CN107968584A - 共振阻尼器 - Google Patents

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Abstract

一种共振阻尼器，包括一接受一交流电源输入的谐振电路、一阻尼电容及一电耦接在该谐振电路与该阻尼电容之间的维也纳电桥电路，该维也纳电桥电路接受一脉波讯号控制，而在该脉波讯号的一工作周期，令该谐振电路产生并联谐振，使该谐振电路将耦合自该交流电源的电能储存在其中及该阻尼电容中，并在该脉波讯号的一非工作周期，令该谐振电路产生串联谐振，并于该谐振电路与该阻尼电容之间提供一放电路径，使该谐振电路将储存的电能经由该放电路径输出至该阻尼电容。

Description

共振阻尼器
技术领域
本发明涉及一种共振电路，特别是涉及一种能交替产生并联谐振及串联谐振的共振阻尼器。
背景技术
一般共振电路主要包含并联谐振电路及串联谐振电路，以电容与电感为例，当电容与电感并联时，两者组成的并联谐振电路将自然存在一共振频率，该共振频率会使电感的电抗与电容的电纳大小相同，正负号相反，两者并联后刚好相消，使讯号能量被保存在电感及电容构成的一共振槽(L-C Tank)内，就像是共振腔，需有耦合电路才能把讯号能量导出；而当电容与电感串联时，两者组成的串联谐振电路也会自然存在一与并联谐振电路相同的共振频率，但其与并联谐振电路不同的是，该共振频率会使电容与电感串联而成的阻抗为零，使得存在其中的讯号能量将完全输出至所电连接的一负载电路或接地端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共振阻尼器，其能在运作期间不断地交替产生并联谐振及串联谐振，以将耦合自一电源的讯号能量保存于并联谐振电路中，再由串联谐振电路将讯号能量输出并储存。
本发明一种共振阻尼器，接受一交流电源输入，并包括：一谐振电路，包含一阻尼电感及一电容，该阻尼电感的两端与该交流电源电耦接，该电容的一端与该阻尼电感的一端电耦接；一阻尼电容；及一维也纳电桥电路，其与该谐振电路的该阻尼电感的未与该电容电耦接的另一端、该电容的另一端及该阻尼电容电耦接，并接受一脉波讯号控制，而在该脉波讯号的一工作周期，令该阻尼电感的另一端与该电容的另一端导接形成一并联谐振电路，以将耦合自该交流电源的电能储存在该并联谐振电路及该阻尼电容中，并在该脉波讯号的一非工作周期，令该阻尼电感的另一端与该电容的另一端不导接而形成一串联谐振电路，并提供一放电路径电耦接该串联谐振电路与该阻尼电容，使该串联谐振电路将储存的电能经由该放电路径输出至该阻尼电容。
在本发明的一实施例中，该阻尼电容包含两个串联的无极性电容及一与该两个无极性电容并联的有极性电容；该维也纳电桥电路包含两个与该两个无极性电容并联的二极管电路、两个晶体管开关及一个控制器，该控制器产生并输出该脉波讯号至该两个晶体管开关，以控制该两个晶体管开关导通与否，各该晶体管开关具有一第一端、一第二端、一受控端及一电耦接在该第一端与该第二端之间的飞轮二极管，各该第一端分别与该两个二极管电路对应电耦接，各该第二端与该两个无极性电容的一接点电耦接，各该受控端与该控制器电耦接；当该两个晶体管开关在该工作周期被该控制器控制而同时导通时，将使该阻尼电感与该电容构成该并联谐振电路，而将该阻尼电感耦合自该交流电源的电能储存于该并联谐振电路以及经由该两个二极管电路与该并联谐振电路电耦接的该阻尼电容的其中一个无极性电容，而当该两个晶体管开关在该非工作周期被该控制器控制而同时不导通时，将使该阻尼电感与该电容构成该串联谐振电路，而将该阻尼电感与该电容储存的电能通过由该两个二极管电路及与该两个晶体管开关对应电耦接的飞轮二极管构成的该放电路径，对该阻尼电容的其中另一个无极性电容充电，并由该有极性电容将储存于该两个无极性电容中的电能转换成直流电。
在本发明的一实施例中，上述各该二极管电路包含两个顺向串联于一接点的二极管。
在本发明的一实施例中，上述该有极性电容与一可充电的直流电源并联，以对该直流电源充电。
在本发明的一实施例中，上述该交流电源来自一直流/交流转换器，该直流/交流转换器包含一输入端与该直流电源电连接的直流/交流转换电路，及一与该直流/交流转换电路的输出端电连接的隔离变压器，该直流/交流转换电路将该直流电源转换成该交流电源且输出至该隔离变压器，该隔离变压器的输出端与该阻尼电感电耦接，以将该交流电源提供给该阻尼电感。
在本发明的一实施例中，上述该阻尼电感与该隔离变压器连接的一部分是变压器构造，而其与该电容及该维也纳电桥电路连接的一部分是电感器构造。
本发明的有益的效果在于：借由该维也纳电桥电路控制该谐振电路根据该脉波讯号的控制，不断地交替产生并联谐振及串联谐振，而借由并联谐振将耦合(感应)自交流电源的电能保存在共振槽(腔)及能接受交流电能输入的阻尼电容中，再借由串联谐振将保存在共振槽的电能通过维也纳电桥电路储存至阻尼电容中，且借由阻尼电容将交流电能转换成直流电储存，再由阻尼电容对与其并联的直流电源充电，借此以最低耗能的方式将交流电转成直流电并回存至直流电源中。
附图说明
图1是本发明共振阻尼器的一实施例包含的主要组件及电路方块示意图。
图2是本实施例使用的交流电源及脉波讯号的波形示意图。
图3说明本实施例的脉波讯号的一工作周期用以控制并联谐振，一非工作周期用以控制串联谐振。
图4是本实施例的共振电路形成并联谐振电路的示意图。
图5是本实施例的共振电路形成串联谐振电路的示意图。
图6是本实施例共振阻尼器的细部电路示意图。
图7是本实施例的共振电路形成并联谐振的具体电路及电流流向示意图。
图8是本实施例的共振电路形成串联谐振的具体电路及电流流向示意图。
图9说明本实施例交替产生并联谐振及串联谐振的过程中，输出至阻尼电容的电流累积的示意图。
图10是本实施例的有极性电容对直流电源充电的示意图。
图11说明本实施例采用的直流/交流转换器的交流电源输出端可并联多个共振阻尼器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，是本发明共振阻尼器的一实施例，该共振阻尼器1接受一交流电源Vac输入，并包括一谐振电路11、一阻尼电容CD及一维也纳电桥(Vienna Bridge Rectifier或Vienna Rectifier)电路12；其中交流电源Vac是由一直流电源Vdc，例如可充电电池经由一直流/交流转换器2转换而产生，在本实施例中，交流电源Vac的电压110V，频率60Hz，但不以此为限。
谐振电路11包含一阻尼电感LD及一电容Cr，阻尼电感LD的两端与交流电源Vac的两端电耦接，电容Cr的一端与阻尼电感LD的一端电耦接；维也纳电桥电路12其与谐振电路11的阻尼电感LD的未与电容Cr电耦接的另一端、电容Cr的另一端及阻尼电容CD电耦接，并接受如图2所示的一脉波讯号P控制，而如图3所示，在脉波讯号P的一工作周期D，令阻尼电感LD的另一端与电容Cr的另一端导接形成如图4所示的一并联谐振电路，并使阻尼电容CD与并联谐振电路电耦接，借此将阻尼电感LD耦合自交流电源Vac的电能储存在并联谐振电路及阻尼电感LD中，并在脉波讯号P的一非工作周期U，令阻尼电感LD的另一端与电容Cr的另一端不导接而形成如图5所示的一串联谐振电路，并提供一放电路径电耦接该串联谐振电路与阻尼电容CD，使该串联谐振电路将储存于阻尼电感LD与电容Cr的电能经由该放电路径对阻尼电容CD充电，而由阻尼电容CD将交流的电能转换成直流电并储存；其中脉波讯号P的频率是例如500KHz，但不以此为限。
具体而言，如图6所示，本实施例的直流/交流转换器2包含一输入端与直流电源Vdc电连接的直流/交流转换电路21，及一与直流/交流转换电路21的输出端电连接的隔离变压器22，直流/交流转换电路21接受直流电源Vdc输入，并将其转换成交流电源Vac且输出至隔离变压器22，再通过隔离变压器22将交流电源Vac提供给阻尼电感LD。上述直流/交流转换电路21可以是能将直流电源转换成交流电源输出的任何现有电路。且本实施例的阻尼电感LD是采用中国台湾第M470365U号专利的一种在系统电路中能够产生阻尼功能的电感器，其构造相当于与隔离变压器22连接的一部分是变压器，而与电容Cr及维也纳电桥电路12连接的一部分是电感器，因此阻尼电感LD能够感应(耦合)交流电源Vac的讯号，且会有频率响应而能够承受高频讯号，例如脉波讯号P。有关阻尼电感LD的细节及特性可参阅中国台湾第M470365U号专利。
又具体而言，本实施例的阻尼电容CD包含两个串联于一接点n1并与直流电源Vdc并联的无极性电容Cs1、Cs2及一与直流电源Vdc并联的有极性电容Cp；且维也纳电桥电路12包含两个与所述无极性电容Cs1、Cs2并联的二极管电路13、14，两个晶体管开关Q1、Q2，以及一个控制该两个晶体管开关Q1、Q2导通与否的控制器15，其中各该晶体管开关Q1、Q2具有一第一端(汲极)D、一第二端(源极)S、一受控端(闸极)G，以及一对应电耦接在第一端D与第二端S之间的飞轮二极管D1、D2；而二极管电路13包含两个顺向串联于一接点n2的二极管D3、D4，二极管电路14包含两个顺向串联于一接点n3的二极管D5、D6，且晶体管开关Q1的第一端D与二极管电路13的接点n2电耦接，晶体管开关Q2的第一端D与二极管电路14的接点n3电耦接，且晶体管开关Q1、Q2的第二端S与该两个无极性电容Cs1、Cs2的接点n1电耦接，而其受控端G与控制器15电耦接。且上述的阻尼电容CD是采用中国台湾第M477033U号专利的一种在系统电路中能够产生阻尼功能的电容器，其相关细节及特性可参阅中国台湾第M477033U号专利。
借此，当控制器15输出脉波讯号P至该两个晶体管开关Q1、Q2，使晶体管开关Q1、Q2在脉波讯号P(如图3所示)的工作周期D同时导通时，如图7所示，将使阻尼电感LD与电容Cr构成并联电路，且脉波讯号P的频率已预先设计成该并联电路的共振频率，则该并联电路将产生并联谐振，而将阻尼电感LD耦合自交流电源Vac的电能储存(保存)于阻尼电感LD和电容Cr构成的共振槽(腔)(L-C Tank)内，以及经由该两个二极管电路13、14的二极管D4、D6与该并联谐振电路电耦接的阻尼电容CD的其中一个无极性电容Cs2中，亦即，当并联谐振电路中与接点n1电耦接的端点n4的电位(电压)大于接点n1的电位，并联谐振电路即会对无极性电容Cs2充电，此时储存于并联谐振电路中的电能是以一电流Ir的形式在阻尼电感LD和电容Cr之间来回流动，并在端点n4的电位(电压)大于接点n1时流向无极性电容Cs2(图7中以实线及虚线表示阻尼电感LD耦合过来的电流Ir为正或负时的流向)。
而当该两个晶体管开关Q1、Q2在脉波讯号P(如图3所示)的非工作周期U2同时不导通时，如图8所示，将使阻尼电感CD与电容Cr构成串行电路，且脉波讯号P的频率已预先设计成该串行电路的共振频率，故该串行电路将产生串联谐振，而将储存于阻尼电感CD与电容Cr的电能(即电流Ir)通过由该两个二极管电路13、14的二极管D3、D5及与该两个晶体管开关Q1、Q2对应电耦接的飞轮二极管D1、D2构成的放电路径，对阻尼电容CD的其中另一个无极性电容Cs1充电。
亦即如图8所示，电流Ir可以由二极管电路14的接点n3经由二极管D5、无极性电容Cs1、飞轮二极管D2、阻尼电感CD与电容Cr构成的回路对无极性电容Cs1充电，以及由二极管电路14的接点n2经由二极管D3、无极性电容Cs1、飞轮二极管D1、阻尼电感CD与电容Cr构成的回路对无极性电容Cs1充电。而与无极性电容Cs1、Cs2并联的有极性电容Cp会将储存于该两个无极性电容Cs1、Cs2中的交流电能转换成直流电储存。
借此，如图3所示，谐振电路11将会被脉波讯号P控制而交替产生500K(5万)次并联谐振及串联谐振，而将每次并联谐振时自交流电源Vac耦合的能量储存于由阻尼电感CD与电容Cr构成的共振槽及阻尼电容CD的一无极性电容Cs2中，并借由串联谐振将储存于共振槽中的能量输出至阻尼电容CD的另一无极性电容Cs1中储存，借此，如图9所示，在脉波讯号P的工作周期D期间，从谐振电路11输出至阻尼电容CD的电流将被迅速累积(每秒5万次)在阻尼电容CD内，而使阻尼电容CD的电压(电位)迅速上升而高于直流电源Vdc。因此，如图10所示，储存于阻尼电容CD的电能将通过有极性电容CP对直流电源Vdc充电而回充至直流电源Vdc。
再者，如图11所示，本实施例的直流/交流转换器2的输出端也可视实际应用需求同时并联多个共振阻尼器1，例如若直流/交流转换器2的输出端输出相差120度的A、B、C三相交流讯号，则这三相交流讯号可分别输出至三个共振阻尼器1。
综上所述，上述实施例借由维也纳电桥电路12控制谐振电路11根据脉波讯号P的控制，不断地交替产生并联谐振及串联谐振，而借由并联谐振将耦合(感应)自交流电源Vac的电能保存在共振槽(腔)及能接受交流电能输入的阻尼电容CD中，再借由串联谐振将保存在共振槽的电能通过维也纳电桥电路12储存至阻尼电容CD中，且借由阻尼电容CD将交流电能转换成直流电储存，再由阻尼电容CD对与其并联的直流电源Vdc充电，而以最少耗能的方式将交流电转成直流电，并将电能回存至直流电源Vdc，使直流电源Vdc的续航力获得提升，确实达到本发明的功效与目的。

Claims (6)

1.一种共振阻尼器，接受一交流电源输入，其特征在于：
该共振阻尼器包括：
一谐振电路，包含一阻尼电感及一电容，该阻尼电感的两端与该交流电源电耦接，该电容的一端与该阻尼电感的一端电耦接；
一阻尼电容；及
一维也纳电桥电路，其与该谐振电路的该阻尼电感的未与该电容电耦接的另一端、该电容的另一端及该阻尼电容电耦接，并接受一脉波讯号控制，而在该脉波讯号的一工作周期，令该阻尼电感的另一端与该电容的另一端导接形成一并联谐振电路，以将耦合自该交流电源的电能储存在该并联谐振电路及该阻尼电容中，并在该脉波讯号的一非工作周期，令该阻尼电感的另一端与该电容的另一端不导接而形成一串联谐振电路，并提供一放电路径电耦接该串联谐振电路与该阻尼电容，使该串联谐振电路将储存的电能经由该放电路径输出至该阻尼电容。
2.根据权利要求1所述的共振阻尼器，其特征在于：该阻尼电容包含两个串联的无极性电容及一与该两个无极性电容并联的有极性电容；该维也纳电桥电路包含两个与该两个无极性电容并联的二极管电路、两个晶体管开关及一个控制器，该控制器产生并输出该脉波讯号至该两个晶体管开关，以控制该两个晶体管开关导通与否，各该晶体管开关具有一第一端、一第二端、一受控端及一电耦接在该第一端与该第二端之间的飞轮二极管，各该第一端分别与该两个二极管电路对应电耦接，各该第二端与该两个无极性电容的一接点电耦接，各该受控端与该控制器电耦接；当该两个晶体管开关在该工作周期被该控制器控制而同时导通时，将使该阻尼电感与该电容构成该并联谐振电路，而将该阻尼电感耦合自该交流电源的电能储存于该并联谐振电路以及经由该两个二极管电路与该并联谐振电路电耦接的该阻尼电容的其中一个无极性电容，而当该两个晶体管开关在该非工作周期被该控制器控制而同时不导通时，将使该阻尼电感与该电容构成该串联谐振电路，而将该阻尼电感与该电容储存的电能通过由该两个二极管电路及与该两个晶体管开关对应电耦接的飞轮二极管构成的该放电路径，对该阻尼电容的其中另一个无极性电容充电，并由该有极性电容将储存于该两个无极性电容中的电能转换成直流电。
3.根据权利要求2所述的共振阻尼器，其特征在于：各该二极管电路包含两个顺向串联于一接点的二极管。
4.根据权利要求2所述的共振阻尼器，其特征在于：该有极性电容与一可充电的直流电源并联，以对该直流电源充电。
5.根据权利要求4所述的共振阻尼器，其特征在于：该交流电源来自一直流/交流转换器，该直流/交流转换器包含一输入端与该直流电源电连接的直流/交流转换电路，及一与该直流/交流转换电路的输出端电连接的隔离变压器，该直流/交流转换电路将该直流电源转换成该交流电源且输出至该隔离变压器，该隔离变压器的输出端与该阻尼电感电耦接，以将该交流电源提供给该阻尼电感。
6.根据权利要求5所述的共振阻尼器，其特征在于：该阻尼电感与该隔离变压器连接的一部分是变压器构造，而其与该电容及该维也纳电桥电路连接的一部分是电感器构造。
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