Заряд конденсатора и устройство управления зарядом

Полезная модель относится к электротехнике и электронике и может быть использована при производстве оксидных (электролитических) конденсаторов, а также конденсаторов других видов, в частности ионисторов, суперконденсаторов (ультраконденсаторов) и др.

Технической задачей является повышение надежности и безопасности работы электрического конденсатора, возможность контроля работоспособности конденсатора и параметров внутренней среды, уменьшение стоимости и массо-габаритных показателей системы в цепях электропитания.

Конденсатор, содержащий корпус, крышку, пакет обкладок и выводы, согласно предложенной полезной модели, дополнительно снабжен системой датчиков параметров внутренней и внешней среды конденсатора и устройством управления зарядкой конденсатора, размещенным внутри конденсатора и подключенным к системе датчиков, к выводам конденсатора и осуществляющим оптимальную регулировку рабочих режимов конденсатора в зависимости от параметров внутренней и внешней среды конденсатора, регистрируемых системой датчиков. Кроме того, устройство управления включает, по меньшей мере, один контроллер зарядного тока и контроллер управления, связанный с контроллером зарядного тока, может быть дополнительно снабжено схемой измерения параметров конденсатора и схемой сигнализации о работоспособности конденсатора. Устройство управления может быть размещено внутри корпуса или в днище корпуса конденсатора, в крышке, в стенке или у стенки конденсатора, либо под пакетом обкладок.

Техническим результатом является обеспечение оптимального режима работы конденсатора с помощью устройства управления (УУ), интегрированного в конденсатор, что позволяет повысить надежность и безопасность работы электрического конденсатора в цепях электропитания.

Полезная модель относится к электротехнике и электронике и может быть использована при производстве оксидных (электролитических) конденсаторов, а также конденсаторов других видов, в частности ионисторов, суперконденсаторов (ультраконденсаторов) и др.

В настоящее время все известные устройства управления (УУ) зарядкой конденсатора реализованы вне корпуса конденсатора. [Фролов А. Ограничение тока зарядки конденсатора в сетевом выпрямителе. - Радио, 2001, 12, с.38, 39, 42., Мурадханян Э. Ограничение тока зарядки конденсатора сетевых выпрямителей. - Радио, 2004, 10, с.35-36. и др].

К существенным недостаткам известных конденсаторов с внешним устройством управления зарядкой относится потенциальная невозможность контроля работоспособности и параметров внутренней среды конденсатора. При внешней реализации устройств управления существенно ухудшаются массо-габаритные показатели систем электропитания и надежность, возрастает стоимость.

Известно устройство для зарядки накопительного конденсатора, содержащее содержит статический преобразователь постоянного напряжения в переменное с тиристорами, подключенными к концам первичной обмотки силового трансформатора, а также мост с первым линейным дросселем, вентилями с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, двумя вспомогательными конденсаторами и вторым линейным дросселем.. Управление тиристорами преобразователя осуществляется с помощью задающего генератора. Накопительный конденсатор включен в диагональ моста. (Патент РФ 2020734, МПК H03K 3/53, опубл. 30.09.1994 г.)

Недостатками известного устройства являются полное отсутствие контроля режимов работы конденсатора, невозможность оптимизации уровня зарядного тока, отсутствие адаптивного управления режимом работы конденсатора, невозможность учета как внутренних, так и внешних параметров среды, оказывающих непосредственное влияние на надежность и безопасность работы конденсатора в цепи.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности и безопасности работы электрического конденсатора, возможность контроля работоспособности конденсатора и параметров внутренней среды, уменьшение стоимости и массо-габаритных показателей системы в цепях электропитания.

Поставленная техническая задача решается тем, что конденсатор, содержащий корпус, крышку, пакет обкладок и выводы, согласно предложенной полезной модели, дополнительно снабжен системой датчиков параметров внутренней и внешней среды конденсатора и устройством управления зарядкой конденсатора, размещенным внутри конденсатора и подключенным к системе датчиков, к выводам конденсатора и осуществляющим оптимальную регулировку рабочих режимов конденсатора в зависимости от параметров внутренней и внешней среды конденсатора, регистрируемых системой датчиков.

Заявляемая полезная модель характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:

- устройство управления включает, по меньшей мере, один контроллер зарядного тока и контроллер управления, связанный с контроллером зарядного тока и формирующий с помощью контроллера тока оптимальный режим работы конденсатора;

- устройство управления дополнительно снабжено схемой измерения параметров конденсатора;

- устройство управления дополнительно снабжено схемой сигнализации о работоспособности конденсатора;

- устройство управления размещено внутри корпуса конденсатора;

- устройство управления размещено в крышке конденсатора;

- устройство управления размещено в стенке конденсатора;

- устройство управления размещено у стенки конденсатора;

- устройство управления размещено в днище корпуса конденсатора;

- устройство управления размещено под пакетом обкладок.

Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков, является обеспечение оптимального режима работы конденсатора с помощью устройства управления (УУ), интегрированного в конденсатор, что позволяет повысить надежность и безопасность работы электрического конденсатора в цепях электропитания.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком, где на фиг.1 представлен вариант схемы размещения устройства управления внутри конденсатора;

на фиг.2 представлен вариант схемы размещения устройства управления в крышке конденсатора;

на фиг.3 представлен вариант схемы размещения устройства управления в стенке конденсатора;

на фиг.4 представлен вариант пристеночного размещения устройства управления в конденсаторе;

на фиг.5 представлен вариант схемы размещения устройства управления в днище конденсатора;

на фиг.6 представлен вариант схемы размещения устройства управления под рулоном в конденсаторе;

на фиг.7 представлена блок-схема устройства управления.

Рисунки на фиг.1-6 содержат следующие позиции:

1 - корпус конденсатора;

2 - устройство управления;

3 - система датчиков;

4 - рулон (обкладки конденсатора);

5 - крышка конденсатора;

6 - выводы.

Схема устройства управления на фиг.7 содержит следующие позиции:

7 - конденсатор;

8, 9 - контроллер зарядного тока (варианты)

10 - система датчиков внутренней среды конденсатора

11 - система датчиков внешней среды конденсатора,

12 - контроллер управления

13, 14 - датчики тока (варианты).

Ток зарядки конденсаторов, если не предпринимать никаких мер, в момент включения источника питания может достигать сотен ампер. Такие броски опасны для конденсаторов и нередко приводят к их преждевременному выходу из строя [Фролов А. Ограничение тока зарядки конденсатора в сетевом выпрямителе. - Радио, 2001, 12, с.38, 39, 42.].

К устройству управления, ограничивающему ток зарядки конденсатора например, сетевого выпрямителя (наиболее часто встречающего на практике), обычно предъявляют следующие требования: при небольшой потребляемой мощности и отсутствии крупногабаритных элементов должна быть обеспечена полная зарядка конденсатора за время не более нескольких секунд при амплитуде импульсов тока, не превышающей допустимой величины. Простые способы решения этой задачи оказываются неоптимальными. Поэтому для решения этой задачи можно использовать микроконтроллер (однокристальная микроЭВМ).

Одним из главных критериев оптимальности величины зарядного тока является температура внутри конденсатора. Известно, что при превышении определенного уровня температуры внутри конденсатора происходит быстрое старение или разрушение диэлектрика, в то же время конденсатор может длительное время работать при температурах ниже некоторой критической. Поэтому, важно не только абсолютное значение температуры, но и время работы конденсатора [Веденеев Г.М., Зенченко А.Н., Токарев А.Б. Силовые биполярные транзисторы при работе в ключевых режимах. - М.: Изд-во МЭИ, 1992.]. Отсюда вытекает, что регулировка тока в процессе зарядки конденсатора в реальном времени повысит надежность и безопасность работы электрического конденсатора. Очевидно, что расположение системы управления отдельно от конденсатора резко увеличит сложность контроля параметров внутренней среды конденсатора и потребует дополнительных линий связи с датчиками расположенными внутри конденсатора.

Конденсатор (фиг.1) включает корпус 1 и пакет 4, свернутый в рулон алюминиевых обкладок конденсатора с оксидным диэлектриком.

В упрощенном виде, без корпуса, электролитический (оксидный) конденсатор представляет собой две алюминиевые ленты толщиной 50100 мкм, между которыми проложена специальная бумага, пропитанная электролитом. На одной из обкладок (аноде) электрохимически сформирован очень тонкий слой оксида алюминия (0,15 мкм), который является диэлектриком и обладает свойствами односторонней проводимости. Физически роль второй обкладки выполняет электролит, который непосредственно контактирует с оксидной пленкой, а другая алюминиевая лента фактически является лишь токоотводом. К этим ленточным обкладкам присоединяются проволочные выводы 6. Ленты сворачиваются в рулон 4, и все это помещается в герметичный корпус 1. Благодаря очень малой толщине диэлектрика и большой площади обкладок оксидные конденсаторы при малых габаритах имеют большую емкость [Журнал Радиомир, Измерение ESR конденсаторов 2012, 3, _с.26-29.].

Конденсатор дополнительно снабжен устройством управления 2 зарядкой конденсатора, осуществляющим оптимальную регулировку рабочих режимов конденсатора в зависимости от параметров внутренней и внешней среды, контролируемых системой датчиков 3.

В устройстве управления (фиг.7) датчики контроля параметров среды, в частности тока, напряжения, температуры, давления, влажности и др., (показаны на фиг.7 позиции 10, 11, 13, 14) подключены к контроллеру управления 12, связанному с контроллерами 8 и 9, осуществляющими регулирование режимов работы конденсатора 7. Устройство управления питается от цепи зарядки конденсатора и/или автономного источника питания.

Устройство управления также может выполнять функции сигнализации работоспособности конденсатора, а также мониторинга электрических характеристик конденсатора, если будет дополнено схемой измерения параметров конденсатора (емкость, ESR, tg, ток утечки) и схемой сигнализации о работоспособности конденсатора, например, световой, радио, звуковой и др.

Устройство управления зарядкой конденсатора может быть размещено внутри корпуса конденсатора (фиг.1); в крышке конденсатора (фиг.2); в стенке конденсатора (фиг.3); у стенки конденсатора (фиг.4); в днище корпуса конденсатора (фиг.5), под пакетом обкладок (рулоном) в конденсаторе (фиг.6).

Устройство управления реализовано на дискретных элементах и/или в интегральном исполнении с помощью технологии микро- и/или нано электроники [http://www.superfonarik.ru/Akkumulyatory-zaryadnye-ustroistva/Akkumulyator-Soshine-18650-3100mAch-zashishennyi--564.html].

Устройство управления может быть реализовано на современной элементной базе, например, на микроконтроллерах фирм Atmel, Microship и дискретных элементах выполненных по технологии SMD, либо потребуется разработка специализированных микроконтроллеров, если это будет экономически целесообразно. В качестве контроллеров тока могут быть использованы источники тока (управляемые - с установленным током для зарядки конденсатора, так регулируемые с помощью микроконтроллера), например низковольтные и высоковольтные интегральные стабилизаторы, (отечественные серии K142EH12 (низковольтные) и зарубежные серии HV9910 (высоковольтные) [М.Евсиков Универсальные стабилизаторы тока HV9910 и HV9910B, журнал Радио, 2012, 5, с.45-47].

1. Конденсатор, содержащий корпус, крышку, пакет обкладок, выводы, отличающийся тем, что дополнительно снабжен системой датчиков параметров внутренней и внешней среды конденсатора и устройством управления зарядкой конденсатора, размещенным внутри конденсатора и подключенным к системе датчиков, к выводам конденсатора и осуществляющим оптимальную регулировку рабочих режимов конденсатора в зависимости от параметров внутренней и внешней среды конденсатора, регистрируемых системой датчиков.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления включает, по меньшей мере, один контроллер зарядного тока и контроллер управления, связанный с контроллером зарядного тока и формирующий с помощью контроллера тока оптимальный режим работы конденсатора.

3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления дополнительно снабжено схемой измерения параметров конденсатора.

4. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления дополнительно снабжено схемой сигнализации о работоспособности конденсатора.

5. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено внутри корпуса конденсатора.

6. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено в крышке конденсатора.

7. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено в стенке конденсатора.

8. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено у стенки конденсатора.

9. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено в днище корпуса конденсатора.

10. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что устройство управления размещено под пакетом обкладок.