УСТРОЙСТВО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СБОРА ЭНЕРГИИ, ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО УСТРОЙСТВА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Информация, содержащаяся в заявке на патент Германии DE 10 2016 224 639.9, включена в настоящую заявку по ссылке.

Предлагаемое изобретение относится к устройству-преобразователю для сбора энергии и к генератору энергии, снабженному таким устройством-преобразователем. Кроме того, предлагаемое изобретение относится к применению такого устройства-преобразователя.

Под собиранием энергии здесь понимается извлечение малых количеств электрической энергии из источников, находящихся в окрестностях передвижного электрического прибора, например, из температуры окружающей среды или из вибраций. Применимые устройства для сбора энергии, такие как термоэлектрические генераторы или пьезоэлектрические кристаллы обеспечивают либо напряжение неизменной полярности (напряжение постоянного тока), либо напряжение чередующейся полярности (напряжение переменного тока). Чтобы обеспечить возможность эффективно использовать энергию, предоставляемую устройством для сбора энергии, требуется устройство-преобразователь.

Предлагаемое изобретение имеет целью создание простого, надежного, эффективного и допускающего повсеместное использование устройства-преобразователя для сбора энергии, которое могло бы работать как от напряжения неизменной полярности, поставляемого устройством для сбора энергии, так и от напряжения чередующейся полярности.

Указанная цель предлагаемого изобретения достигается созданием устройства-преобразователя для сбора энергии, содержащего следующие компоненты:

- преобразователь, включающий

-- первый входной соединительный элемент и второй входной соединительный элемент для соединения с устройством для сбора энергии,

-- первый выходной соединительный элемент и второй выходной соединительный элемент для соединения с накопителем гальванического электричества,

-- первую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества положительным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую

--- первый электронный переключатель и

--- первый накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым первым электронным переключателем, при этом упомянутый первый накопитель электрической энергии содержит первую катушку индуктивности, первый конденсатор и первый запирающий элемент,

-- вторую зарядную схему для зарядки упомянутого накопителя гальванического электричества отрицательным напряжением устройства для сбора энергии, прикладываемым к упомянутым входным соединительным элементам, имеющую

--- второй электронный переключатель и

--- второй накопитель электрической энергии, соединенный последовательно с упомянутым вторым электронным переключателем, при этом упомянутый второй накопитель электрической энергии содержит вторую катушку индуктивности, второй конденсатор и второй запирающий элемент,

- управляющее устройство для приведения в действие упомянутых первого электронного переключателя и второго электронного переключателя на основе полярности напряжения устройства для сбора энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам, и при этом упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу.

Предлагаемый преобразователь выполнен как повышающий преобразователь. Благодаря тому, что преобразователь содержит первую зарядную схему, которая может работать от положительного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, и вторую зарядную схему, которая может работать от отрицательного напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, обеспечена возможность преобразования напряжения чередующейся полярности, прикладываемой к входным соединительным элементам, в напряжение постоянного тока (то есть, имеет место преобразование переменного тока в постоянный). Для этой цели каждая из упомянутых зарядных схем имеет электронный переключатель и соединенный с ним последовательно накопитель электрической энергии. Упомянутое управляющее устройство использовано для приведения электронных переключателей в действие на основе полярности напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, так что в зависимости от этой полярности работает первая зарядная схема или вторая зарядная схема, или же по очереди работают обе зарядные схемы.

Предлагаемое устройство-преобразователь обеспечивает простое и эффективное накопление и подачу электрической энергии. Упомянутая первая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому первому конденсатору. Упомянутый первый запирающий элемент соединен последовательно с первой катушкой индуктивности или с первым конденсатором. Этот первый запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Первый запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации первый электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии в первой катушке индуктивности благодаря положительному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка первого конденсатора предотвращена первым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации первый электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка первого конденсатора от первой катушки индуктивности, благодаря тому, что через первый запирающий элемент протекает ток.

Упомянутая вторая катушка индуктивности соединена параллельно упомянутому второму конденсатору. Упомянутый второй запирающий элемент соединен последовательно со второй катушкой индуктивности или со вторым конденсатором. Этот второй запирающий элемент может быть выполнен, например, в виде диода. Второй запирающий элемент включен в схему таким образом, что если в первом состоянии коммутации второй электронный переключатель находится во включенном состоянии, то имеет место накопление энергии во второй катушке индуктивности благодаря отрицательному напряжению, прикладываемому к входным соединительным элементам. В упомянутом первом состоянии коммутации зарядка второго конденсатора предотвращена вторым запирающим элементом. Если в последующем затем втором состоянии коммутации второй электронный переключатель находится в выключенном состоянии, то имеет место зарядка второго конденсатора от второй катушки индуктивности, благодаря тому что через второй запирающий элемент протекает ток.

Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение чередующейся полярности, то первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим одним из выходных соединительных элементов (преобразование переменного тока в постоянный). Если устройство-преобразователь работает с накопителем электрической энергии, вырабатывающим напряжение неизменной полярности, то в зависимости от конкретной полярности с выходными соединительными элементами соединен либо первый конденсатор, либо второй конденсатор (преобразование постоянного тока в постоянный).

Предлагаемое устройство-преобразователь имеет простую конструкцию и может быть использовано повсеместно. Благодаря тому что упомянутые первая зарядная схема и вторая зарядная схема соединены параллельно друг другу, они легко приводятся в действие требуемым образом с помощью связанных с ними электронных переключателей. Соответствующий электронный переключатель соединен с одним из входных соединительных элементов, а соответствующий связанный с ним накопитель электрической энергии соединен с другим соединительным элементом. Представляется предпочтительным такое решение, при котором накопители электрической энергии соединены с первым входным соединительным элементом, а электронные переключатели соединены со вторым входным соединительным элементом. При таком решении достигнуто симметричное строение предлагаемого устройства-преобразователя.

Устройство-преобразователь, в котором первый накопитель электрической энергии соединен с первым выходным соединительным элементом, а второй накопитель электрической энергии соединен со вторым выходным соединительным элементом, легко обеспечивает выходное напряжение. Для обеспечения работы передвижного электронного прибора к выходным соединительным элементам может быть подсоединен перезаряжаемый накопитель гальванического электричества, или перезаряжаемая аккумуляторная батарея. Упомянутый перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему, которая может работать от этого накопителя гальванического электричества и (или) от вырабатываемого выходного напряжения. Упомянутый передвижной электронный прибор может представлять собой, например, переносный электронный прибор, или же электронный прибор, установленный на транспортном средстве. В частности, первый накопитель электрической энергии дополнительно соединен с третьим выходным соединительным элементом и (или) второй накопитель электрической энергии дополнительно соединен с четвертым соединительным элементом. Если ко входным соединительным элементам приложено напряжение неизменной полярности, то перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может быть подсоединен к первому и третьему выходным соединительным элементам при положительном напряжении и ко второму и четвертому соединительным элементам при отрицательном напряжении. Кроме того, перезаряжаемый накопитель гальванического электричества может иметь электрическую нагрузку, включенную параллельно ему.

Устройство-преобразователь, в котором один из входных соединительных элементов соединен с опорным узлом, обеспечивает простоту схемы и простоту работы. Упомянутый опорный узел должным образом обеспечивает опорный потенциал. Представляется предпочтительным такое решение, при котором с опорным узлом соединен входной соединительный элемент, соединенный с электронными переключателями. При таком решении обеспечена простота приведения в действие электронных переключателей.

Устройство-преобразователь, в котором первый электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую первый электронный переключающий элемент и второй электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронные переключающие элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные, или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-р). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы (полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник), в частности, n-канальные МОП-транзисторы.

Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены первый обращенный диод, включенный параллельно первому электронному переключающему элементу, и второй обращенный диод включенный параллельно второму электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.

Устройство-преобразователь, в котором второй электронный переключатель содержит последовательную цепь, содержащую третий электронный переключающий элемент и четвертый электронный переключающий элемент, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Благодаря тому, что два электронных переключающих элемента соединены последовательно, удается избежать паразитных токов и связанных с ними потерь. В частности, эти два электронных переключающих элемента включены встречно. Это позволяет избежать потерь и отказов по причине паразитных токов. Паразитные токи вызываются, в частности, обращенными диодами (паразитными диодами). Благодаря встречному включению электронных переключающих элементов обращенные диоды имеют разные запирающие направления. Электронные переключающие элементы выбраны из группы, содержащей полевые транзисторы (n-канальные или p-канальные) и биполярные транзисторы (типа n-p-n или типа p-n-p). Представляется предпочтительным такое решение, при котором электронные переключающие элементы выполнены как МОП-транзисторы, в частности, n-канальные МОП-транзисторы.

Устройство-преобразователь, в котором предусмотрены третий обращенный диод, включенный параллельно третьему электронному переключающему элементу, и четвертый обращенный диод включенный параллельно четвертому электронному переключающему элементу, имеют противоположные запирающие направления, обеспечивает высокий уровень надежности и высокий уровень эффективности. Электронные переключающие элементы включены встречно, так что паразитные обращенные диоды имеют противоположные запирающие направления. Поэтому при таком схемном решении в отношении электронных переключающих элементов по меньшей мере один из обращенных диодов имеет переход с обратным смещением как при приложении отрицательного напряжения, так и при приложении положительного напряжения.

Устройство-преобразователь, в котором первый конденсатор и второй конденсатор соединены каждый с соответствующим выходным соединительным элементом, просто и эффективно обеспечивает выходное напряжение для подзарядки накопителя гальванического электричества. При этом устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный.

Устройство-преобразователь, в котором предусмотрен сглаживающий конденсатор, включенный параллельно входным соединительным элементам, обеспечивает надежную и эффективную работу. Упомянутый сглаживающий конденсатор сглаживает импульсные скачки прикладываемого к входным соединительным элементам напряжения устройства для собирания энергии. Кроме того, этот сглаживающий конденсатор упрощает определение полного входного сопротивления.

Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит первую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, при этом для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:

где

Q_1p и Q_2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,

Q_1n and Q_2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,

Z_1p и Z_2p - это два следующих одно за другим состояния коммутации первой последовательности переключения,

при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),

обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено положительное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии с первой последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z_1p к общей длительности состояний коммутации Z_1p и Z_2p, иначе говоря, к длительности периода T_S.

Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит вторую последовательность переключения, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, при этом для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:

где

Q_1p и Q_2p - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента первого электронного переключателя,

Q_1n and Q_2n - это два последовательно включенных электронных переключающих элемента второго электронного переключателя,

Z_1n и Z_2n - это два следующих одно за другим состояния коммутации второй последовательности переключения,

при этом «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ),

обеспечивает простоту, надежность и эффективность работы, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство содержит блок определения полярности, выполненный с возможностью определять, когда к входным соединительным элементам приложено отрицательное напряжение, и посылать надлежащий сигнал на блок переключения. Упомянутый блок переключения выполнен с возможностью переключать электронные переключающие элементы в соответствии со второй последовательностью переключения. Представляется предпочтительным такое решение, при котором для установки полного входного сопротивления использован коэффициент заполнения D. Упомянутый коэффициент заполнения D представляет собой отношение длительности первого состояния коммутации Z_1n к общей длительности состояний коммутации Z_1n и Z_2n, иначе говоря, к длительности периода T_S.

Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит блок определения полярности для определения положительного напряжения и отрицательного напряжения устройства для собирания энергии, обеспечивает простую и надежную работу независимо от полярности напряжения устройства для собирания энергии, прикладываемого к входным соединительным элементам. В результате работы блока определения полярности устройство-преобразователь способно определять, прикладывается ли к входным соединительным элементам исключительно положительное напряжение, исключительно отрицательное напряжение, или же чередующиеся положительное и отрицательное напряжение. Блок определения полярности обеспечивает надлежащий сигнал полярности, так что обеспечено простое и надежное переключение первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с прикладываемым в данный момент напряжением. Представляется предпочтительным такое решение, при котором управляющее устройство используют для приведения в действие первого электронного переключателя и второго электронного переключателя в соответствии с первой последовательностью переключения и второй последовательностью переключения, реализованных в управляющем устройстве. Представляется предпочтительным такое решение, при котором блок определения полярности содержит измерительный датчик напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам, а также детектор перехода через нулевой уровень. Упомянутый сигнал полярности, в частности, представляет собой цифровой сигнал. Например, этот сигнал полярности может быть равен единице («1») в случае положительного напряжения и нулю («0») в случае отрицательного напряжения.

Устройство-преобразователь, в котором управляющее устройство содержит регулятор полного сопротивления для задания входного полного сопротивления, при этом регулятор полного сопротивления выполнен с возможностью изменять работу электронных переключателей на основе определенного значения входного полного сопротивления и заданного значения входного полного сопротивления, обеспечивает высокий уровень эффективности.Управляющее устройство имеет управляющий контур, реализованный в нем для входного полного сопротивления преобразователя. Полное входное сопротивление определяется на входных соединительных элементах. Для этого управляющее устройство снабжено измерительным датчиком напряжения для измерения напряжения, прикладываемого к входным соединительным элементам и измерительным датчиком тока для измерения тока, протекающего от устройства для собирания энергии к преобразователю. Входное полное сопротивление определяется управляющим устройством на основе измерений напряжения и тока. Исходя из заданного значения входного полного сопротивления и из определенного значения входного полного сопротивления, определяется ошибка регулирования или разность, которая подается на регулятор полного сопротивления. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор (ПИД - аббревиатура от пропорционально-интегрально-дифференциальный). Регулятор полного сопротивления обеспечивает блок переключения с регулируемым параметром. Этот регулируемый параметр используется для задания коэффициента заполнения D и, следовательно, входного полного сопротивления преобразователя. Блок переключения может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор. Представляется предпочтительным такое решение, при котором обеспечено такое регулирование полного сопротивления, когда входное полное сопротивление является чисто резистивным и, следовательно, измеряемое напряжение и измеряемый ток практически синфазны. Что касается заданного входного полного сопротивления, то оно может быть определено, например, эмпирически. Заданное входное полное сопротивление может быть, например, сопротивлением, при котором при собирании энергии обеспечена высокая эффективность, в частности, максимальная эффективность.

Кроме того, целью предлагаемого изобретения является создание простого, надежного и эффективного генератора энергии, обеспечивающего возможность получать как энергию напряжения чередующейся полярности, так и энергию напряжения неизменной полярности.

Эта цель достигается созданием генератора энергии, имеющего устройство-преобразователь согласно предлагаемому изобретению и устройство для сбора энергии, соединенное с входными соединительными элементами для получения напряжения. Преимущества генератора энергии согласно предлагаемому изобретению соответствуют преимуществам, которые уже описаны в отношении устройства-преобразователя. Устройство-преобразователь может работать как с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение неизменной полярности, так и с устройством для сбора энергии, которое обеспечивает напряжение чередующейся полярности. Соответственно, в качестве устройства для сбора энергии могут быть использованы, например, пьезоэлектрические кристаллы или термоэлектрические генераторы. Представляется предпочтительным такое решение, при котором к выходным соединительным элементам устройства-преобразователя подсоединен накопитель гальванического электричества. Этот накопитель гальванического электричества является перезаряжаемым.

Использование устройства-преобразователя согласно предлагаемому изобретению, в частности, генератора энергии согласно предлагаемому изобретению обеспечивает высокий уровень гибкости и повсеместной применимости простыми средствами. Во-первых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения неизменной полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Во-вторых, устройство-преобразователь может работать с помощью устройства для сбора энергии для обеспечения напряжения чередующейся полярности, так что устройство-преобразователь работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Устройство-преобразователь автоматически настраивается на присоединенное к нему устройство для сбора энергии, так что устройство-преобразователь является простым и гибким в эксплуатации.

Другие признаки, преимущества и подробности предлагаемого изобретения станут понятны из описания нескольких иллюстративных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого генератора энергии согласно первому варианту осуществления предлагаемого изобретения, при этом устройство-преобразователь и устройство для сбора энергии соединены с ним для обеспечения напряжения чередующейся полярности.

На фиг. 2 изображена временная характеристика напряжения, обеспечиваемого устройством для сбора энергии и временная характеристика импульсов переключения, генерируемых управляющим устройством для включения в работу преобразователя устройства-преобразователя.

На фиг. 3 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.

На фиг. 4 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено положительное напряжение устройства для сбора энергии.

На фиг. 5 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.

На фиг. 6 изображена схема устройства-преобразователя в его втором состоянии коммутации, когда обеспечено отрицательное напряжение устройства для сбора энергии.

На фиг. 7 изображена схема устройства-преобразователя в его первом состоянии коммутации, когда обеспечено исключительно положительное напряжение устройства для сбора энергии, приложенное для обеспечения напряжения неизменной полярности согласно второму иллюстративному варианту осуществления.

На фиг. 8 изображена схема того же устройства-преобразователя, схема которого изображена на фиг.7, в его втором состоянии коммутации.

Далее следует описание первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи с фиг. 1 по фиг. 6. Генератор энергии 1 содержит устройство-преобразователь 2 и устройство 3 для сбора энергии. Устройство-преобразователь 2 содержит преобразователь 4 и связанное с ним управляющее устройство 5. Устройство 3 для сбора энергии соединено с первым входным соединительным элементом 6 и вторым входным соединительным элементом 7. Генератор энергии 1 использован для зарядки перезаряжаемого накопителя 8 гальванического электричества. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и вторым выходным соединительным элементом 10 преобразователя 4. Кроме того, преобразователь 4 имеет третий выходной соединительный элемент 9', который в рассматриваемом первом иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не задействован.

Устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение v_h, которое имеет чередующуюся полярность (напряжение переменного тока). Изменение этого напряжения v_h во времени проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 2. Часть напряжения v_h с положительной полярностью далее будет обозначаться v_hp, а его часть с отрицательной полярностью далее будет обозначаться v_hn.

Преобразователь 4 имеет сглаживающий конденсатор C_in, предназначенный для сглаживания напряжения v_h, при этом упомянутый сглаживающий конденсатор соединен параллельно входным соединительным элементам 6, 7 и устройству 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор C_in соединен с узлом K₁ и с опорным узлом K₀. Опорный узел K₀ задает опорный потенциал. Первый входной соединительный элемент 6 соединен с узлом K₁ а второй соединительный элемент 7 соединен с опорным узлом K₀.

Преобразователь 4 содержит первую зарядную схему 11 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении положительного напряжения v_hp и вторую зарядную схему 12 для зарядки накопителя 8 гальванического электричества при приложении отрицательного напряжения v_hn. Упомянутые зарядные схемы 11, 12 соединены с узлом K₁ и опорным узлом K₀ и включены параллельно друг другу.

Первая зарядная схема 11 содержит первый электронный переключатель 13 и соединенный с ним последовательно первый накопитель электрической энергии 14. Этот первый электронный переключатель 13 выполнен как последовательная схема, содержащая первый электронный переключающий элемент Q_1p и второй электронный переключающий элемент Q_2p. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q_1p и Q_2p выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S_1p первого переключающего элемента Q_1p соединен с опорным узлом K₀. Вывод стока D_1p первого переключающего элемента Q_1p соединен с выводом стока D_2p второго переключающего элемента Q_2p. Вывод истока S_2p второго переключающего элемента Q_2p соединен с узлом K_2p первой зарядной схемы 11.

Параллельно первому переключающему элементу Q_1p включен первый паразитный обращенный диод F_1p. Этот первый паразитный обращенный диод F_1p соединен с выводом истока S_1p и выводом стока D_1p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S_1p. Соответственно, параллельно второму переключающему элементу Q_2p включен второй паразитный обращенный диод F_2p. Этот второй паразитный обращенный диод F_2p соединен с выводом истока S_2p и выводом стока D_2p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S_2p. Поэтому упомянутые обращенные диоды F_1p и F_2p имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q_1p и Q_2p гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F_1p и F_2p имеет отрицательное смещение при приложении к первому электронному переключателю 13 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.

Первый накопитель электрической энергии 14 содержит первую катушку индуктивности L_p, первый конденсатор C_p и первый запирающий элемент D_p. Первая катушка индуктивности L_p соединена с узлом K₁ и с узлом K_2p. Первый конденсатор C_p соединен с узлом K₁ и с узлом K_3p. Первый запирающий элемент D_p включен между узлом K_2p и узлом K_3p таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K_2p. Первый запирающий элемент D_p реализован в виде диода. С узлом K_3p соединен первый выходной соединительный элемент 9. С узлом K₁ соединен третий выходной соединительный элемент 9'.

Вторая зарядная схема 12 содержит второй электронный переключатель 15 и соединенный с ним последовательно второй накопитель 16 электрической энергии. Этот второй электронный переключатель 15 выполнен как последовательная схема, содержащая третий электронный переключающий элемент Q_1n и четвертый электронный переключающий элемент Q_2n. Каждый из этих электронных переключающих элементов Q_1np и Q_2n выполнен как нормально открытый n-канальный МОП-транзистор. Вывод истока S_1n третьего переключающего элемента Q_1n соединен с опорным узлом K₀. Вывод стока D_1n третьего переключающего элемента Q_1n соединен с выводом стока D_2n четвертого переключающего элемента Q_2n. Вывод истока S_2n четвертого переключающего элемента Q_2n соединен с узлом K_2n первой зарядной схемы 12.

Параллельно третьему переключающему элементу Q_1n включен третий паразитный обращенный диод F_1n. Этот третий паразитный обращенный диод F_1n соединен с выводом истока S_1n и выводом стока D_1n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S_1n. Соответственно, параллельно четвертому переключающему элементу Q_2n включен четвертый паразитный обращенный диод F_2n. Этот четвертый паразитный обращенный диод F_2n соединен с выводом истока S_2n и выводом стока D_2n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении вывода истока S_2n. Поэтому упомянутые обращенные диоды F_1n и F_2n имеют противоположные обращенные направления. Поэтому упоминавшееся выше встречное включение электронных переключающих элементов Q_1n и Q_2n гарантирует, что по меньшей мере один из обращенных диодов F_1n и F_2n имеет отрицательное смещение при приложении к третьему электронному переключателю 15 как положительного, так и отрицательного напряжения. При таком решении удается избежать паразитных токов и связанных с этим потерь.

Второй накопитель электрической энергии 16 содержит вторую катушку индуктивности L_n, второй конденсатор C_n и второй запирающий элемент D_n. Вторая катушка индуктивности L_n соединена с узлом K₁ и с узлом K_2n. Второй конденсатор C_n соединен с узлом K₁ и с узлом K_3n. Второй запирающий элемент D_n включен между узлом K_2n и узлом K_3n таким образом, чтобы воспрепятствовать протеканию тока в направлении узла K_3n. Второй запирающий элемент D_n реализован в виде диода. С узлом K_3n соединен второй выходной соединительный элемент 10.

Управляющее устройство 5 использовано для приведения в действие первого электронного переключателя 13 и второго электронного переключателя 15 на основе полярности напряжения v_h, то есть, на основе положительного напряжения v_hp и отрицательного напряжения v_hp. Управляющее устройство 5 подсоединено к опорному потенциалу. Управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено положительное напряжение v_hp, реализуется первая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z_1p и следующим за ней вторым состоянием коммутации Z_2p. Для этой первой последовательности переключения справедливо следующее:

где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z_1p проиллюстрировано на фиг. 3, а состояние коммутации Z_2p проиллюстрировано на фиг. 4.

Кроме того, управляющее устройство 5 выполнено таким образом, что когда приложено отрицательное напряжение v_hn, реализуется вторая последовательность переключения с первым состоянием коммутации Z_1n и следующим за ним вторым состоянием коммутации Z_2n. Для этой второй последовательности переключения справедливо следующее:

где «0» значит включенное состояние (ВКЛ), а «1» значит выключенное состояние (ВЫКЛ). Состояние коммутации Z_1n проиллюстрировано на фиг. 5, а состояние коммутации Z_2n проиллюстрировано на фиг. 6.

Каждая из вышеуказанных последовательностей, и первая и вторая, имеет период длительностью T_S. Для этой длительности T_S выполняется равенство T_S=1/f_S, где f_S - это постоянная частота переключения управляющего устройства 5. Соответствующие первые состояния коммутации Z_1p и Z_1n имеют каждое длительность D⋅T_S, а соответствующие связанные с ними вторые состояния коммутации Z_2p и Z_2n имеют каждое длительность (1-D)⋅T_S, где D - это коэффициент заполнения.

Управляющее устройство 5 содержит измерительный датчик напряжения 17 для измерения напряжения v_h и измерительный датчик тока 18 для измерения тока i_h. Ток i_h протекает между устройством 3 для сбора энергии и преобразователем 4.

Управляющее устройство 5 содержит блок 19 определения полярности, на который поступает измеряемое напряжение v_h. Этот блок 19 определения полярности выполнен с возможностью определять, является ли напряжение v_h положительным или отрицательным. Для этого блок 19 определения полярности может быть выполнен, например, как детектор перехода через нулевой уровень. Блок 19 определения полярности генерирует надлежащий цифровой сигнал полярности Р. Поэтому блок 19 определения полярности определяет положительное напряжение v_hp и отрицательное напряжение v_hn. Упомянутый сигнал полярности Р подается на блок переключения 20 управляющего устройства 5. Упомянутый блок переключения 20 генерирует управляющие напряжения g_1p, g_2p, g_1n и g_2n для приведения в действие переключающих элементов Q_1p, Q_2p, Q_1n и Q_2n. Эти управляющие напряжения g_1p, g_2p, g_1n и g_2n приложены к выводам G_1p, G_2p, G_1n и G_2n переключающих элементов Q_1p, Q_2p, Q_1n и Q_2n.

Управляющее устройство 5 содержит первый аналого-цифровой преобразователь 21, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемое напряжение v_h в дискретное напряжение v_h'. Кроме того, управляющее устройство 5 имеет второй аналого-цифровой преобразователь 22, выполненный с возможностью преобразовывать измеряемый ток i_h в дискретный ток i_h'.

Для расчета входного полного сопротивления управляющее устройство 5 снабжено блоком 23 определения полного сопротивления, выполненным с возможностью определять входное полное сопротивление Z' из значений дискретного напряжения v_h' и дискретного тока i_h'. Входное полное сопротивление Z' представляет собой вычисленную величину или оценочное значение для входного полного сопротивления Z преобразователя 4 и соединенного с ним накопителя 8 гальванического электричества, при этом это входное полное сопротивление Z получено со стороны входных соединительных элементов 6, 7. Управляющее устройство 5 содержит вычитающий блок 24, выполненный с возможностью формировать разность Z_ref-Z' между заданным значением входного полного сопротивления Z_ref и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, на выходе которого формируется заданный коэффициент заполнения D_ref. Этот регулятор полного сопротивления может быть реализован, например, как ПИД-регулятор. Упомянутый заданный коэффициент заполнения D_ref подается на блок переключения 20, который на основе полярности Р и заданного коэффициента заполнения D_ref генерирует управляющие напряжения g_1p, g_2p, g_1n и g_2n. Для этого блок переключения 20 может быть выполнен, например, как цифровой широтно-импульсный модулятор.

Описанные выше блок переключения 20, блок 23 определения полного сопротивления, вычитающий блок 24 и регулятор 25 полного сопротивления образуют управляющий блок 26, являющийся частью контура регулирования полного сопротивления. Этот контур регулирования полного сопротивления использован для задания полного сопротивления Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным и чтобы напряжение v_h и ток i_h были практически синфазны. Входное полное сопротивление Z задают с помощью коэффициента заполнения D. В режиме прерывистой проводимости для полного сопротивления выполняется следующее равенство:

,

где L=L_p или L=L_n. При этом заданное значение полного сопротивления Z_ref может быть определено, например, экспериментальным путем. В частности, это заданное полное сопротивление Z_ref является резистивным, при котором обеспечен высокий уровень эффективности, предпочтительно, при выработке энергии достигается максимальная эффективность.

Работа генератора энергии 1 осуществляется следующим образом.

Устройство 3 для сбора энергии вырабатывает напряжение v_h и ток i_h. По измеряемому напряжению v_h блок 19 определения полярности определяет, приложено ли к входным соединительным элементам 6, 7 положительное напряжение v_hp или отрицательное напряжение v_hn, и выдает надлежащий сигнал полярности Р. Например, сигнал полярности Р равен единице («1»), единице («1»), если приложено положительное напряжение v_hp, и нулю («0»), если приложено отрицательное напряжение v_hn.

Когда приложено положительное напряжение v_hp, управляющее устройство 5 реализует первую последовательность переключения. Прежде всего, переключающие элементы Q_1p и Q_2p включаются в первом состоянии коммутации Z_1p, так что ток i_h протекает через первую катушку индуктивности L_p. Первый запирающий элемент D_p препятствует протеканию тока i_h через первый конденсатор C_p. В первом состоянии коммутации Z_1p переключающие элементы Q_1n и Q_2n находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 3.

В следующем затем втором состоянии коммутации Z_2p первая катушка индуктивности L_p обеспечивает ток i_p через первый запирающий элемент D_p, при этом первый конденсатор С_р заряжается. К первому конденсатору C_p приложено напряжение v_cp. Под действием этого напряжения v_cp протекает ток i_b, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. Во втором состоянии коммутации Z_2p переключающие элементы Q_1n и Q_2n все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 4.

При приложении отрицательного напряжения v_hn управляющее устройство 5 реализует вторую последовательность переключения. С самого начала переключающие элементы Q_1n и Q_2n включаются в первом состоянии коммутации Z_1n, так что ток i_h протекает через вторую катушку индуктивности L_n. Второй запирающий элемент D_n препятствует протеканию тока i_h через второй конденсатор C_n. В первом состоянии коммутации Z_1n переключающие элементы Q_1p и Q_2p находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 5.

В следующем затем втором состоянии коммутации Z_2n вторая катушка индуктивности L_n обеспечивает ток через второй запирающий элемент D_n, при этом второй конденсатор C_n заряжается. К этому второму конденсатору C_n приложено напряжение v_cn. Под действием напряжения v_cn протекает ток i_b, который заряжает накопитель 8 гальванического электричества. В этом втором состоянии коммутации Z_2n переключающие элементы Q_1p и Q_2p все еще находятся в открытом состоянии. Это проиллюстрировано на фиг. 6.

Напряжения v_cp и v_cn использованы для зарядки накопителя 8 гальванического электричества, который обеспечивает напряжение E_b.

В первой последовательности переключения и второй последовательности переключения входное полное сопротивление Z является регулируемым. Для этого из значений дискретного напряжения v_h' и дискретного тока i_h' с помощью блока 23 определения полного сопротивления рассчитывается входное полное сопротивление Z'. Вычитающий блок 24 формирует разность между заданным значением входного сопротивления Z_ref и определенным значением входного полного сопротивления Z'. Эта разность подается на регулятор 25 полного сопротивления, который подает на блок переключения 20 заданный коэффициент заполнения D_ref в качестве управляемой переменной. Этот блок переключения 20 задает временной режим сигналов переключения или управляющих напряжений g_1p, g_2p, g_1n и g_2n, так что в пределах периода Ts соответствующее первое состояние коммутации Z_1p или Z_1n устанавливается на время 0<Т≤D⋅T_S и соответствующее второе состояние коммутации Z_2p или Z_2n устанавливается на время D⋅T_S<Т<(1-D)⋅T_S.

Далее следует описание второго иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи фиг. 7 и фиг. 8. В отличие от первого иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, в рассматриваемом варианте генератор энергии 1 имеет устройство 3 для собирания энергии, которое обеспечивает исключительно положительное напряжение v_hp. Накопитель 8 гальванического электричества соединен с первым выходным соединительным элементом 9 и третьим выходным соединительным элементом 9' преобразователя 4. Второй выходной соединительный элемент 10 в этом втором иллюстративном варианте осуществления предлагаемого изобретения не имеет соединений. Управляющее устройство 5 реализует исключительно первую последовательность переключения. Первое состояние коммутации Z_1p проиллюстрировано на фиг. 7, а второе состояние коммутации Z_2p проиллюстрировано на фиг. 8. В отношении схемного решения и способа работы ссылаемся на описание иллюстративного варианта осуществления предлагаемого изобретения, рассмотренного выше.

Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению может по выбору работать с устройством 3 для сбора энергии, которое вырабатывает либо напряжение v_h чередующейся полярности, либо исключительно положительное напряжение v_hp, либо исключительно отрицательное напряжение v_hn. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает напряжение v_h чередующейся полярности, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь переменного тока в постоянный. Это проиллюстрировано на прилагаемых чертежах с фиг. 1 по фиг. 6. Если устройство 3 для сбора энергии обеспечивает исключительно положительное напряжение v_hp или исключительно отрицательное напряжение v_hn, то устройство-преобразователь 2 работает как преобразователь постоянного тока в постоянный. Для положительного напряжения v_hn это проиллюстрировано на фиг. 7 и фиг. 8. Для отрицательного напряжения v_hn работа устройства-преобразователя 2 проиллюстрирована на фиг. 5 и фиг. 6.

Устройство-преобразователь 2 согласно предлагаемому изобретению построено на основе повышающего преобразователя. Устройство-преобразователь 2 может работать либо с постоянным напряжением, либо с переменным напряжением. Устройство-преобразователь 2 подходит для использования с электроприборами с батарейным питанием, собирающими малые количества электрической энергии с помощью устройства 3 для сбора энергии. Для оптимизации процесса сбора энергии устройство-преобразователь 2 выполнено с возможностью устанавливать входное полное сопротивление Z таким образом, чтобы оно было чисто резистивным. Преобразование переменного тока в постоянный осуществлено на этой стадии без использования мостикового выпрямителя. Это решение позволяет избежать перепада напряжения и потерь энергии, так что устройство-преобразователь 2 пригоден также для очень низких значений напряжений v_h устройства 3 для сбора энергии. Преобразователь 4 имеет по два электронных переключающих элемента Q_1p, Q_2p и Q_1n, Q_2n на фазу, так что возможно прямое преобразование постоянного напряжения в переменное, а для преобразования постоянного напряжения в постоянное требуется только одна фаза. Для установки входного полного сопротивления Z устройство-преобразователь 2 работает в режиме прерывистой проводимости, так что преобразователь 4 проявляется как чисто нереактивное сопротивление для устройства 3 для сбора энергии. Сглаживающий конденсатор C_in упрощает определение входного полного сопротивления Z.

Соединительные элементы S_1p и S_1n истоков имеют один и тот же опорный потенциал, поэтому для переключающих элементов Q_1p и Q_1n может быть использован соответствующий простой драйвер управления затвором нижнего плеча. Для переключающих элементов Q_2p и Q_2n может быть использован соответствующий драйвер плавающего затвора. Измерение напряжения, измерение тока и определение полярности осуществляются просто, так как измерительный датчик напряжения 17, измерительный датчик тока 18 и блок 19 определения полярности используют один и тот же опорный потенциал. Устройство-преобразователь 2 может работать вместе с накопителем гальванического электричества 8, что позволяет получать напряжение, например, 3,7 В, 7,4 В или 12 В. В результате устройство-преобразователь 2 может быть использовано как для переносных электронных приборов, так и для транспортных средств.