на входных клеммах отрицательного напряжения. Для этого в первом состоянии переключения электронные переключающие элементы замкнуты. В следующем за ним втором состоянии переключения за счет накопленной электрической энергии заряжается первый конденсатор. Электронные переключающие элементы приводятся в действие синхронно. Первая последовательность переключений длится в течение интервала времени T_S. Для этого интервала времени T_S соблюдается следующее равенство: T_S=1/f_S, где через f_S обозначена частота переключения управляющего устройства. Первое состояние переключения имеет продолжительность D⋅T_S, а второе состояние переключения имеет продолжительность (1-D)⋅T_S, где D - это продолжительность включения. Представляется предпочтительным такое решение, когда продолжительностью включения D настраивается входное полное сопротивление. Продолжительность включения D представляет собой отношение продолжительности первого состояния переключения к общей продолжительности состояний переключения, то есть к периоду T_S.

Устройство, охарактеризованное в п. 23 формулы изобретения, обеспечивает эффективный и надежный сбор энергии. Схема управления обеспечивает слежение за точкой максимальной мощности и обеспечивает, тем самым, простое решение для оптимизации или максимизации сбора энергии. С помощью компаратора обеспечена широтно-импульсная модуляция без обратной связи. Питающее напряжение, вырабатываемое цепью питания, приводит в действие первый компаратор и/или второй компаратор. Генерирование пилообразного напряжения и генерирование сигналов управления с помощью этого пилообразного напряжения можно просто регулировать подбором подходящих линейных резисторов и/или конденсатора компаратора таким образом, чтобы входное полное сопротивление практически соответствовало внутреннему сопротивлению сборщика энергии. Входное полное сопротивление на входных клеммах настраивается с помощью продолжительности включения D. Продолжительность включения D представляет собой отношение продолжительности первого состояния переключения к общей продолжительности состояний переключения, то есть к периоду T_S. Второй компаратор сравнивает пилообразное напряжение, в частности, с опорным напряжением, обеспечиваемым делителем напряжения, к которому приложено питающее напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором делитель напряжения является чисто омическим и содержит два линейных транзистора.

Устройство, охарактеризованное в п. 24 формулы изобретения, обеспечивает эффективный сбор энергии. Входное полное сопротивление доведено до полного сопротивления или внутреннего сопротивления сборщика энергии, так чтобы была обеспечена оптимизация или максимизация собранной электрической энергии. Иначе говоря, входное полное сопротивление настраивается таким образом, чтобы напряжение на входных клеммах и связанный с этим ток были практически синфазными. В результате имеет место слежение за точкой максимальной мощности. Входное полное сопротивление устанавливается с помощью продолжительности включения D. Продолжительность включения D представляет собой отношение продолжительности первого состояния переключения к общей продолжительности первого состояния переключения и второго состояния переключения, то есть к периоду T_S.

Еще одной целью предлагаемого изобретения является создание простого и компактного генератора энергии, который обеспечивал бы сбор электрической энергии эффективным и надежным образом. В частности, предлагаемый генератор энергии обеспечивает эффективный сбор электрической энергии из чрезвычайно низковольтных (в диапазоне милливольт) источников.

Эта цель достигается созданием генератора энергии, имеющего признаки, раскрываемые в п. 25 формулы изобретения. Преимущества предлагаемого генератора энергии соответствуют перечисленным выше преимуществам предлагаемого устройства для сбора электрической энергии. В качестве сборщика энергии может быть использован, например, пьезоэлектрический сборщик энергии и/или электромагнитный сборщик энергии. Представляется предпочтительным такое решение, когда сборщик энергии решен как электромагнитный сборщик энергии. Электромагнитные сборщики энергии обеспечивают сравнительно большое количество электрической энергии. Сравнительно низкое напряжение электромагнитных сборщиков энергии не является недостатком предлагаемого устройства.

Другие признаки, преимущества и подробности, касающиеся предлагаемого изобретения, станут ясны из последующего описания нескольких примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы.

На фиг. 1 изображена схема генератора энергии согласно первому иллюстративному варианту его осуществления, в котором использован гальванический накопитель энергии.

На фиг. 2 изображены график зависимости напряжения сборщика энергии от времени и сигналы управления, генерируемые управляющим устройством для переключения между первыми и вторыми состояниями переключения генератора энергии.

На фиг. 3 изображена схема управления для генерирования сигналов управления для электронного переключателя генератора энергии.

На фиг. 4 изображена эквивалентная схема генератора энергии в процессе запуска цепи питания для обеспечения питающего напряжения для схемы управления.

На фиг. 5 изображена эквивалентная схема генератора энергии в первом состоянии переключения, если сборщик энергии выдает положительное напряжение.

На фиг. 6 изображена эквивалентная схема генератора энергии во втором состоянии переключения, следующем за первым состоянием переключения согласно фиг. 5.

На фиг. 7 изображена эквивалентная схема генератора энергии в первом состоянии переключения, если сборщик энергии выдает отрицательное напряжение:

На фиг. 8 изображена эквивалентная схема генератора энергии во втором состоянии переключения, следующем за первым состоянием переключения согласно фиг. 7.

На фиг. 9 изображена схема генератора энергии согласно второму иллюстративному варианту его осуществления, в котором отсутствует гальванический накопитель энергии.

На фиг. 10 изображена схема цепи питания управляющего устройства генератора энергии, схема которого изображена на фиг.9, в первом состоянии зарядки.

На фиг. 11 изображена схема той же цепи питания во втором состоянии зарядки.

На фиг. 12 изображена схема той же цепи питания в третьем состоянии зарядки.

Первый иллюстративный вариант осуществления предлагаемого изобретения далее описывается со ссылками на прилагаемые чертежи с фиг. 1 по фиг. 8. Генератор энергии 1 содержит сборщик энергии 2 и устройство 3 для сбора электрической энергии. Сборщик энергии 2 является электромагнитным. Сборщик энергии 2 является известным средством и выполнен типичным образом. Сборщик энергии 2 может далее фигурировать также как просто сборщик энергии. Устройство 3 используется для потребления или сбора электрической энергии, обеспечиваемой сборщиком энергии 2. Для этого сборщик энергии 2 подсоединен к первой входной клемме 4 и второй входной клемме 5 устройства 3. Генератор энергии 1 используется для снабжения электрической энергией нагрузки 6. Для этого нагрузка 6 подсоединена к первой выходной клемме 7 и второй выходной клемме 8 устройства 3. Сборщик энергии 2 соединен с входной клеммой 5, на которой присутствует опорный потенциал, который обозначен как «EH-GND» (СБОРЩИК ЭНЕРГИИ - «МАССА»).

Сборщик энергии 2 обеспечивает напряжение v_h, которое меняет полярность (переменное напряжение). Изменение этого напряжения v_h во времени проиллюстрировано на фиг. 2. Та часть напряжения v_h, которая имеет положительную полярность, ниже будет обозначаться как v_hp, а та его часть, которая имеет отрицательную полярность, ниже будет обозначаться как v_hn.

Устройство 3 содержит выпрямительный модуль 9 и связанное с ним управляющее устройство 10. Выпрямительный модуль 9 образует первую зарядную цепь 11, которая используется для сбора энергии от положительного напряжения v_hp сборщика энергии 2 на входных клеммах 4 и 5. Кроме того, выпрямительный модуль 9 образует вторую зарядную цепь 12, которая используется для сбора энергии от отрицательного напряжения v_hn сборщика энергии 2 на входных клеммах 4 и 5.

Первая зарядная цепь 11 содержит электронный переключатель 13, катушку L, первый конденсатор С_р и первый запирающий элемент D_p.С другой стороны, вторая зарядная цепь 12 содержит электронный переключатель 13, катушку L, второй конденсатор C_n, и второй запирающий элемент D_n.

Катушка L подсоединена к первой входной клемме 4 и к узлу K зарядной цепи. Электронный переключатель 13 подсоединен к узлу K зарядной цепи и второй входной клемме 5, так что катушка L и электронный переключатель подключены последовательно между входными клеммами 4 и 5. Первый конденсатор С_р подсоединен к узлу K зарядной цепи и к первой выходной клемме 7. Кроме того, первый запирающий элемент D_p подсоединен к первой входной клемме 4 и первой выходной клемме 7 таким образом, что первый запирающий элемент D_p пропускает ток от первой выходной клеммы 7 к первой входной клемме 4. Первый запирающий элемент D_p реализован как диод. Катушка L, первый конденсатор С_р, и первый запирающий элемент D_p образуют первый контур М_р2. Второй конденсатор C_n подсоединен к узлу K зарядной цепи и ко второй выходной клемме 8. Кроме того, второй запирающий элемент D_n подсоединен к первой входной клемме 4 и второй выходной клемме 8 таким образом, что второй запирающий элемент D_n пропускает ток от первой входной клеммы 4 ко второй выходной клемме 8. Второй запирающий элемент D_n реализован как диод. Катушка L, второй запирающий элемент D_n и второй конденсатор C_n, таким образом, образуют второй контур M_n2. Таким образом, проводящие направления запирающих элементов D_p and D_n противоположны относительно катушки L, так что ток, протекающий через катушку L в контурах М_р2 и M_n2, имеет противоположное направление.

Кроме того, выпрямительный модуль 9 содержит перезаряжаемый гальванический накопитель энергии 14. Этот гальванический накопитель энергии 14 подсоединен к первой выходной клемме 7 и второй выходной клемме 8. Для этого отрицательный электрод гальванического накопителя энергии 14 соединен с первой выходной клеммой 7, а его положительный электрод соединен со второй выходной клеммой 8. На выходных клеммах 7 и 8 обеспечено выходное напряжение E_b.

Электронный переключатель 13 выполнен как последовательная цепь из первого электронного переключающего элемента Q₁ и второго электронного переключающего элемента Q₂. Электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ реализованы как нормально открытые n-канальные полевые МОП-транзисторы. Вывод истока S₁ первого переключающего элемента Q₁ подсоединен к опорному узлу K₀. Этот опорный узел K₀ задает опорный потенциал управляющего устройства 10 («масса» схемы управления). Вывод стока D₁ первого переключающего элемента Q₁ подсоединен ко второй входной клемме 5. Кроме того, к опорному узлу K₀ подсоединен вывод истока S₂ второго переключающего элемента Q₂. Вывод стока D₂ второго переключающего элемента Q₂ соединен с узлом K зарядной цепи. Опорный потенциал опорного узла K₀ гарантирует, что на затворные выводы G₁ и G₂ переключающих элементов Q₁ и Q₂ в отношении связанных выводов истока S₁ и S₂ поступают положительные значения управляющего напряжения или сигналы управления g₁ и g₂, если переключающие элементы Q₁ и Q₂ должны быть приведены во включенное состояние, и отрицательные значения управляющего напряжения или сигналы управления g₁ и g₂, если переключающие элементы Q₁ и Q₂ должны быть приведены в выключенное состояние.

Параллельно с первым переключающим элементом Q₁ присутствует первый паразитный диод F₁. Первый паразитный диод F₁ образован относительно вывода истока S₁ и вывода стока D₁ таким образом, что заблокировано протекание тока в направлении первого вывода истока S₁. Соответственно, параллельно со вторым переключающим элементом Q₂ присутствует второй паразитный диод F₂. Второй паразитный диод F₂ образован относительно второго вывода истока S₂ и вывода стока D₂ таким образом, что заблокировано протекание тока в направлении второго вывода истока S₂. Таким образом, паразитные диоды F₁ и F₂ имеют противоположные запирающие направления. При таком встречном включении переключающих элементов Q₁ и Q₂ гарантируется, что как при положительном, так и при отрицательном напряжении на электронном переключателе 13 заперт по меньшей мере один из паразитных диодов F₁ или F₂. Благодаря такому решению удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь.

Управляющее устройство 10 используется для приведения в действие электронного переключателя 13. Управляющее устройство 10 содержит схему управления 15 для генерирования сигналов управления g₁ и g₂, и цепь питания 16 для обеспечения питающего напряжения v_cc для схемы управления 15. Сигналы управления g₁ и g₂ представляют собой управляющие напряжения.

Цепь питания 16 содержит генератор подкачки заряда 17, который содержит диод D_cc и конденсатор С_сс. Диод D_cc подсоединен ко второй выходной клемме 8 и к первому узлу k₁. Диод D_cc пропускает ток от второй выходной клеммы 8 к первому узлу k₁. Конденсатор С_сс подсоединен к первому узлу k₁ и к опорному узлу K₀, так что диод D_cc и конденсатор С_сс соединены последовательно. Генератор подкачки заряда 17 является однокаскадным. Питающее напряжение приложено к конденсатору С_сс, то есть между узлом k₁ и опорным узлом K₀.

Кроме того, цепь питания 16 содержит линейный транзистор R_b, который включен параллельно конденсатору С_р и соединен с узлом K зарядной цепи и первой выходной клеммой 7.

В качестве примера могут быть приведены следующие значения параметров для элементов выпрямительного модуля 9 и цепи питания 16:

- индуктивность катушки L 33 мкГн, - емкость первого конденсатора С_р 10 мкФ, - емкость второго конденсатора C_n 10 мкФ, - емкость конденсатора С_сс 0,3 мкФ, - сопротивление линейного резистора R_b 45 кОм.

Схема управления 15 содержит первый компаратор 18 для генерирования пилообразного напряжения v_s и второй компаратор 19 для генерирования сигналов управления g₁ и g₂ для приведения в действие электронных переключающих элементов Q₁ и Q₂. С помощью компараторов 18 и 19 осуществляется широтно-импульсная модуляция без обратной связи.

Первый компаратор 18 содержит операционный усилитель 20, который в качестве рабочих напряжений имеет напряжение питания v_cc и опорный потенциал опорного узла K₀. К узлу k₁ подсоединен делитель напряжения, образованный первым линейным транзистором R₁ и вторым линейным транзистором R₂. Первый линейный транзистор R₁ соединен с опорным узлом K₀, а второй линейный транзистор R₂ соединен с узлом k₁. с узла n₁ между линейными резисторами R₁ и R₂ снимается напряжение v_x, которое подается на неинвертирующий вход (положительный вход) операционного усилителя 20. Таким образом, узел n₁ соединен с неинвертирующим входом. Выход операционного усилителя 20 соединен с инвертирующим входом (отрицательным входом) операционного усилителя 20 через третий линейный резистор R₃. Кроме того, этот выход через линейный резистор R₄ соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 20. К инвертирующему входу операционного усилителя 20 и к опорному узлу K₀ подсоединен конденсатор C₁. К конденсатору С₁ приложено пилообразное напряжение v_s. Таким образом, соединение между линейным резистором R₃ и конденсатором C₁ образует узел n₂, на который подается пилообразное напряжение v_s.

Второй компаратор 19 используется для сравнения пилообразного напряжения v_s с опорным напряжением v_y. Для этого второй компаратор 19 содержит операционный усилитель 21. Операционный усилитель 21 имеет в качестве рабочих напряжений напряжение питания и опорный потенциал опорного узла K₀. Второй компаратор 19 содержит делитель напряжения, состоящий из линейного резистора R₅ и линейного резистора R₆. Этот делитель напряжения соединен с опорным узлом K₀ и узлом k₁. Для этого линейный транзистор R₅ соединен с опорным узлом K₀, а линейный транзистор R₆ соединен с узлом k₁. Между линейными резисторами R₅ и R₆ снимается опорное напряжение v_y. Для этого узел n₃ между линейными резисторами R₅ и R₆ соединен с неинвертирующим входом (положительным входом) операционного усилителя 21. Таким образом, опорное напряжение v_y приложено к линейному резистору R₅, то есть между узлом n₃ и опорным узлом K₀ Узел n₂ соединен с инвертирующим входом (отрицательным входом) операционного усилителя 21. На выходе операционного усилителя 21 формируются сигналы управления g₁ и g₂. Сигналы управления g₁ и g₂ поступают на затворные выводы G₁ и G₂ переключающих элементов Q₁ и Q₂.

Управляющее устройство 10 выполнено таким образом, что при наличии положительного напряжения v_hp обеспечена первая последовательность переключений," имеющая первое состояние переключения Z_1p, и следующее за ним второе состояние переключения Z_2p. Для первой последовательности переключений верна следующая таблица истинности:

где «1» значит ВКЛЮЧЕНО, а «0» значит «ВЫКЛЮЧЕНО». Состояние переключения Z_1p проиллюстрировано на фиг. 5, а состояние переключения Z_2p проиллюстрировано на фиг. 6.

Кроме того, управляющее устройство 10 выполнено таким образом, что при наличии отрицательного напряжения v_hn обеспечена вторая последовательность переключений, имеющая первое состояние переключения Z_1n, и следующее за ним второе состояние переключения Z_2p. Для второй последовательности переключений верна следующая таблица истинности:

где «1» значит ВКЛЮЧЕНО, а «0» значит «ВЫКЛЮЧЕНО». Состояние переключения Z_1n проиллюстрировано на фиг. 7, а состояние переключения Z_2n проиллюстрировано на фиг.8.

Упомянутые первая и вторая последовательности переключений длятся в течение периода времени T_S. Для этого периода T_S верно следующее равенство: T_S=1/f_S, где f_S - это частота переключений управляющего устройства 10. Первое состояние переключения Z_1p или Z_1n имеет продолжительность D⋅T_S, а соответствующее связанное с ним второе состояние переключения Z_2p или Z_2n имеет продолжительность (1-D)⋅T_S, где D - это продолжительность включения.

Генератор энергии 1 работает следующим образом.

Сначала вступает в работу цепь питания 16 для генерирования питающего напряжения v_cc и подачи его на схему управления 15. Это. проиллюстрировано на фиг. 4. Цепь питания 16 основывается на однокаскадном генераторе подкачки зарядов 17, который для генерирования питающего напряжения v_cc достаточной величины использует энергию сборщика энергии 2, катушки L и второго конденсатора C_n. В соответствии с контуром М₀, очерченным на фиг. 4, для питающего напряжения v_cc верна следующая формула:

где

E_b - выходное напряжение или напряжение гальванического накопителя энергии 14,

v_hmax - максимальное напряжение сборщика энергии 2,

v_L - напряжение на катушке L,

v_cn - напряжение на втором конденсаторе C_n и

V_D - напряжение на диодах D_cc и F₁.

Конденсатор С_сс заряжается от напряжения v_h сборщика энергии 2, так что обеспечивается питающее напряжение v_cc достаточной величины. Линейный резистор R_b обеспечивает, чтобы напряжение E_b распределялось между конденсаторами С_р и C_n, и не допускает, чтобы напряжение E_b было практически полностью приложено к конденсатору С_р. В результате обеспечивается надежный запуск цепи питания 16 и удается избежать перегрузки конденсатора С_р. В качестве линейного резистора R_b выбран резистор с высоким сопротивлением, так что потери на линейном резисторе R_b малы.

При наличии питающего напряжения v_cc достаточной величины схема управления 15 генерирует сигналы управления g₁ и g₂ или напряжения управления g₁ и g₂ для приведения в действие электронных переключающих элементов Q₁ and Q₂. Сборщик энергии 2 генерирует напряжение v_h, порождающее ток i_h. Если приложено положительное напряжение v_hp, то схема управления 15 обеспечивает первую последовательность переключения. Сначала, в первом состоянии переключения Z_1p, переключающие элементы Q₁ и Q₂ синхронно приходят во включенное состояние, так что в контуре М_Р1 через катушку L течет ток i_h. Это можно видеть на фиг. 5. Таким образом, в первом состоянии переключения Z_1p электрическая энергия запасена в катушке L.

В следующем затем втором состоянии переключения Z_2p электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ разомкнуты, так что катушка L производит в контуре М_р2 ток и за счет запасенной энергии заряжает конденсатор С_р. Ток i_p течет в контуре М_р2 через первый запирающий элемент D_p, который реализован как диод. К первому конденсатору С_р приложено напряжение v_cp. Это проиллюстрировано на фиг. 6. Под действием напряжения v_cp возникает ток i_b, который заряжает гальванический накопитель энергии 14.

Если приложено отрицательное напряжение v_hn, то схема управления 15 обеспечивает вторую последовательность переключения. В первом состоянии переключения Z_1n переключающие элементы Q₁ и Q₂ синхронно приходят во включенное состояние, так что в контуре M_n1 через катушку L течет ток i_h, и в катушке L запасается электрическая энергия. Это иллюстрируется на фиг. 7. Таким образом, в первом состоянии переключения Z_1n электрическая энергия запасена в катушке L.

В следующем затем втором состоянии переключения Z_2n электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ разомкнуты, так что катушка L производит в контуре M_n2 ток и за счет запасенной энергии заряжает конденсатор C_n. Ток i_n течет в контуре M_n2 через второй запирающий элемент D_n, который реализован как диод. Ко второму конденсатору C_n приложено напряжение v_cn. Это проиллюстрировано на фиг. 8. Под действием напряжения v_cn возникает ток i_b, который заряжает гальванический накопитель энергии 14.

Как в случае положительного напряжения v_hp, так и в случае отрицательного напряжения v_hn, использована одна и та же катушка L, поэтому выпрямительный модуль 9 является простым и компактным. Так как требуется всего одна катушка L, расходы тоже сокращаются. Катушка L, которая совместно используется зарядными цепями 11 и 12, не только является частью выпрямительного модуля 9, но используется также для запуска цепи питания 16. Напряжение сборщика энергии 2 выпрямляется в один прием, поэтому выпрямительным модулем 9 сбор энергии оптимизируется. Кроме того, выпрямительный модуль 9 обеспечивает возможность сбора электрической энергии из чрезвычайно низковольтных источников v_h. Работающий на электромагнитном принципе сборщик энергии 2 в типичном случае имеет напряжение от 1 мВ до 1,2 В, предпочтительно -от 10 мВ до 750 мВ, более предпочтительно - от 50 мВ до 500 мВ.

Управляющее устройство 10 выполнено таким образом, что входное полное сопротивление Z_in на входных клеммах 4 и 5 подстроено под сборщик энергии 2, и таким образом обеспечена оптимизация или максимизация сбора электрической энергии. Генератор энергии 1 устройства 3 обеспечивает, таким образом, слежение за точкой максимальной мощности. Соответственно, управляющее устройство 10 имеет функцию слежения за точкой максимальной мощности. Для этого не требуется измерять напряжение или ток или детектировать переходы через нулевой уровень или полярность. Устройство 3 работает в режиме прерывистого тока и с точки зрения сборщика энергии 2 является регулируемым и чисто омическим элементом. Входное полное сопротивление Z_in или входное сопротивление устройства 3 подстроено под внутреннее сопротивление сборщика энергии 2, благодаря чему обеспечено слежение за точкой максимальной мощности. Для внутреннего полного входного сопротивления Z_in устройства 3 верна следующая формула:

где

L₀ - индуктивность катушки L,

f_S - частота переключения, и

D - продолжительность включения.

Входное полное сопротивление Z_in устанавливают с помощью продолжительности переключения D.

Благодаря встречному включению электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ работают синхронно. Кроме того, электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ работают согласованно в первой последовательности переключений, то есть, если приложено положительное напряжение v_hp, и во второй последовательности переключений, то есть, если приложено отрицательное напряжение v_hn. Это значит, что электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ замкнуты в первом состоянии переключения Z_1p или Z_1n и разомкнуты в соответствующем втором состоянии переключения Z_2p или Z_2n. Опорный узел K₀ соединен с выводами истока S₁ и S₂, поэтому электронные переключающие элементы Q₁ и Q₂ могут быть приведены в действие непосредственно схемой управления 15, что является простым решением.

Регулирование входного полного сопротивления Z_in осуществляется за счет схемного решения схемы управления 15. С помощью компараторов 18 и 19 обеспечивается широтно-импульсная модуляция без обратной связи. Первый компаратор 18 через линейный резистор R₃ заряжает конденсатор C_{1 и сравнивает напряжение vx с напряжением на конденсаторе C1 таким образом, что конденсатор C1 разряжается, если напряжение на конденсаторе C1 больше, чем напряжение vx. В результате на конденсаторе C1 порождается пилообразное напряжение vs. Второй компаратор 19 сравнивает пилообразное напряжение vs с опорным напряжением vy и генерирует сигналы управления g1 и g2. Путем сравнения пилообразного напряжения vs с опорным напряжением vy автоматически определяется входное полное сопротивление Zin, и сигналы управления g1 и g2 генерируются таким образом, что входное полное сопротивление Zin подстраивается под сборщик энергии 2 с помощью продолжительности переключения D. Сборщик энергии 2 обеспечивает практически максимальный сбор энергии при величине полного входного сопротивления Zin от 7 Ом до 13 Ом, поэтому для обеспечения эффективного сбора энергии нет необходимости в точной подстройке входного полного сопротивления Zin под сборщик энергии 2. Таким образом, флуктуации питающего напряжения vcc не оказывают вредного влияния на сбор энергии. Продолжительность переключения D и частота переключения fS могут устанавливаться, например, с помощью линейного резистора R6 и конденсатора C1.}

Сигналы управления g₁ и g₂ задаются по времени таким образом, что относительно периода Ts продолжительность первого состояния переключения Z_1p или Z_1n устанавливается в пределах 0<t<D⋅T_S, а продолжительность соответствующего второго состояния переключения Z_2p или Z_2n устанавливается в пределах D⋅T_S<t<(1-D)⋅T_S.

Накопитель гальванической энергии 14, обеспечивающий напряжение E_b, заряжается под действием напряжений v_cp и v_cn. Нагрузка 6 снабжается электрической энергией от напряжения E_b.

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи с фиг. 9 по фиг. 12 описывается второй иллюстративный вариант осуществления предлагаемого изобретения. В отличие от первого иллюстративного варианта, в этом варианте выпрямительный модуль 9 не содержит накопителя гальванической энергии. Цепь питания 16 содержит первичный генератор подкачки заряда 17 и вторичный генератор подкачки заряда 22 для запуска цепи питания 16 и обеспечения питающего напряжения v_cc. При этом нет необходимости в линейном резисторе R_b как в первом варианте.

Вторичный генератор подкачки заряда 22 соединен с входными клеммами 4 и 5. Этот вторичный генератор подкачки заряда 22 реализован как пассивный однокаскадный генератор подкачки заряда Вилларда. К первой входной клемме 4 и второму узлу k₂ подсоединен четвертый конденсатор C_b1. Ко второй входной клемме 5 и второму узлу k₂ подсоединен второй диод D_b1 таким образом, чтобы через него было обеспечено протекание тока от второй входной клеммы 5 ко второму узлу k₂. Ко второй входной клемме 5 и третьему узлу k₃ подсоединен пятый конденсатор C_b2. Ко второму узлу k₂ и третьему узлу k₃ подсоединен третий диод D_b2 таким образом, чтобы через него было обеспечено протекание тока от второго узла k₂ к третьему узлу k₃. К первому узлу k₁ первичного генератора подкачки заряда 17 подсоединен четвертый диод D_b3 таким образом, чтобы через него было обеспечено протекание тока от третьего узла k₃ к первому узлу k₁ и опорному узлу K₀. Первичный генератор подкачки заряда 17 реализован так же, как и первичный генератор подкачки заряда 17 из первого варианта.

Генератор энергии 1 обеспечивает приведение в действие управляющего устройства 10 без гальванического накопителя энергии. Для этого сначала приводится в действие вторичный генератор подкачки заряда 22, а затем с ним первичный генератор подкачки заряда 17. Обычно в течение нескольких циклов после возбуждения сборщик энергии 2 обеспечивает сравнительно высокое напряжение v_h, которое затем значительно уменьшается из-за затухания. Вторичный генератор подкачки заряда 22 приводится в действие в течение этих циклов. Если приложено отрицательное напряжение v_hn, то конденсатор C_b1 заряжается через диод D_b1. Для этого через диод D_b1 протекает ток и к конденсатору C_b1 Активный контур М₁ показан на фиг. 10.

Если затем приложено положительное напряжение V_hP, заряженный конденсатор C_b1, имеющий напряжение v_b1, и сборщик энергии 2, имеющий напряжение v_hp, заряжают конденсатор C_b2 через диод D_b2. Активный контур М₂ и зарядный ток текущий через диод D_b2, показаны на фиг. 11. Для напряжения v_b2 верна следующая формула:

где

v_hmax - максимальное напряжение сборщика энергии 2, а

V_D - пороговое напряжение.

Затем конденсатор С_сс заряжается через диод D_b3, при этом на схему управления 15 поступает питающее напряжение достаточной величины, и она генерирует сигналы управления g₁ и g₂ для приведения в действие электронных переключающих элементов Q₁ и Q₂. В результате приводится в действие выпрямительный модуль 9 и повышается напряжение E_b. Если напряжение E_b выше, чем напряжение v_b2, то автоматически выключается вторичный генератор подкачки заряда 22. Тогда работает только первичный генератор подкачки заряда 17. Диод D_b3 отсоединяет вторичный генератор подкачки заряда 22 от первичного генератора подкачки заряда 17, так что в работе остается только первичный генератор подкачки заряда 17. Активный контур М₃ и зарядный ток i₃ показаны на фиг. 12. Для напряжения v_cc верна следующая формула:

где v₀ - напряжение на входной [sic!] клемме 8. Представляется предпочтительным такое решение, когда все диоды реализованы как диоды Шоттки, имеющие пороговое напряжение V_d от 0,1 В до 0,2 В.

К выходным клеммам 7 и 8 подсоединен регулятор напряжения 23. Регулятор напряжения 23 используется для стабилизации напряжения E_b и выдает отрегулированное выходное напряжение Е'_b на выходные клеммы 7' и 8'. К выходным клеммам 7' и 8' подсоединена нагрузка 6. По причине изменяемого состояния заряда конденсаторов С_р и C_n напряжение E_b на выходных клеммах 7 и 8 колеблется. Регулятор напряжения 23 сравнивает напряжение E_b с заданным значением напряжения V_ref и дает на выходе стабилизированное напряжение Е'_b. Для этого в составе регулятора напряжения 23 предусмотрен преобразователь постоянного напряжения в постоянное, напряжение Е'_b на выходе которого является стабилизированным. Для этого упомянутый преобразователь постоянного напряжения в постоянное выполнен как часть схемы управления напряжением, которая сравнивает напряжение Е'_b на выходе с заданным значением напряжения и разность между этим заданным значением напряжения V_ref и выходным напряжением и подает на устройство управления, которое приводит в действие преобразователь постоянного напряжения в постоянное, разность напряжений между заданным значением напряжения V_ref и выходным напряжением E'_b для корректирования этой разности напряжений. Упомянутое устройство управления реализовано как пропорционально-интегральный дифференциальный регулятор.

Прочие схемные решения и функции этого генератора энергии 1 те же, что и в описанном ранее первом варианте его осуществления

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройству для сбора электрической энергии и к генератору энергии, содержащему такое устройство. Техническим результатом заявленного изобретения является создание простого и компактного устройства для обеспечения сбора электрической энергии из чрезвычайно низковольтных (в диапазоне милливольт) источников. Предлагаемое устройство (3) для сбора электрической энергии содержит выпрямительный модуль (9) и управляющее устройство (10). Выпрямительный модуль (9) содержит первую зарядную цепь для сбора энергии при положительном напряжении сборщика энергии (2) и вторую зарядную цепь для сбора энергии при отрицательном напряжении сборщика энергии (2). Упомянутые зарядные цепи содержат общую катушку (L) и общий электронный переключатель (13). Кроме того, каждая из этих зарядных цепей содержит по конденсатору (C_p, C_n) и запорному элементу (D_p, D_n). Зарядные цепи используют катушку (L) совместно, поэтому устройство (3) имеет простое схемное решение и компактную конструкцию. Кроме того, сбор энергии осуществляется эффективно благодаря однокаскадному преобразованию переменного напряжения в постоянное и функции слежения за точкой максимальной мощности управляющего устройства (10). 2 н. и 20 з.п. ф-ы, 12 ил.

1. Устройство для сбора электрической энергии, содержащее

- выпрямительный модуль (9), содержащий

- первую входную клемму (4) и вторую входную клемму (5) для подсоединения к сборщику энергии (2),

- первую выходную клемму (7) и вторую выходную клемму (8) для снятия выходного напряжения (E_b),

- первую зарядную цепь (11) для сбора энергии при положительном напряжении (v_hp) сборщика энергии (2), приложенном к входным клеммам (4, 5), содержащую

- электронный переключатель (13), содержащий последовательную цепь, составленную из первого электронного переключательного элемента (Q₁) и второго электронного переключательного элемента (Q₂),

- катушку (L),

- первый конденсатор (С_р) и

- первый запорный элемент (D_p),

- вторую зарядную цепь (12) для сбора энергии при отрицательном напряжении (v_hp) сборщика энергии (2), приложенном к входным клеммам (4, 5), содержащую

- электронный переключатель (13),

- катушку (L),

- второй конденсатор (C_n) и

- второй запорный элемент (D_n),

- управляющее устройство (10) для приведения в действие электронного переключателя (13),

причем управляющее устройство (10) содержит по меньшей мере один генератор подкачки заряда (17, 22),

при этом один из генераторов подкачки заряда (17, 22) соединен с одной из выходных клемм (7, 8) и узлом (K) между двумя соединенными последовательно электронными переключательными элементами (Q₁, Q₂) электронного переключателя (13).

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что катушка (L) и электронный переключатель (13) соединены последовательно.

3. Устройство по любому из пп. 1, 2, характеризующееся тем, что электронный переключатель (13) содержит по меньшей мере один паразитный диод (F₁, F₂), соединенный параллельно с соответствующим электронным переключательным элементом (Q₁, Q₂).

4. Устройство по любому из пп. 1-3, характеризующееся тем, что первый паразитный диод (F₁), соединенный параллельно с первым электронным переключательным элементом (Q₁), и второй паразитный диод (F₂), соединенный параллельно со вторым электронным переключательным элементом (Q₂), включены встречно.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, характеризующееся тем, что катушка (L), первый конденсатор (С_р) и первый запорный элемент (D_p) содержат первый контур (М_р2) для передачи энергии от катушки (L) к первому конденсатору (С_р).

6. Устройство по любому из пп. 1-5, характеризующееся тем, что катушка (L), второй конденсатор (C_n) и второй запорный элемент (D_n) содержат второй контур (M_n2) для передачи энергии от катушки (L) ко второму конденсатору (C_n).

7. Устройство по любому из пп. 1-6, характеризующееся тем, что запорные элементы (D_p, D_n) имеют разные проводящие направления относительно катушки (L).

8. Устройство по любому из пп. 1-7, характеризующееся тем, что первый конденсатор (С_р) соединен с первой выходной клеммой (7), а второй конденсатор (C_n) соединен со второй выходной клеммой (8).

9. Устройство по любому из пп. 1-8, характеризующееся тем, что катушка (L) подсоединена к первой входной клемме (4) и к узлу (K) зарядной цепи,

электронный переключатель (13) подсоединен ко второй входной клемме (5) и к узлу (K) зарядной цепи,

первый конденсатор (С_р) подсоединен к узлу (K) зарядной цепи и к первой выходной клемме (7),

второй конденсатор (C_n) подсоединен к узлу (K) зарядной цепи и ко второй выходной клемме (8),

первый запорный элемент (D_p) подсоединен к первой входной клемме (4) и к первой выходной клемме (7) и

второй запорный элемент (D_n) подсоединен к первой входной клемме (4) и ко второй выходной клемме (8).

10. Устройство по любому из пп. 1-9, характеризующееся тем, что выпрямительный модуль (9) содержит гальванический накопитель энергии (14), подсоединенный к выходным клеммам (7, 8).

11. Устройство по любому из пп. 1-10, характеризующееся тем, что к выходным клеммам (7, 8) подсоединен регулятор напряжения (23).

12. Устройство по любому из пп. 1-11, характеризующееся тем, что управляющее устройство (10) содержит схему управления (15) для генерирования сигналов управления (g₁, g₂) и цепь питания (16) для обеспечения питающего напряжения (v_cc) для схемы управления (15).

13. Устройство по любому из пп. 1-12, характеризующееся тем, что первичный генератор подкачки заряда (17) содержит соединенные последовательно первый диод (D_cc) и третий конденсатор (С_сс).

14. Устройство по любому из пп. 1-13, характеризующееся тем, что к входным клеммам (4, 5) подсоединен вторичный генератор подкачки заряда (22).

15. Устройство по любому из пп. 1-14, характеризующееся тем, что вторичный генератор подкачки заряда (22) соединен с первичным генератором подкачки заряда (17) через первый узел (k₁).

16. Устройство по любому из пп. 14, 15, характеризующееся тем, что вторичный генератор подкачки заряда (22) содержит:

четвертый конденсатор (C_b1), подсоединенный к первой входной клемме (4) и ко второму узлу (k₂),

второй диод (D_b1), подсоединенный ко второй входной клемме (5) и ко второму узлу (k₂),

пятый конденсатор (C_b2), подсоединенный ко второй входной клемме (5) и к третьему узлу (k₃),

третий диод (D_b2), подсоединенный ко второму узлу (k₂) и к третьему узлу (k₃), и

четвертый диод (D_b3), подсоединенный к третьему узлу (k₃).

17. Устройство по любому из пп. 12-16, характеризующееся тем, что цепь питания (16) содержит линейный резистор (R_b), соединенный параллельно с первым конденсатором (С_р).

18. Устройство по любому из пп. 1-17, характеризующееся тем, что управляющее устройство (10) содержит первую последовательность переключения, если ко входным клеммам (4, 5) приложено положительное напряжение (v_hp), при этом для этой первой последовательности переключения верна следующая таблица истинности:

где Q₁ и Q₂ - два соединенных последовательно электронных переключательных элемента электронного переключателя (13),

Z_1p и Z_2p - два следующих друг за другом состояния переключения первой последовательности переключения и

«1» значит ВКЛЮЧЕНО, а «0» значит «ВЫКЛЮЧЕНО».

19. Устройство по любому из пп. 1-18, характеризующееся тем, что управляющее устройство (10) содержит вторую последовательность переключения, если ко входным клеммам (4, 5) приложено отрицательное напряжение (v_s), при этом для этой второй последовательности переключения верна следующая таблица истинности:

где Q₁ и Q₂ - два соединенных последовательно электронных переключательных элемента электронного переключателя (13),

Z_1n и Z_2n - два следующих друг за другом состояния переключения второй последовательности переключения и

«1» значит ВКЛЮЧЕНО, а «0» значит «ВЫКЛЮЧЕНО».

20. Устройство по любому из пп. 12-19, характеризующееся тем, что схема управления (15) содержит первый компаратор (18) для генерирования пилообразного напряжения (v_s) и второй компаратор (19) для генерирования сигналов управления (g₁, g₂) для электронного переключателя (13).

21. Устройство по любому из пп. 12-19, характеризующееся тем, что схема управления (15) выполнена таким образом, что входное полное сопротивление (Z_in) на входных клеммах (4, 5) с помощью генерируемых сигналов управления (g₁, g₂) настраиваемо на сборщик энергии (2).

22. Генератор энергии, содержащий

устройство (3) по любому из пп. 1-24 и

сборщик энергии, подсоединенный ко входным клеммам (4, 5) для обеспечения переменного напряжения (v_h).