Устройство трансформации величины постоянного напряжения

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как радиоэлектронное и электротехническое устройство для повышения величины напряжения постоянного тока. Технический результат направлен на обеспечение преобразования первичного напряжения электростатического поля во вторичное напряжение электростатического поля без применения индукционных магнитных преобразователей в виде трансформаторов и дросселей. Технический результат достигается тем, что устройство трансформации величины постоянного напряжения, содержащее первичную цепь с входными клеммами, преобразователь постоянного первичного напряжения источника питания во вторичное постоянное напряжение, и вторичную цепь с выходными клеммами, при этом преобразователь содержит резистор, конденсатор двухэлектродный, конденсатор одноэлектродный в виде полой двустенной емкости, внутри которой расположен конденсатор двухэлектродный, прерыватель тока, соединенный с конденсаторами, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и резистором, соединенным с общей входной клеммой, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и входной клеммой, генератор импульсов напряжения, содержащий три электрических прерывателя, соединенный с входными клеммами, три реле, соединенные к входной клемме через электрические прерыватели генератора импульсов, соединенные магнитомеханической связью с прерывателями тока и имеющие контактные прерыватели в цепях друг друга, при этом вторичная цепь дополнительно содержит накопитель электрического заряда, соединенный со вторичными клеммами, последовательно соединенные стабилитрон и резистор, соединенные параллельно с накопителем и второй стабилитрон, соединенный с накопителем и внешней стенкой одноэлектродного конденсатора. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронной и электротехнической промышленностям и может быть использовано как радиоэлектронное и электротехническое устройство для повышения величины напряжения постоянного тока.

Известен трансформатор постоянного напряжения, содержащий преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение и электрический фильтр [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. школа, 1973. 749 с.].

В известном трансформаторе с помощью преобразователя из постоянного напряжения формируется переменное напряжение, которое с помощью индукционного трансформатора переменного тока преобразуется по величине, которое выпрямляется выпрямителем и сглаживается электрическим емкостным фильтром. Недостатком известного устройства является принципиальная необходимость в преобразовании электрической энергии постоянного тока в магнитную энергию, а затем обратно в электрическую энергию, в необходимости наличии индукционного трансформатора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство трансформации величины постоянного первичного напряжения одной величины в постоянное вторичное напряжение другой величины, содержащее первичную цепь с входными клеммами, преобразователь напряжения и вторичную цепь с выходными клеммами [Патент на изобретение Российской Федерации RU 2267218. От 07.12.2004. / Авторы: Александров В.А. (RU); Гокин С.П. (RU); Кокорин Ю.Я. (RU); Ткалич В.В. / Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" / 2004.07.12].

[Патент на изобретение Российской Федерации RU 2267218. От 07.12.2004. / Авторы: Александров В.А. (RU); Гокин С.П. (RU); Кокорин Ю.Я. (RU); Ткалич В.В. / Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор", 2004].

Известное устройство трансформации величины постоянного напряжения требует использования преобразователя напряжения постоянного тока в переменное напряжение, индукционного трансформатора с магнитопроводом и с электрическими обмотками, выпрямителя электрического тока и электрического фильтра.

Недостатком известного способа является необходимость преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию изменяющегося электрического поля, затем в энергию изменяющегося магнитного поля, далее снова в энергию изменяющегося вихревого электрического поля, которая преобразуется в энергию электростатического поля с постоянным вторичным напряжением. Это создает аппаратурные сложности.

Технический результат направлен на упрощение устройства преобразования величины постоянного напряжения преобразованием первичного напряжения электростатического поля во вторичное напряжение электростатического поля без применения индукционных магнитных преобразователей в виде трансформаторов и дросселей.

Технический результат достигается тем, что устройство трансформации величины постоянного напряжения, содержащее первичную цепь с входными клеммами, преобразователь постоянного первичного напряжения источника питания во вторичное постоянное напряжение и вторичную цепь с выходными клеммами, при этом преобразователь содержит резистор, конденсатор двухэлектродный, конденсатор одноэлектродный в виде полой двустенной емкости, внутри которой расположен конденсатор двухэлектродный, прерыватель тока, соединенный с конденсаторами, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и резистором, соединенным с общей входной клеммой, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и входной клеммой, генератор импульсов напряжения, содержащий три электрических прерывателя, соединенный с входными клеммами, три реле, соединенные к входной клемме через электрические прерыватели генератора импульсов, соединенные магнитомеханической связью с прерывателями тока и имеющие контактные прерыватели в цепях друг друга, при этом вторичная цепь дополнительно содержит накопитель электрического заряда, соединенный со вторичными клеммами, последовательно соединенные стабилитрон и резистор, соединенные параллельно с накопителем и второй стабилитрон, соединенный с накопителем и внешней стенкой одноэлектродного конденсатора.

На фигуре 1 приведен один из вариантов схемы предлагаемого устройства трансформации величины постоянного напряжения.

На фигуре 2 приведена схема последовательности коммутации контактов реле K1, К2, К3, К4 при заряде конденсатора С2.

Устройство трансформации величины постоянного напряжения (далее - трансформатор) содержит последовательно соединенные резистор R1, прерыватель тока К2.1, конденсатор двухэлектродный С1, прерыватель тока К4.1, конденсатор одноэлектродный С2 в виде полой емкости, внутри которой расположен конденсатор двухэлектродный С1 и прерыватель К4.1 (на схеме К4.1 вынесен за пределы емкости С2). Второй обкладкой одноэлектродного конденсатора являются окружающие детали и корпус прибора. Конденсатор С1 выполнен из двух проводящих внешней 2 и внутренней 3 стенок, соединенных друг с другом, и установлен на изоляторе 1. Независимо от степени заряженности одноэлектродного конденсатора С2 любое количество заряда, подведенное на зарядоносителе к внутренней стенке 3, переходит на внешнюю поверхность стенки 2 емкости С2, увеличивая потенциал конденсатора (электрода). К конденсатору С1 и к прерывателю К4.1 соединены последовательно прерыватель тока К3.1, выключатель S1 и источник эдс Е1, соединенный одним полюсом с S1 (например, положительным), а другим полюсом (отрицательным) с резистором R1, то есть с землей. Вторичная цепь устройства преобразования постоянного напряжения содержит конденсатор С3 в виде электрохимического накопителя и диод или стабилитрон VD1, через который конденсатор С3 соединен к внешней поверхности емкости С2. Заряд с внешней поверхности С2 стекает через диод в электрохимический накопитель С3. В качестве диода VD1 может быть использован стабилитрон. Величина вторичного напряжения задается стабилитроном VD2, соединенным параллельно с накопителем С3. Для защиты стабилитрона последовательно с ним соединяется резистор R3.

Прерыватели тока К2.1, К3.1 и К4.1 могут быть выполнены в бесконтактном виде с помощью электронных приборов: транзисторов диодов и тиристоров. В приведенной схеме для простоты и наглядности использованы контактные прерыватели, управляемые с помощью магнитоэлектрических реле.

Прерыватели тока К2.1, К3.1 и К4.1 управляются с помощью реле соответственно К2, К3 и К4. Для обеспечения необходимой последовательности переключения прерывателей К2.1, К4.1 и К3.1 схема содержит генератор электрических импульсов напряжения в виде реле К1 с контактами К1.1, К1.2, К1.3 и К1.4, а реле К2, К3, К4 снабжены: контактами К2.2, К4.2, К4.3 и К3.2. Период и последовательность переключения прерывателей К1.2, К1.3 и К1.4 формируются с помощью генератора напряжения, а именно, параметров реле К1, конденсатора С4 и резистора К2.

Принцип действия трансформатора заключается в физическом эффекте расположения электрических зарядов на наружной поверхности проводящих материалов. Все заряды, подводимые к внутренней поверхности, переходят на внешнюю поверхность по причине их притяжения противоположными зарядами окружающего пространства и отсутствия электростатического поля внутри металла.

Устройство работает следующим образом. При замыкании ключа S1 и нормально замкнутом контакте К1.1 реле К1 замыкает контакты К1.2 и К1.3 и размыкает контакт К1.4. Вследствие этого реле К2 и К3 включают контакты К2.1. Разомкнутый контакт К1.4 отключает реле К4 и контакт К4.1 остается разомкнутым. Источник эдс Е1 по цепи S1 - К3.1 - C1 - R1 - Е1 заряжает конденсатор С1 до напряжения U1=Е1. Время зарядки τ=R1 С1 меньше, чем время замкнутого состояния контакта К1.1, меньше полупериода переключений реле К1. После некоторого периода реле К1 размыкает свой контакт К1.1, обесточивает свою обмотку и размыкает контакты сначала К1.3, затем К1.2, и далее отпускает и замыкает контакт К1.4. Такая последовательность в магнитоэлектрических реле осуществляется длиной хвостовиков размыкателей, связанных с якорьком реле К1. В электронных реле это можно осуществлять элементами задержки или сдвигом импульсов. Вследствие этого реле К2 и К3 размыкают контакты сначала К3.1, а затем К2.1 и далее реле К4 замыкает контакт К4.1. При этом конденсаторы С1 и С2 оказываются соединенными друг с другом и отсоединенными от схемы. Правая (на чертеже) пластина конденсатора С1 разряжается на внутреннюю стенку 3 конденсатора С2, и заряд с внутренней стенки выходит на внешнюю поверхность наружной стенки 2. С внешней поверхности заряд распределяется через диод VD1 и на конденсатор (накопитель) С3.

Через некоторое время, после разряда конденсатора С4 через R2 и реактивное сопротивление X_LK1 катушки реле К1, реле К1 отпускает контакт К1.1, который замыкается, включая в действие реле К1. Схема переходит в следующий период действия, описанного выше. Контакты К1.4 размыкаются, реле К4 отключается и размыкает контакты К4.1, отключая емкость С2 от емкости С1.

В результате каждого периода в емкость С3 вводится порция заряда и емкость заряжается до потенциала, заданного стабилитроном VD2. Для защиты стабилитрона соединяется последовательно с ним резистор R3.

Контакты К2.2, К3.2, К4.2 и К4.3 предназначены для обеспечения последовательности срабатывания реле К2, К3, К4 в последовательности переключения контактов в течение одного периода (взятого в скобки): - разм. К4.1 - (зам. К2.1 - зам. К3.1 - разм. К3.1 - разм. К2.1 - зам. К4.1 - разм. К4.1) - зам. К2.1 -, где «зам.» - замыкание, «разм.» - размыкание контактов. Контакты К2.2, К3.2, К4.2 и К4.3 предотвращают возможную другую последовательность коммутации в приведенном периоде. На фигуре 2 показана последовательность коммутации графически, и отмечены временные сдвиги начала и окончания замкнутых состояний контактов, которые реализуются ходом хвостовиков якорьков реле.

Такая последовательность обеспечивает следующее. Контакты К4.1, К2.1, К3.1 разомкнуты - схема готова к работе. Зам. К2.1 - левая пластина С1 заземляется; зам. К3.1 - заряжается С1; разм. К3.1 - конденсатор С1 заряжен, при этом на правой пластине имеется избыточный заряд, левая пластина заземлена и нейтральная; разм. К2.1 - обе пластины заряженного конденсатора С1 приобретают средний потенциал, равный потенциалу С2; зам. К4.1 - при равенстве средних потенциалов левой пластины С1 и внутренней стенки С2 избыточный заряд С1 переходит на внешнюю поверхность внешней стенки 2; разм. К4.1 - схема готова ко второму периоду.

При зарядке конденсатора С1 электрические заряды из источника эдс с низким потенциалом переносятся в зону высокого потенциала внутрь С2. Так как С1 соединен с Е1 и R1, то источник создает внутри стенки 2 зону заниженного потенциала, равного U₁=Е1. После заряда конденсатора С1 после размыкания К3.1 и замкнутом К2.1 потенциал левой пластины равен нулю, потенциал правой пластины С2 равен Е1, а потенциал стенок 2 и 3 равен U₂. После размыкания контактов К2.1 конденсатор С1 остается в электрическом поле внутренней стенки С2 с потенциалами ±U₁/2. При замыкании контактов К4.1 средний потенциал конденсатора повышается до U₂, потенциал левой стенки становится U₂-U₁/2, потенциал правой стенки U₂+U₁/2. Работа по повышению потенциала конденсатора С1 совершается магнитным полем реле К4 при замыкании контактов. Заряд конденсатора С1 с низкого уровня потенциала переносится на потенциал более высокого уровня (U₂) в результате работы контактов реле. После замыкания заряд правой пластины переходит в конденсатор С2 согласно упомянутому физическому процессу распределения зарядов на внешних поверхностях.

Вторичное напряжение U₂ получается зарядкой конденсатора (накопителя) С3. Величина напряжения задается каким-либо ограничителем заряда. В схеме использован наиболее распространенный ограничитель, стабилитрон.

Сопоставительный анализ показал, что в предлагаемом изобретении упрощается как физический процесс трансформации электростатического напряжения, так и аппаратура, исключением магнитных цепей.

Технико-экономическое обоснование на предлагаемое изобретение «Устройство трансформации величины постоянного напряжения»

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять преобразование электростатического напряжения одной величины напрямую в электростатическое напряжение другой величины без дополнительных преобразований в магнитную энергию и вихревую электрическую. Преимуществом предлагаемого устройства является отсутствие магнитных цепей в устройстве преобразования, отсутствие выпрямителей, фильтров, преобразователя постоянного напряжения в переменное.

Устройство трансформации величины постоянного напряжения, содержащее первичную цепь с входными клеммами, преобразователь постоянного первичного напряжения источника питания во вторичное постоянное напряжение и вторичную цепь с выходными клеммами, отличающееся тем, что преобразователь содержит резистор, конденсатор двухэлектродный, конденсатор одноэлектродный в виде полой двустенной емкости, внутри которой расположен конденсатор двухэлектродный, прерыватель тока, соединенный с конденсаторами, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и резистором, соединенным с общей входной клеммой, прерыватель тока, соединенный с конденсатором двухэлектродным и входной клеммой, генератор импульсов напряжения, содержащий три электрических прерывателя, соединенный с входными клеммами, три реле, соединенные с входной клеммой через электрические прерыватели генератора импульсов, соединенные магнитомеханической связью с прерывателями тока и имеющие контактные прерыватели в цепях друг друга, при этом вторичная цепь дополнительно содержит накопитель электрического заряда, соединенный со вторичными клеммами, последовательно соединенные стабилитрон и резистор, соединенные параллельно с накопителем и второй стабилитрон, соединенный с накопителем и внешней стенкой одноэлектродного конденсатора.