CN1155180A - 脉冲变压的电容技术 - Google Patents

Abstract

脉冲变压的电容技术是一种交直流电路中的变压技术，同时又是一种简便地产生高低压大功率脉冲电流的技术。它由多个电容器配以开关元件和开关电路，以及开关信号的特有选择方法而构成。其实施成型物称之为电容变压器。电容变压器体积小、重量轻、工艺简单易行、节能，可用于种种家电、工业装置、医疗设备和通讯设施，使这些产品更新换代，具备高效化、微型化等特点而占据传统产品的市场。

Description

脉冲变压的电容技术

本发明是交直流电路中一项完全新型的变压技术，同时又是一项大功率脉冲的产生技术。

现有的带工频变压器的开关电源电路，可称之为脉冲变压的互感技术，其线路结构如附图(1)所示。其缺点是：一.工频变压器的结构随频率而变，工艺要求苛刻，体积和重量随频率的降低而加大；二.高次谐波的辐射不可避免，功率越大频率越高，此种辐射越厉害，损人健康。

本发明利用多个电容器，配以开关元件和开关电路，组成了电容转换器，用以代替互感技术中的互感变压器，再加上专有的开关信号处理技术，构成了脉冲变压的电容技术。电容技术的实施成形物的整体，可称为电容变压器。电容变压器与互感变压器都遵从相同的变压公式：

    V₁I₁＝V₂I₂因为电容变压器输出的是足够纯洁的工频电流，因此电容变压器，也是一个大功率脉冲电流发生器。

附图(2)和(3)是电容技术的方框图，分为升压技术和降压技术。图中，W₁为降压转换器，W₂为升压转换器，它们的内部结构，示于图(4)和图(5)。

从图中可以看出W₂W₂的核心是电容器。W₁中有n+1个，n+1是所降电压的倍数；W₂中有n个，n是所升电压的倍数。

W₁的功能是：当向它充电时，AB两点间等于充电电压V，当充完电并去除充电电压后，AB两点间的电压立即降为V/(n+1)。为什么会这样？因为充电时，D₁₁，D₁₂……D_1n；D₂₁，D₂₂……D_2n等n个D_1n和n个D_2n均处于截止状态，D₁，D₂……D_n等n个D_n均处于导通状态。因此，n+1个电容便呈现串联状态。而当充完电并除去充电电压，则n个D_1n和n个D_2n即变截止为导通，而n个D_n则变导通为截止。因此，n+1个电容便立即改串联为并联。串联充电后并联放电，那么，充放电电压电流的关系不言而喻。

W₂的功能是：当向它充电时，AB两点和CD两点间均是输入电压V(略去D₁₁和D_2n的管压降)。当除去充电电源时，AB间电压化为零，CD间电压则升高到接近nV。为了实现这种升压，可令n-1个Q_n，于充电时截止，于放电时导通。W₂中的电容器于充电时并联，于放电时串联。

W₁和W₂中所有的D为单向导电性元件，Q为晶体管或真空管，C为电容器。

方框图中的K₁和K₂是电子开关，为实现上述转换器的连续工作而设。因此，当K₁打开，K₂应关闭。相反，当K₁关闭，K₂应打开。在升压技术中，还要求W₂中的n-1个Q的开关动作与K₂同步。

脉冲变压的电容技术有如下优点：

一.由电容器把输入端的能量转送到输出端，除开关元件消耗小部份能量外，别无其它损耗，因此较之利用互感变压器更节能；

二.变压过程不产生任何高次谐波，堪称为高效高灵敏度的脉冲功率放大器，因此，脉冲变压的电容技术有极其广泛的应用，包括种种家电、工业装置、医疗设备、通讯设施等等，均可以利用它来更新产品，使产品微型化；

三.体积小、重量轻、工艺简单、安全可靠。

下面列举种种应用中的几种：

一.电容电焊机：用降压技术把市电降至40-60伏，便可作为电焊机使用。因为改变输出电压和功率，只须改变转换器中电容器的个数。因此，电容电焊机极易做到一机多能，适应种种焊接要求。更何况小巧玲珑、节能、不产生伤人的谐波辐射。

二.超声波、电火花形成机：因为电子开关K₁K₂的功率可任意设计，而即使是大功率，对开关信号的功率依然是低要求。因此，可随意改变电容变压器的输出电流的频率和频率成份，适应不同工业装置的要求。

三.各种精度的直流电源：只要按功率要求选用转换器中电容器的容量，则可做到。在所需电流变化范围内，输出电压稳定不变。因此，该控制的仅仅是输入电压的浮动。故极易实现高精度的稳压。

四.电磁灶与微波炉：电磁灶若改用降压的电容变压器提供脉冲电流，微波炉若改用升压的电容变压器代替现有微波炉中的高压变压器，则不但可大大降低成本，而且工艺变得简单易行。

五.调频广播电台和微波发射装置：所有大功率发射装置，为使有足够发射功率，末级功放均采用丙类放大，这不但使功放管易损坏，且效率低，提高发射功率不容易。采用电容技术则不必丙类放大，发射功率只与电子开关的功率以及转换器中电容器的容量有关，因此，大功率电台可微型化。

六.高压发生器：例如X光机电源、臭氧发生器、静电喷漆、…均需要功率较大的高压电源。常规的产生高压的方法除对所用元件极苛求外，工艺也麻烦。但使用电容技术的升压技术则刚好相反，因转换器中所有电容处于串联放电状态。且直流输出时，K₂只须用耐高压的二极管就可以了。

实践证明，脉冲变压的电容技术存在最佳的实施方式。下面以电容电焊机作为降压技术的实施例，直流倍压器作为升压技术的实施例，藉以显示这种实施方式。

附图(6)是电容电焊机电路原理图。

在图(6)中，D₁D₂D₃D₄组成桥式整流电路，D₁和D₃又充当电子开关K₁。此电路中用了二个电容变压器，一个作用于交流电正半周，一个作用于负半周，其目的是把会引致触电事故的火线与输出端隔离开。正半周的K₂由Q₁Q₂Q₃组成，这三个晶体管按达林顿方式连接，故也可用一个PNP型达林顿代替。负半周的K₂由Q₄Q₅组成，也可用一个NPN型的这林顿代替。W₁和W₂是两个完全相同的n+1＝8的降压转换器，L₁L₂是二个电感线圈，绕在同一个铁芯上。它们有共同的次级线圈L₀用作风冷电机的供电线圈。D₉D₁₀是Q₁和Q₄的保护二极管。因为正负半周这二个变压器的输出端，按正与正，负与负并接在一起，输出电流难免互相倒灌。L₃和L₄用于限制放电时瞬间电流过大，也用于作输出端短接时的交流负载。它们也绕在同一铁芯上。

先说明正半周电容变压器的工作过程。

当交流电的正半周开始，电流便经过D₁W₁D₂使W₁充电。因为还有电流从D₅流向L₁，故通过D₁后进入Q₃的发射结，再通过D₇D₁的电流不能发生，因此，Q₃得不到偏流，故整个PNP型达林顿处于关闭状态。当负半周到来，通过D₁和D₅的电流没有了，于是，W₁上大约40V的直流电，立即穿越Q₃的发射结，通过D₇R₁流向L₁，即Q₃已经获得偏置电流，于是PNP型达林顿随之饱和导通，即K₂已被打开。因此，正半周这个电容变压器，于正半周时充电，于负半周时放电。K₁(即D₁)和K₂(即Q₁Q₂Q₃)按前述方式打开和关闭。

负半周的电容变压器工作过程与正半周完全相同。所不同的只是：于负半周充电，于正半周放电。其中的L₂，于正半周时作为Q₅的上偏置使用。

因此，电容电焊机的输出端出现大约40V100HZ的单向脉冲电压。Q₁Q₄的功率越大，W₁W₂的电容器容量越大，输出电流也越大。其实，图(6)不只可作电焊机。上述的许多种应用，均可使用这个电路。这个电路的特点，除采用电容转换器外，就是K₁K₂开关信号的选取方法。实践证明，最佳选取方法应当是：

1.K₁的开关信号：当输入为交流电时，取交流电的变化规律作为开关信号，所需的其它频率信号，可加插在K₂的开关信号中；当输入为直流电时，则所需的开关信号由另设的振荡器或开关电路产生；

2.K₂的开关信号：最好以转换器上方的A点相对于B点的电位变化规律作为开关信号，其它频率信号可加插在这个信号的包络之中。图(6)中K₁K₂的信号就是按这种方法选取的：因输入是交流电，故K₁(即D₁和D₃)以50HZ作开关信号，当A点或C点的电压降至低于40伏，开关K₂(即达林顿)便打开。

附图(7)是直流倍压器的原理图。

图中虚线方框中，就是n＝2的升压转换器，M₁M₂为二个光电耦合器，其中三极管部分用作Q₄Q₅的上偏置，发光管部分则串联起来，由流过Q₃的电流来点亮。Q₁Q₂组成多谐振荡器。Q₂还作为电子开关K₁使用。开关K₂则由Q₅承担。这个电路输出的是脉冲电流，若需直流，可把Q₅M₂去掉，换为一个二极管，再在输出端加接一个电解电容器。

这个电路中K₁K₂所需开关信号，按上述最佳选取方法选取。这表现在，A点相对于B点的电位变化规律，被二极管D₁引用作Q₃的开关信号。也表现在，K₁的开关信号由多谐振荡器提供。因输入为直流电。

Claims (2)

1.脉冲变压的电容技术包括二个可以分开单独使用的内容：

(1).用电容转换器实现交直流电压电流的互相转变，其变化关系遵从变压公式，转换器的功能的特点是：串联充电并联放电(降压技术)和并联充电串联放电(升压技术)，转换器中的元件D，是指一切具有单向导电性的元件，转换器中的Q，是指一切可以产生开关作用的元件。

(2).用于特设的开关电路的特有开关信号处理方法，这种方法最主要之点是在转换器A端取开关K₂的开关信号，然后，别的需要加入而尚未加入的信号可包络于这个信号之中。

2.利用权利要求1可以制作出种种新产品。新产品和传统产品的区别是：新产品中出现电容变压器的结构。

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