一種自供能功率脈衝發生裝置及取電單元的製作方法
2023-06-14 17:19:06
專利名稱：一種自供能功率脈衝發生裝置及取電單元的製作方法
技術領域：
本實用新型屬輸電線路功率脈衝發生領域，具體涉及一種取電單元和自供能功率脈衝發生裝置。
背景技術：
迄今為止，在功率脈衝發生裝置中，絕大部分都是應用數字電子技術(邏輯門電路、555定時器以及單片機等)來產生固定頻率的脈衝，從而驅動負載來進行工作。但在一些應用領域中，這種應用數字電子技術的功率發生裝置有時會出現電路過於複雜從而導致成本過高等問題。另外，對於高壓輸電線路上的功率脈衝發生裝置，目前比較常用的取能方式主要有高壓電流感應、電池和雷射傳輸能量等。但是，現有的取能方式仍存在諸多弊端。例如電流感應取能裝置需要較大的啟動電流，電池和雷射傳輸能量的取能方式存在成本較高等問題。因此，迫切需要本領域技術人員開發出一款可以自己功能、構造簡單、成本低廉的功率脈衝發生裝置。
實用新型內容為了克服現有技術的缺陷，本實用新型的目的之一在於提出一種不存在取能盲區，並且取能方便的取能單元，該取電單元是通過如下技術方案實現的一種取能單元，其採用電容器C，所述電容器C包括平行於大地、且架設於高壓輸電線路與大地之間的上、下極板。進一步地，所述電容器C與高壓輸電線路可以採用以下任一種連接結構I)將上極板連接到高壓交流線路上、下極板懸空；2)將高壓輸電線路作為上極板、下極板懸空。所述電容器C上所分得的電壓U。= ULx，其中，UL為高壓輸電線路的相電
Zc+Zcd
壓，Z。為電容器C的容抗，Zcd為下極板與大地之間產生的電容Cd的容抗。本實用新型的另一目的在於提出一種構造簡單，成本低廉的自供能功率脈衝發生裝置，該裝置是通過如下技術方案實現的一種自供能功率脈衝發生裝置，其包括上面所述的取電單元以及整流單元、功率脈衝發生單元和控制單元，所述取電單元從高壓輸電線路上獲取交流電，並將其送至整流單元轉化為直流電，功率脈衝發生單元對整流單元發出的直流電進行電能存儲，並根據控制單元產生的控制信號將直流電轉化成功率脈衝信號後，輸出該功率脈衝信號以驅動負載。進一步地，所述整流單元可以採用整流橋。進一步地，所述功率脈衝發生單元可以包括儲能單元、脈衝發生與限流單元和脈衝信號輸出單元，所述儲能單元對整流單元發出的直流電進行電能存儲後輸出該直流電至脈衝發生與限流單元；所述脈衝發生與限流單元對直流電進行限流，並將直流電轉化為功率脈衝信號；該功率脈衝信號通過脈衝信號輸出單元輸出，並對負載進行驅動。進一步地，所述儲能單元可以採用電容器Cl。進一步地，所述脈衝發生與限流單元可以包括MOS管和電阻器R3，所述MOS管包括與儲能單元相連的漏極、與三極體的集電極相連的源極以及與電阻器R3相連的柵極。進一步地，所述脈衝信號輸出單元可以包括三極體、與三極體的基極相連的電阻器Rl以及與三極體的發射極相連的電阻器R2，所述電阻器R2兩端產生功率脈衝信號輸出，對負載進行驅動。進一步地，所述控制單元可以包括電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出 子單元，所述電壓檢測子單元包括分壓電阻，所述延時子單元包括定時器，所述控制信號輸出子單元包括控制邏輯電路；所述延時子單元根據電壓檢測子單元所發出的延時啟動信號進行延時處理，並使控制信號輸出子單元啟動，所述控制信號輸出子單元輸出控制信號來中斷三極體的二次擊穿。進一步地，所述電壓檢測子單元中可以預存有三極體的二次擊穿電壓，當檢測到電壓檢測子單元的輸入電壓達到三極體的二次擊穿電壓時，便輸出延時啟動信號。本實用新型一種或多種實施例的的有益效果是I、該自供能功率脈衝發生裝置具有結構簡單、易於實現、成本低廉等優點，適用於驅動工作在高壓線路環境中的負載；可應用於高壓輸電線路環境中供電困難的警示燈、標靶等設備上，無需外部電源，克服了該環境中供電困難的問題。2、本實用新型的取電單元及利用該取能單元獲取交流電的發生裝置，通過電壓感應的方式取能，克服了現有技術中通過電流感應獲取能量方式存在盲區在電流較小時設備無法工作的缺點，不但不存在取能盲區，而且取能方便。
圖I是本實用新型功率脈衝發生裝置的實施例結構框圖；圖2是取電單元的輸入連接及電容分壓原理實施例示意圖；圖3是控制單元的原理實施例框圖；圖4是本實用新型功率脈衝發生裝置的實施例的電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的自供能功率脈衝發生裝置的各實施例做進一步的詳細說明。本實用新型可採用模擬電子技術的三極體二次擊穿技術，設計一種功率脈衝發生裝置。即利用三極體的二次擊穿特性，通過對三極體二次擊穿進行適當控制，在確保不使三極體失效或損壞的前提下，實現電壓向脈衝信號的轉換，從而驅動相應負載。本實用新型的功率脈衝發生裝置可採用模擬電子技術進行設計的，即利用三極體二次擊穿技術，來實現脈衝發生功能。其發生頻率的高低，可由取電電容器和電路內部各個模擬器件的參數來決定。選擇不同的參數匹配，就會有相應頻率的信號發生。(隨著三極體集電極和發射極之間電壓的增大，集電極電壓增大到某一臨界值時，集電極和發射極兩端的電壓突然減小，集電極電流急劇增大，出現負阻效應，這就是三極體二次擊穿。通常認為三極體的二次擊穿是不可逆的，可能會造成器件的永久性損壞。即集電極和發射極之間電壓高於二次擊穿電壓時，集電極和發射極之間電壓突然減小，集電極電流急劇增大，導致三極體的不可恢復的、永久性的損壞)。二次擊穿在大部分情況對三極體是有害的，但本實用新型通過合理選擇模擬器件參數，並對三極體的二次擊穿進行適當控制，從而把發生二次擊穿的程度控制在不使三極體失效或不對其造成損傷的水平。下面對本實用新型的功率脈衝發生裝置的具體實現過程進行詳細描述。圖I示出了本實用新型的功率脈衝發生裝置的實施例結構框圖，其包括取電單元、整流單元、功率脈衝發生單元和控制單元四部分，各部分的具體結構和功能如下I.取電單元取電單元可以作為獨立的自供能單元應用於各種位於高壓輸電線路附近的環境中，也可以作為本實用新型功率脈衝發生裝置的輸入端，主要負責從高壓線路周邊電場取 得能量，所有的後級單元使用的能量都是從取電單元得到的。取電單元可由電容器C組成。如圖2所示，電容器C被置於高壓交流線路上，一種結構是將上極板I直接連接到高壓交流線路上，下極板2懸空；另一種結構時直接將高壓交流線路作為上極板1，下極板2懸空。這裡，可以把下極板2對地視作一個電容器，其電容標記為Cd，如圖2中所示。由於電容在通過交流電時有容抗，根據電容分壓原理，電容器C上可以分得一定的電壓U。。從高壓輸電線路上取電的方法，包括如下步驟通過在高壓輸電線路與大地之間架設平行於大地的上、下極板構成一電容器C ；高壓輸電線路與大地之間的高壓電場使該電容器C的上、下極板之間產生電壓差
U。，該電壓差U。作為功率脈衝驅動電壓，通過公式U。= ULx77^求得電壓差U。，其中，UL
Zc+Zcd
為高壓輸電線路的相電壓，Z。為電容器C的容抗，Zm1為下極板與大地之間產生的電容Cd的容抗。本實用新型通過在高壓線路附近設置電容器C，將聚集在電容器C的兩個極板上的能量進行收集，並通過相應處理，來為後級電路提供電源。該取電單元採用雙極板電場感應取電的方式從高壓輸電線路上取能，為功率脈衝發生裝置提供電源。採用此方法取能，將使功率脈衝發生裝置的供電不受環境限制，即使在任何封閉環境或露天環境下只要有穩定的電壓，採用電場感應方式的自供能單元就能持續供給穩定的能量。其工作原理在於無論高壓線路中電流如何變化，其電壓都穩定不變，所以通過在高壓線路和大地之間架設兩個平行於大地的上、下極板構成一個電容器C，高壓線與大地之間的高壓電場將使此電容器C的兩極之間產生足夠的電壓差U。，從而為本實用新型的功率脈衝發生裝置供電。2.整流單元整流單元的作用是將取電單元(即電容器C)所獲取的交流電轉化為直流電，為後級的功率脈衝發生單元提供能量。該整流單元可由整流橋Dl組成，但不局限於此。上面所述的取電單元和整流單元可以採用如圖4左側虛線框中所示的一種實施方式，但並不局限於此。[0042]3.功率脈衝發生單元功率脈衝發生單元採用功率脈衝的方式取得電能供用電設備使用。該單元的主要作用是將整流單元轉換後的直流電進行電能存儲，並轉化成功率脈衝信號的形式輸出。其可以採用如圖4右側虛線框中所示的一種實施方式，但並不局限於此。功率脈衝發生單元可包括儲能單元、脈衝發生與限流單元和脈衝信號輸出單元。儲能單元可由電容器Cl組成，其用於存儲電能、並將其自身的電壓直接作用於MOS管Q2的漏極。脈衝發生與限流單元可由MOS管Q2和電阻器R3組成，MOS管用於將直流電轉化為功率脈衝信號，該MOS管具有漏極、源極和柵極其漏極與電容器Cl的一端連接、電容器Cl的另一端接地；其源極與三極體Ql的集電極相連；其柵極與用於對直流電進行限流的電阻器R3的一端連接、電阻器R3另一端連接控制信號輸出子單元的輸出端(CON)。脈衝信號輸出單元可由兩個電阻器Rl、R2和三極體Ql組成，三極體具有集電極、基極和發 射極其集電極上的電壓VC作為控制單元的輸入電壓且該集電極與MOS管的源極相連；其基極與偏置電阻器Rl的一端連接、偏置電阻器Rl的另一端接地；其發射極與電阻器R2的一端連接、電阻器R2的另一端接地，電阻器R2具有穩定工作點的作用，並在電阻器R2的兩端產生功率脈衝信號輸出，用來驅動負載。4.控制單元控制單元的主要功能是對功率脈衝發生單元提供保護和控制。如圖4所示，控制單元可由電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元三部分組成，電壓檢測子單元可由精密分壓電阻構成，延時子單元可由定時器構成，輸出信號輸出子單元可由控制邏輯電路組成。電壓檢測子單元接收加在圖3中三極體Ql集電極上的電壓VC作為其輸入電壓，並對其進行檢測，當檢測到輸入電壓達到預置的三極體Ql的二次擊穿電壓時，輸出使延時子單元啟動並延時一定時間的信號，延時子單元接收到該信號後，延時一定時間後使控制信號CON為高電平，並通過控制信號輸出子單元輸出控制MOS管Q2的控制信號C0N，從而斷開MOS管Q2，中斷三極體Ql的二次擊穿，以防止Ql燒毀。其中，電壓檢測子單元中預置有三極體Ql的二次擊穿電壓。圖4示出了本實用新型的功率脈衝發生裝置一個實施例的電路圖。取電電容器C從高壓交流輸電線路獲得電能，上、下極板間產生交流電壓U。，經整流橋Dl整流後，對電容器Cl進行充電，電容器Cl上的電壓直接作用於MOS管Q2的漏極。此時，控制信號CON為低電平，MOS管Q2處於導通狀態，當電容器Cl持續充電，電壓值達到三極體Ql的一次擊穿電壓時，Ql發生一次擊穿，電容器Cl繼續充電，當電壓值達到Ql的二次擊穿電壓時，三極體Ql發生二次擊穿，控制單元延時一定時間後立即控制CON信號為高電平，斷開MOS管Q2，使Ql 二次擊穿中斷(由圖3的控制單元實現)，此時一個脈衝輸出完成。一定時間後電容器Cl上電荷基本洩放為0，所以Cl兩端電壓急劇下降至基本為O伏(只要電路各器件參數選取合適，Cl兩端的電壓完全可以基本下降至O伏)。MOS管Q2斷開之後，控制信號CON為低電平，Q2導通，電容器Cl繼續充電，直至三極體Ql再次發生一次和二次擊穿，如此往復。在電阻器R2兩端產生功率脈衝Up，該脈衝可以用來驅動發光設備閃爍、發聲設備間歇性發聲等。本實用新型提供的通過電場的方式取得能量並產生功率脈衝的發生裝置可以驅動發光設備閃爍、發聲設備間歇性發聲等。其特別之處在於採用模擬電子技術的三極體二次擊穿特性來實現脈衝頻率發生功能，同時將電場感應出來的能量加以利用，形成自供能的輸電線路功率脈衝發生裝置。該裝置可用作指示器，例如航空報警燈、信息牌等；也可用於恐嚇動物的發聲器件、橫貫電力線路的標靶等。本實用新型的功率脈衝發生裝置的驅動方法，包括以下步驟步驟一採用雙極板電場感應取電的方式從高壓輸電線路上獲取交流電。該步驟的具體方法為通過在高壓輸電線路與大地之間架設平行於大地的上、下極板構成一電容器C ;高壓輸電線路與大地之間的高壓電場使該電容器C的上、下極板之間產生電壓差U。，其作為功率脈衝驅動電壓。步驟二 將所獲取的交流電通過整流轉化成直流電。步驟三對直流電進行電能存儲，輸出直流電。該步驟的具體方法為對電容器Cl進行充電，將電容器Cl上直流電輸出並作用於MOS管的漏極上。步驟四通過控制單元產生使MOS管導通或關斷的控制信號，從而將輸出的直流電轉化成功率脈衝信號，並將三極體控制在發生二次擊穿但可逆的範圍內。該步驟的具體方法為當電容器Cl存儲的電能達到三極體Ql的二次擊穿電壓時，控制單元延時一定時間後，立即控制MOS管Q2的控制信號CON為高電平，斷開MOS管Q2，使三極體Ql的二次擊穿中斷，即可將三極體Ql的二次擊穿電壓控制在可逆範圍內。步驟五根據輸出的功率脈衝信號驅動負載。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本實用新型的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.一種取電單元，該單元採用電容器C，其特徵在於所述電容器C包括平行於大地、且架設於高壓輸電線路與大地之間的上、下極板。
2.如權利要求I所述的取電單元，其特徵在於將所述上極板連接到高壓交流線路上、下極板懸空，或者將所述高壓輸電線路作為上極板、下極板懸空。
3.一種具有權利要求I或2所述取電單元的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於，該裝置包括取電單元、整流單元、功率脈衝發生單元和控制單元，所述取電單元從高壓輸電線路上獲取交流電，並將其送至整流單元轉化為直流電，功率脈衝發生單元對整流單元發出的直流電進行電能存儲，並根據控制單元所產生的控制信號將直流電轉化成功率脈衝信號後，輸出該功率脈衝信號以驅動負載。
4.如權利要求3所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述整流單元採用整流橋。
5.如權利要求3所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述功率脈衝發生單 元包括儲能單元、脈衝發生與限流單元和脈衝信號輸出單元，所述儲能單元對整流單元發出的直流電進行電能存儲後輸出該直流電至脈衝發生與限流單元；所述脈衝發生與限流單元對直流電進行限流，並將直流電轉化為功率脈衝信號；該功率脈衝信號通過脈衝信號輸出單元輸出，並對負載進行驅動。
6.如權利要求5所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述儲能單元採用電容器Cl。
7.如權利要求5所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述脈衝發生與限流單元包括MOS管和電阻器R3，所述MOS管包括與儲能單元相連的漏極、與三極體的集電極相連的源極以及與電阻器R3相連的柵極。
8.如權利要求5所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述脈衝信號輸出單元包括三極體、與三極體的基極相連的電阻器Rl以及與三極體的發射極相連的電阻器R2，所述電阻器R2兩端產生功率脈衝信號輸出，對負載進行驅動。
9.如權利要求3-8任一項所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於，所述控制單元包括電壓檢測子單元、延時子單元和控制信號輸出子單元，所述電壓檢測子單元包括分壓電阻，所述延時子單元包括定時器，所述控制信號輸出子單元包括控制邏輯電路；所述延時子單元根據電壓檢測子單元所發出的延時啟動信號進行延時處理，並使控制信號輸出子單元啟動，所述控制信號輸出子單元輸出控制信號來中斷三極體的二次擊穿。
10.如權利要求9所述的自供能功率脈衝發生裝置，其特徵在於所述電壓檢測子單元中預存有三極體的二次擊穿電壓，當檢測到電壓檢測子單元的輸入電壓達到三極體的二次擊穿電壓時，便輸出延時啟動信號。
專利摘要本實用新型提出了一種自供能功率脈衝發生裝置及取電單元，其取電單元採用電容器C，該電容器包括平行於大地、且架設於高壓輸電線路與大地之間的上、下極板。本實用新型還提出了一種包括取電單元、整流單元、功率脈衝發生單元和控制單元的自供能功率脈衝發生裝置。該取電單元和功率脈衝發生裝置具有結構簡單、易於實現、成本低廉等優點，此外，該取電單元和發生裝置通過電壓互感方式取能，不存在取能盲區，取能方便，無需外部電源，適用於驅動工作在高壓線路環境中的負載；可應用於高壓輸電線路環境中供電困難的警示燈、標靶等設備上。
文檔編號H02N1/08GK202424569SQ20112051396
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者何凡, 侯克男, 李豔, 楊立新, 趙明飛 申請人:中國電力科學研究院