CN102545688A - 一种功率脉冲发生装置、其驱动方法以及高压线取电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种功率脉冲发生装置、其驱动方法以及高压线取电方法，装置包括取电单元、整流单元、功率脉冲发生单元和控制模块。本发明还提出了一种功率脉冲驱动方法包括：从高压输电线路上获取交流电；将所获取的交流电转化成直流电；对直流电进行电能存储，输出直流电；产生用于使MOS管导通或关断的控制信号，从而使输出的直流电转化成功率脉冲信号；根据输出的功率脉冲信号驱动负载。该功率脉冲发生装置和驱动方法具有结构简单、易于实现、成本低廉等优点，该装置和方法通过电压互感方式取能，不存在取能盲区，取能方便，无需外部电源，适用于驱动工作在高压线路环境中的负载；可应用于高压输电线路环境中供电困难的警示灯、标靶等设备上。

Description

一种功率脉冲发生装置、其驱动方法以及高压线取电方法

技术领域

本发明属于输电线路功率脉冲发生领域，具体涉及一种自供能功率脉冲发生装置、该装置的功率脉冲驱动方法以及高压输电线路取电方法。

背景技术

迄今为止，在功率脉冲发生装置中，绝大部分都是应用数字电子技术(逻辑门电路、555定时器以及单片机等)来产生固定频率的脉冲，从而驱动负载来进行工作。但在一些应用领域中，这种应用数字电子技术的功率发生装置有时会出现电路过于复杂从而导致成本过高等问题。

另外，对于高压输电线路上的功率脉冲发生装置，目前比较常用的取能方式主要有高压电流感应、电池和激光传输能量等。但是，现有的取能方式仍存在诸多弊端。例如：电流感应取能装置需要较大的启动电流，电池和激光传输能量的取能方式存在成本较高等问题。

因此，迫切需要本领域技术人员开发出一款可以自己供能、构造简单、成本低廉的功率脉冲发生装置。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种构造简单，成本低廉的自供能功率脉冲发生装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种自供能功率脉冲发生装置，该装置包括：

取电单元，用于从高压输电线路上获取交流电；

整流单元，用于将取能单元所获取的交流电转化成直流电；

功率脉冲发生单元，用于对直流电进行电能存储，并根据控制模块所产生的控制信号将直流电转化成功率脉冲信号后，输出功率脉冲信号驱动负载；和

控制模块，用于产生使MOS管导通或关断的控制信号。

进一步地，所述取电单元可采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上获取交流电，所述双极板电场感应取电的方法如下：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压，该电压即为取电单元所获取的交流电。

进一步地，所述整流单元可以采用整流桥。

进一步地，所述功率脉冲发生单元可包括：

储能单元，用于对直流电进行电能存储；

脉冲发生与限流模块，用于将直流电转化为功率脉冲信号，同时对直流电进行限流；和

脉冲信号输出模块，用于产生功率脉冲信号输出，并对负载进行驱动。

进一步地，

所述储能单元可包括：电容器C1，用于存储电能，并将其自身的电压直接作用于脉冲发生与限流模块；

所述脉冲发生与限流模块可包括：MOS管，用于将电容器C1作用于MOS管漏极上的直流电转化为功率脉冲信号；和电阻器R3，用于对直流电进行限流；

所述脉冲信号输出模块可包括：三极管、与三极管基极相连的电阻器R1和与三极管发射极相连的电阻器R2，在电阻器R2的两端产生功率脉冲信号输出，用来驱动负载。

进一步地，所述控制模块可包括：

电压检测子模块，用于接收施加在三极管集电极上的电压VC作为该子模块的输入电压，对该输入电压进行检测并输出延时启动信号；

延时子模块，用于根据所接收的延时启动信号来进行延时处理，并使控制信号输出子模块启动；和

控制信号输出子模块，用于输出控制信号来中断三极管的二次击穿。

进一步地，所述电压检测子模块中可预存有三极管的二次击穿电压，当检测到电压检测子模块的输入电压达到三极管的二次击穿电压时，便输出延时启动信号。

本发明的另一目的在于提出一种能够自己供能、操作简单的功率脉冲驱动方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，从高压输电线路上获取交流电；

步骤二，将所获取的交流电转化成直流电；

步骤三，对直流电进行电能存储，输出直流电；

步骤四，产生用于使MOS管导通或关断的控制信号，从而使输出的直流电转化成功率脉冲信号；

步骤五，根据输出的功率脉冲信号驱动负载。

进一步地，所述步骤一中获取交流电的方法可如下：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压。

进一步地，所述步骤三的具体方法可如下：对电容器C1进行充电，将电容器C1上直流电输出并作用于MOS管的漏极上。

进一步地，所述步骤四的具体方法可如下：当电容器C1两端的电压达到二次击穿电压时，进行延时处理，延时后立即控制MOS管的控制信号为高电平，断开MOS管，使三极管的二次击穿中断，即将三极管的二次击穿电压控制在可逆范围内。

本发明的再一目的在于提出一种通过在高压线路上设置电容器来通过电场感应获取电源的高压输电线路取电方法，该取电方法包括如下步骤：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压。

进一步地，所述电容器C与高压输电线路采用下述任一种方法进行连接：

1)将上极板直接连接到高压交流线路上，下极板悬空；

2)直接将高压输电线路作为上极板，下极板悬空。进一步地，所述电容器C上所分得的电压

其中，UL为高压输电线路的相电压，Z_c为电容器C的容抗，Z_cd为下极板与大地之间产生的电容Cd的容抗。

本发明的一种或多种实施例的有益效果是：

1、该发生装置和驱动方法具有结构简单、易于实现、成本低廉等优点，可适用于驱动工作在高压线路环境中的负载；可应用于高压输电线路环境中供电困难的警示灯、标靶等设备上，无需外部电源，克服了该环境中供电困难的问题。

2、本发明的取电方法及利用该取能方法获取交流电的发生装置和驱动方法，通过电压感应的方式取能，克服了现有技术中通过电流感应获取能量方式存在盲区在电流较小时设备无法工作的缺点，不但不存在取能盲区，而且取能方便。

附图说明

图1是本发明功率脉冲发生装置的实施例结构框图；

图2是取电单元的输入连接及电容分压原理实施例示意图；

图3是控制模块的实施例原理框图；

图4是本发明功率脉冲发生装置的一个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的功率脉冲发生装置、驱动方法和取电方法做进一步的详细说明。

本发明采用模拟电子技术的三极管二次击穿技术，设计了一种功率脉冲发生装置。即利用三极管的二次击穿特性，通过对三极管二次击穿进行适当控制，在确保不使三极管失效或损坏的前提下，实现电压向脉冲信号的转换，从而驱动相应负载。

本发明的功率脉冲发生装置是采用模拟电子技术进行设计的，即利用三极管二次击穿技术，来实现脉冲发生功能。其发生频率的高低，可由取电电容器和电路内部各个模拟器件的参数来决定。选择不同的参数匹配，就会有相应频率的信号发生。(随着三极管集电极和发射极之间电压的增大，集电极电压增大到某一临界值时，集电极和发射极两端的电压突然减小，集电极电流急剧增大，出现负阻效应，这就是三极管二次击穿。通常认为三极管的二次击穿是不可逆的，可能会造成器件的永久性损坏。即集电极和发射极之间电压高于二次击穿电压时，集电极和发射极之间电压突然减小，集电极电流急剧增大，导致三极管的不可恢复的、永久性的损坏)。二次击穿在大部分情况对三极管是有害的，但本发明通过合理选择模拟器件参数，并对三极管的二次击穿进行适当控制，从而把发生二次击穿的程度控制在不使三极管失效或不对其造成损伤的水平。下面对本发明的功率脉冲发生装置的具体实现过程进行详细描述。

图1示出了本发明的功率脉冲发生装置的实施例结构框图，其包括取能单元、整流单元、功率脉冲发生单元和控制模块四部分，各部分的具体结构和功能如下：

1.取电单元

取电单元可以作为独立的自供能单元应用于各种位于高压输电线路附近的环境中，也可以作为本发明功率脉冲发生装置的输入端，主要负责从高压线路周边电场取得能量，所有的后级单元使用的能量都是从取电单元得到的。取电单元可由电容器C组成。

如图2所示，电容器C被置于高压交流线路上，一种方式是上极板1直接连接到高压交流线路上，下极板2悬空；也可以直接将高压交流线路作为上极板1，下极板2悬空。这里，可以把下极板2对地视作一个电容器，其电容标记为Cd，如图2中所示。

由于电容在通过交流电时有容抗，根据电容分压原理，电容器C上可以分得一定的电压U_c。从高压输电线路上取电的方法，包括如下步骤：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压，通过公式

求得电压差U_c，其中，UL为高压输电线路的相电压，Z_c为电容器C的容抗，Z_cd为下极板与大地之间产生的电容Cd的容抗。

本实施例通过在高压线路附近设置电容器C，将聚集在电容器C的两个极板上的能量进行收集，并通过相应处理，来为后级电路提供电源。

该取电单元采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上取能，为功率脉冲发生装置提供电源。采用此方法取能，将使功率脉冲发生装置的供电不受环境限制，即使在任何封闭环境或露天环境下只要有稳定的电压，采用电场感应方式的自供能单元就能持续供给稳定的能量。其工作原理在于：无论高压线路中电流如何变化，其电压都稳定不变，所以通过在高压线路和大地之间架设两个平行于大地的上、下极板构成一个电容器C，高压线与大地之间的高压电场将使此电容器C的两极之间产生足够的电压差U_c，从而为本发明的功率脉冲发生装置供电。

2.整流单元

整流单元的作用是将取能单元(即电容器C)所获取的交流电转化为直流电，为后级的功率脉冲发生单元提供能量。该整流单元可由整流桥D1组成，但不局限于此。

上面所述的取电单元和整流单元可以采用如图4左侧虚线框中所示的一种实施方式，但并不局限于此。

3.功率脉冲发生单元

功率脉冲发生单元采用功率脉冲的方式取得电能供用电设备使用。该单元的主要作用是将整流单元转换后的直流电进行电能存储，并转化成功率脉冲信号的形式输出。其可以采用如图4右侧虚线框中所示的一种实施方式，但并不局限于此。

功率脉冲发生单元可包括储能单元、脉冲发生与限流模块和脉冲信号输出模块。

储能单元可由电容器C1组成，其用于存储电能、并将其自身的电压直接作用于MOS管Q2的漏极。脉冲发生与限流模块可由MOS管Q2和电阻器R3组成，MOS管用于将直流电转化为功率脉冲信号，该MOS管具有漏极、源极和栅极：其漏极与电容器C1的一端连接、电容器C1的另一端接地；其源极与三极管Q1的集电极相连；其栅极与用于对直流电进行限流的电阻器R3的一端连接、电阻器R3另一端连接控制信号输出子模块的输出端(CON)。脉冲信号输出模块可由两个电阻器R1、R2和三极管Q1组成，三极管具有集电极、基极和发射极：其集电极上的电压VC作为控制模块的输入电压且该集电极与MOS管的源极相连；其基极与偏置电阻器R1的一端连接、偏置电阻器R1的另一端接地；其发射极与电阻器R2的一端连接、电阻器R2的另一端接地，电阻器R2具有稳定工作点的作用，并在电阻器R2的两端产生功率脉冲信号输出，用来驱动负载。

4.控制模块

控制模块的主要功能是对功率脉冲发生单元提供保护和控制。如图3所示，控制模块可由电压检测子模块、延时子模块和控制信号输出子模块三个部分组成，电压检测子模块可以由精密分压电阻构成，延时子模块可以由定时器构成，输出信号输出子模块可以由控制逻辑电路组成，该控制模块不但可以采用上述各器件实现，还可通过其他软件或硬件方式实施，只要功能与各子模块相同，均在本发明的保护范围内。电压检测子模块接收加在图4中三极管Q1集电极上的电压VC作为其输入电压VC，并对其进行检测，当检测到输入电压达到预先存储的三极管Q1的二次击穿电压时，输出使延时子模块延时一定时间的信号，延时子模块接收到该信号后，延时一定时间后使控制信号CON为高电平，并通过控制信号输出子模块输出控制MOS管Q2的控制信号CON，从而断开MOS管Q2，中断三极管Q1的二次击穿，以防止Q1烧毁。其中，电压检测子模块中预先存储有三极管Q1的二次击穿电压。

图4示出了本发明的功率脉冲发生装置一个实施例的电路图。取电电容器C从高压交流输电线路获得电能，上、下极板间产生交流电压U_c，经整流桥D1整流后，对电容器C1进行充电，电容器C1上的电压直接作用于MOS管Q2的漏极。此时，控制信号CON为低电平，MOS管Q2处于导通状态，当电容器C1持续充电，电压值达到三极管Q1的一次击穿电压时，Q1发生一次击穿，电容器C1继续充电，当电压值达到Q1的二次击穿电压时，三极管Q1发生二次击穿，控制模块延时一定时间后立即控制CON信号为高电平，断开MOS管Q2，使Q1二次击穿中断(由图3的控制模块实现)，此时一个脉冲输出完成。一定时间后电容器C1上电荷基本泄放为0，所以C1两端电压急剧下降至基本为0伏(只要电路各器件参数选取合适，C1两端的电压完全可以基本下降至0伏)。MOS管Q2断开之后，控制信号CON为低电平，Q2导通，电容器C1继续充电，直至三极管Q1再次发生一次和二次击穿，如此往复。在电阻器R2两端产生功率脉冲Up，该脉冲可以用来驱动发光设备闪烁、发声设备间歇性发声等。

本发明提供的通过电场的方式取得能量并产生功率脉冲的发生装置可以驱动发光设备闪烁、发声设备间歇性发声等。其特别之处在于采用模拟电子技术的三极管二次击穿特性来实现脉冲频率发生功能，同时将电场感应出来的能量加以利用，形成自供能的输电线路功率脉冲发生装置。该装置可用作指示器，例如：航空报警灯、信息牌等；也可用于恐吓动物的发声器件、横贯电力线路的标靶等。

本发明还提供一种功率脉冲驱动方法，包括以下步骤：

步骤一：采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上获取交流电。

该步骤的具体方法为：通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，其作为功率脉冲驱动电压。

步骤二：将所获取的交流电通过整流转化成直流电。

步骤三：对直流电进行电能存储，输出直流电。

该步骤的具体方法为：对电容器C1进行充电，将电容器C1上直流电输出并作用于MOS管的漏极上。

步骤四：通过控制模块产生使MOS管导通或关断的控制信号，从而将输出的直流电转化成功率脉冲信号，并将三极管控制在发生二次击穿但可逆的范围内。

该步骤的具体方法为：当电容器C1存储的电能达到三极管Q1的二次击穿电压时，控制模块延时一定时间后，立即控制MOS管Q2的控制信号CON为高电平，断开MOS管Q2，使三极管Q1的二次击穿中断，即可将三极管Q1的二次击穿电压控制在可逆范围内。

步骤五：根据输出的功率脉冲信号驱动负载。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种自供能功率脉冲发生装置，其特征在于，该装置包括：

取电单元，用于从高压输电线路上获取交流电；

整流单元，用于将取能单元所获取的交流电转化成直流电；

功率脉冲发生单元，用于对直流电进行电能存储，并根据控制模块所产生的控制信号将直流电转化成功率脉冲信号后，输出功率脉冲信号以驱动负载；和

控制模块，用于产生使MOS管导通或关断的控制信号。

2.如权利要求1所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于：所述取电单元采用双极板电场感应取电的方式从高压输电线路上获取交流电，所述双极板电场感应取电的方法如下：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c即为取电单元所获取的交流电。

3.如权利要求1所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于：所述整流单元采用整流桥。

4.如权利要求1-3任一项所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于，所述功率脉冲发生单元包括：

储能单元，用于对直流电进行电能存储；

脉冲发生与限流模块，用于将直流电转化为功率脉冲信号，同时对直流电进行限流；和

脉冲信号输出模块，用于产生功率脉冲信号输出，以驱动负载。

5.如权利要求4所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于：

所述储能单元包括：

电容器C1，用于存储电能，并将其自身的电压直接作用于脉冲发生与限流模块；

所述脉冲发生与限流模块包括：

MOS管，用于将电容器C1作用于MOS管漏极上的直流电转化为功率脉冲信号；和

电阻器R3，用于对直流电进行限流；

所述脉冲信号输出模块包括：

三极管、与三极管基极相连的电阻器R1和与三极管发射极相连的电阻器R2，在电阻器R2的两端产生功率脉冲信号输出，用来驱动负载。

6.如权利要求1-3任一项所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于，所述控制模块包括：

电压检测子模块，用于接收施加在三极管集电极上的电压VC作为该子模块的输入电压，对该输入电压进行检测并输出延时启动信号；

延时子模块，用于根据所接收的延时启动信号来进行延时处理，并使控制信号输出子模块启动；和

控制信号输出子模块，用于输出控制信号来中断三极管的二次击穿。

7.如权利要求6所述的自供能功率脉冲发生装置，其特征在于：所述电压检测子模块中预存有三极管的二次击穿电压，当检测到电压检测子模块的输入电压达到三极管的二次击穿电压时，便输出延时启动信号。

8.一种功率脉冲驱动方法，其特征在于：

步骤一，从高压输电线路上获取交流电；

步骤二，将所获取的交流电转化成直流电；

步骤三，对直流电进行电能存储，输出直流电；

步骤四，产生用于使MOS管导通或关断的控制信号，从而使输出的直流电转化成功率脉冲信号；

步骤五，根据输出的功率脉冲信号驱动负载。

9.如权利要求8所述的功率脉冲驱动方法，其特征在于，所述步骤一中获取交流电的方法如下：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压。

10.如权利要求8所述的功率脉冲驱动方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：

对电容器C1进行充电，将电容器C1上直流电输出并作用于MOS管的漏极上。

11.如权利要求8-10任一项所述的功率脉冲驱动方法，其特征在于，所述步骤四的具体方法如下：

当电容器C1两端的电压达到二次击穿电压时，进行延时处理，延时后立即控制MOS管的控制信号为高电平，断开MOS管，使三极管的二次击穿中断，即将三极管的二次击穿电压控制在可逆范围内。

12.一种高压输电线路取电方法，其特征在于，该取电方法包括如下步骤：

通过在高压输电线路与大地之间架设平行于大地的上、下极板构成一电容器C；

高压输电线路与大地之间的高压电场使该电容器C的上、下极板之间产生电压差U_c，该电压差U_c作为功率脉冲驱动电压。

13.如权利要求12所述的高压输电线路取电方法，其特征在于：所述电容器C与高压输电线路采用下述任一种方法进行连接：

1)将上极板直接连接到高压交流线路上，下极板悬空；

2)直接将高压输电线路作为上极板，下极板悬空。

14.如权利要求12或13所述的高压输电线路取电方法，其特征在于：所述电容器C上所分得的电压

其中，UL为高压输电线路的相电压，Z_c为电容器C的容抗，Z_cd为下极板与大地之间产生的电容Cd的容抗。

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