RU2770864C1 - Capacitor resonant charging device - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device for resonant charging of a capacitor belongs to the field of electrical engineering and converter technology and can be used to power impulse loads. The invention solves the technical problem of charging a capacitor to a voltage several times higher than the voltage of the power source and reducing the charging time. The device includes a power source, a transistor connected in series with it, an inductance and a capacitor. A recharge inductance and a diode are connected in parallel with the capacitor.

EFFECT: due to the recharging of the capacitor to a voltage of the opposite sign, the charge current amplitudes increase in magnitude from cycle to cycle, thereby increasing the energy transferred to the capacitor from cycle to cycle and reducing the capacitor charge time.

1 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания импульсных нагрузок.The invention relates to the field of electrical engineering and converter technology and can be used to power impulse loads.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство для резонансного заряда конденсатора (Патент РФ №2734903, 26.10.2020 «Устройство для резонансного заряда конденсатора»), включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Резонансный заряд состоит из нескольких циклов заряда-перезаряда конденсатора, напряжение на котором растет от цикла к циклу, в несколько раз превысит двойное напряжение-источника питания. Форма напряжения на конденсаторе - пилообразная. Когда оно достигнет заданного значения, ограничивающий транзистор 6 закрывается, последний цикл состоит только из интервала перезарядки конденсатора через источник питания. Заряженный конденсатор разряжается на физическую нагрузку. Это устройство принимается за прототип. В прототипе наличие ограничивающего транзистора в цепи перезаряда усложняет схему управления, а отсутствие перезаряда конденсатора в последнем цикле несколько снижает на нем величину напряжения.A device for the resonant charge of a capacitor is known (RF Patent No. 2734903, 10/26/2020 "Device for the resonant charge of a capacitor"), which includes a power source capacitor, to which a transistor, an inductance and a capacitor connected in series are connected, and in parallel with the capacitor, series-connected recharge inductance and limiting transistor. The resonant charge consists of several charge-recharge cycles of the capacitor, the voltage on which increases from cycle to cycle, several times higher than the double voltage of the power source. The voltage on the capacitor is sawtooth. When it reaches the set value, the limiting transistor 6 closes, the last cycle consists only of the interval for recharging the capacitor through the power supply. The charged capacitor is discharged to the physical load. This device is taken as a prototype. In the prototype, the presence of a limiting transistor in the recharge circuit complicates the control circuit, and the absence of a capacitor recharge in the last cycle somewhat reduces the voltage on it.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей изобретения является заряд конденсатора до напряжения в несколько раз превышающего напряжение источника питания, причем полярность напряжения на конденсаторе противоположна полярности напряжения источника питания.The technical objective of the invention is to charge the capacitor to a voltage several times higher than the voltage of the power source, and the polarity of the voltage across the capacitor is opposite to the polarity of the voltage of the power source.

Для этого предлагается устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и диод, второй вывод которого подключен ко второй обкладке конденсатора.To do this, a device for resonant charging of a capacitor is proposed, including a power source capacitor to which a transistor, an inductance and a capacitor connected in series are connected, and in parallel with the capacitor, a series-connected recharge inductance and a diode are connected, the second output of which is connected to the second plate of the capacitor.

Описание фигур.Description of the figures.

Фиг. 1. Упрощенная схема прототипа.Fig. 1. Simplified layout of the prototype.

1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 5 - перезарядная индуктивность, 6 - ограничивающий транзистор, Un - напряжение источника питания.1 - power supply capacitor, 2 - transistor, 3 - inductance, 4 - capacitor, 5 - recharge inductance, 6 - limiting transistor, Un - power supply voltage.

Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 5 и ограничивающий транзистор 6.The device for resonant charging of a capacitor consists of a power supply capacitor 1, with which a transistor 2, an inductance 3, a capacitor 4 are connected in series, a recharge inductance 5 and a limiting transistor 6 are connected in parallel with it.

Фиг. 2. Временные диаграммы напряжений и токов.Fig. 2. Timing diagrams of voltages and currents.

U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение управления ограничивающим транзистором 6, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 5, Uc - напряжение на конденсаторе 4.U1 is the control voltage of transistor 2, U2 is the control voltage of limiting transistor 6, i1 is the current flowing through inductance 3, i2 is the current flowing through recharge inductance 5, Uc is the voltage across capacitor 4.

Фиг. 3. Устройство для резонансного заряда конденсатора. 1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 5 - перезарядная индуктивность, 7 - диод.Fig. 3. A device for the resonant charge of a capacitor. 1 - power supply capacitor, 2 - transistor, 3 - inductance, 4 - capacitor, 5 - recharge inductance, 7 - diode.

Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 5 и диод 7.The device for resonant charging of a capacitor consists of a power source capacitor 1, with which a transistor 2, an inductance 3, a capacitor 4 are connected in series, with a recharge inductance 5 and a diode 7 connected in parallel.

Фиг. 4. Временные диаграммы напряжений и токов.Fig. 4. Timing diagrams of voltages and currents.

U1 - напряжение управления транзистором 2, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 5, Uc - напряжение на конденсаторе 4.U1 is the control voltage of transistor 2, i1 is the current flowing through inductance 3, i2 is the current flowing through recharge inductance 5, Uc is the voltage across capacitor 4.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 4), на которых: U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - , текущий через перезарядную индуктивность 5, Uc - напряжение на конденсаторе 4. Первоначально напряжение на конденсаторе относительно «земли» равно нулю. В момент времени t=0 открываются транзистор 2, происходит первоначальный заряд конденсатора квази синусоидальным импульсом тока по цепи 1, 2, 3, 4. Ток протекает и по цепи перезарядная индуктивность 5 и диод 7, но он намного ниже зарядного тока через конденсатор 4, так как величина перезарядной индуктивности 5 в несколько раз больше индуктивности 3. После снижения зарядного тока до нуля и закрытия транзистора 2 (t1) положительно заряженный конденсатор 4 перезаряжается через перезарядную индуктивность 5 и диод 7 до отрицательного напряжения, более чем в два раза превышающего напряжение источника питания. В момент t2 открывается транзистор 2, напряжения источника питания и конденсатора складываются, импульс зарядного тока выше, соответственно выше и увеличение напряжения на конденсаторе при этом цикле. Второй цикл заканчивается в момент t4, при этом напряжение на конденсаторе 4 увеличится по сравнению с первым циклом. После нескольких циклов заряд-перезаряд напряжение на конденсаторе в несколько раз превысит двойное напряжение источника питания и приблизится к требуемому значению.The principle of operation of the device is illustrated by timing diagrams (Fig. 4), in which: U1 - control voltage of transistor 2, U2 - voltage, i1 - current flowing through inductance 3, i2 - flowing through recharge inductance 5, Uc - voltage across capacitor 4 Initially, the voltage on the capacitor relative to the "ground" is zero. At the time t=0, transistor 2 opens, the capacitor is initially charged by a quasi-sinusoidal current pulse through circuit 1, 2, 3, 4. The current also flows through the circuit, recharge inductance 5 and diode 7, but it is much lower than the charging current through capacitor 4, since the value of the recharge inductance 5 is several times greater than the inductance 3. After the charging current is reduced to zero and the transistor 2 (t1) is closed, the positively charged capacitor 4 is recharged through the recharge inductance 5 and diode 7 to a negative voltage, more than twice the source voltage nutrition. At the moment t2, transistor 2 opens, the voltages of the power supply and the capacitor are added, the charging current pulse is higher, respectively, and the increase in the voltage across the capacitor during this cycle is also higher. The second cycle ends at time t4, and the voltage across the capacitor 4 will increase compared to the first cycle. After several charge-recharge cycles, the voltage on the capacitor will be several times higher than the double voltage of the power source and will approach the required value.

Когда оно достигнет заданного значения, транзистор 2 закрывается, происходит перезарядка конденсатора через перезарядную индуктивность 5 и диод 7 (tn+1-tn+2). Заряженный до заданного отрицательного напряжения конденсатор разряжается на физическую нагрузку.When it reaches the set value, the transistor 2 closes, the capacitor is recharged through the recharge inductance 5 and diode 7 (tn+1-tn+2). The capacitor charged to a predetermined negative voltage is discharged to a physical load.

Расчеты показывают, что при индуктивности 3 - L=0,1 Гн, перезарядной индуктивности 5 - L=0,7 Гн, конденсаторе 4 - С=1Ф после шестого цикла напряжение на конденсаторе 4 без перезаряда его через перезарядную индуктивность 5 превысит напряжение источника питания в 10,4 раза, а при перезаряде через перезарядную индуктивность 5 напряжение на конденсаторе 4 превысит напряжение источника питания в -10.88 раз, т.е. на 4,6%.Calculations show that with inductance 3 - L=0.1 H, recharge inductance 5 - L=0.7 H, capacitor 4 - C=1F after the sixth cycle, the voltage on capacitor 4 without recharging it through recharge inductance 5 will exceed the voltage of the power source 10.4 times, and when recharging through the recharge inductance 5, the voltage on the capacitor 4 will exceed the voltage of the power source by -10.88 times, i.e. by 4.6%.

Claims (1)

Устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому последовательно подключены транзистор, индуктивность и конденсатор, к точке подключения индуктивности и конденсатора параллельно подключена перезарядная индуктивность, отличающееся тем, что последовательно с перезарядной индуктивностью включен диод, второй вывод которого подключен ко второй обкладке конденсатора.A device for resonant charging of a capacitor, including a power source capacitor to which a transistor, an inductance and a capacitor are connected in series, a recharge inductance is connected in parallel to the connection point of the inductance and capacitor, characterized in that a diode is connected in series with the recharge inductance, the second output of which is connected to the second plate capacitor.

Images