CN215344048U - 一种谐振充电的电鞭炮驱动器及电鞭炮 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种谐振充电的电鞭炮驱动器及电鞭炮，所述电鞭炮驱动器包含谐振电路，谐振电路包含谐振变压器，谐振变压器初级与谐振电容和谐振电感串联，然后接逆变电路输出端；谐振变压器次级接整流电路输入端，整流电路输出端与储能电路相连，储能电路包含储能电容；储能电路输出端直接接到电鞭炮上，或通过放电调控电路接到电鞭炮上。对应电鞭炮由多个爆竹单体并联在导线上组成。也可在驱动器上增设牵引机构，对应上述电鞭炮导线换成牵引线。本申请将谐振充电技术应用在了电鞭炮这种功率只有几百瓦的场合，能够提高驱动器电容充电速度，提高变压器的利用率,有利于驱动器小型化，轻量化。

Description

一种谐振充电的电鞭炮驱动器及电鞭炮

技术领域

本发明属于电气装置领域，具体涉及一种谐振充电的电鞭炮驱动器及电鞭炮。

背景技术

传统的鞭炮利用火药提供爆炸的能量，然而这种传统的鞭炮在生产、运输、使用环节都存在安全隐患，因此逐渐发展出了电鞭炮产品，如专利2018112902870所示的电爆竹就是能够实现该目标一种有效方法。

电鞭炮使用电容放电的方式能够模拟传统火药鞭炮的声、光效果。电容释放能量的速度快，能够产生剧烈的闪光和声响，是传统鞭炮的良好替代品。为电鞭炮爆炸提供能量的部件为电鞭炮的驱动器，其核心器件包括储能电容器，但是对于电容规格的选择，以及在电容快速充电的方法上仍然没有一致的认识。

对于电容规格的选择问题，由电容储能能量大小的公式可知，电容储能大小与电容容值和电容电压都有关系，在相同存储能量下，可以选择大电容低电压方案，也可以选择小电容高电压方案。由于电容放电，使用高电压小电容的方案，其放电时间更短，瞬时功率更大，因此本申请主要针对该方案，电容电压一般都超过1kV。

在电容充电问题上，可以使用基于LC谐振的恒流充电电路，但是这种电路一般用于几十千瓦，甚至兆瓦功率级别的场合，目前在电鞭炮装置上没有应用，也没有报道；这种场合下充电功率只有几百瓦，与这种电路的常用场合有极大的区别。

综上所述，本申请针对电鞭炮驱动器中小电容高电压的电容充电问题，提出将谐振充电技术应用在电鞭炮领域。

发明内容

为了提高电鞭炮产品充电速度，本申请使用谐振充电技术，将其应用于电鞭炮领域，设计了电鞭炮驱动器产品，并针对这种电鞭炮驱动器，提出了电鞭炮设计方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述电鞭炮驱动器包含谐振电路，谐振电路包含谐振变压器，谐振变压器初级与谐振电容和谐振电感串联，然后接逆变电路输出端；谐振变压器次级输出高压交流电至整流电路输入端，整流电路输出高压直流电至储能电路，储能电路包含储能电容；储能电路输出端直接接到电鞭炮上，或通过放电调控电路接到电鞭炮上。

放电调控电路的目的在于对放电波形进行调控，如在放电电路串联磁开关陡化放电前沿，在放电电路串联电阻增加电路阻尼防止震荡，设计电感、二极管电路对放电波尾能量进行回收等，这些都是现有的技术。

电路固有的串联谐振频率由谐振电容和谐振电感决定，电路工作的频率一般小于串联谐振频率的一半，此时电路工作在断续模式，开关处于软开关状态，开关损耗小。

电路工作的频率也可以高于串联谐振频率的一半，甚至高于串联谐振频率，此时电容能够起到隔离直流分量的作用，也可以补偿变压器的输入漏感。

进一步地，所述谐振变压器额定输出电压低于充电电压，充电电压指电容充电的目标电压。由于电鞭炮驱动器的工作功率一般只有几百瓦，电容容量相对较小，充电时会发生过充现象，因此使谐振变压器的额定输出电压低于充电电压，一般为充电电压的95%以下。

考虑到过充的问题，可以在装置中增加控制器，当测量到储能电容电压高于设定值，控制器控制逆变电路停止逆变。也可以增加储能电容耐压值，这样即使过充也不会因为储能电容上电压太高而损坏储能电容。

进一步地，所述谐振电感可以为谐振变压器的漏感，也就是说如果谐振变压器的漏感大小满足要求，可以用漏感代替谐振电感器件。

进一步地，所述谐振变压器初级并联有并联谐振电容，也可以实现谐振充电。

一种谐振充电的电鞭炮驱动器对应的电鞭炮，其特征在于，所述电鞭炮包含爆竹单体，爆竹单体通过导线并联后接电鞭炮驱动器。所述的爆竹单体的爆竹壳体内部有电极，电极之间有间隙，间隙的击穿低于充电电压。

进一步地，电极间有弹簧，在爆竹单体爆炸后使电极间隙增加。其工作方法为：将电鞭炮接到电鞭炮驱动器上。直流电源的直流电通过逆变电路被转化为交流电，通过谐振电路转化为高压交流电，再通过整流电路转化为高压直流电，给储能电路上的储能电容充电，储能电容的电压会直接施加在所有的爆竹单体的电极上。随着储能电容的电压升高，逐渐接近爆竹单体电极的击穿电压，爆竹单体中某一个电极间隙会首先承受不住耐压而发生击穿，储能电容放电，能量在爆竹单体内积聚，挤爆爆竹壳体从而产生爆炸效果，爆竹壳体爆炸后，塑料弹簧将电极弹开，增加了电极之间的间距，使该爆竹单体击穿电压显著升高。然后储能电容再次充电，剩下爆竹单体中再次有某个爆竹单体爆炸。重复上述过程，实现爆竹依次爆炸的效果。

进一步地，所述驱动器还可以加入可牵引绳索运动的牵引机构。如采用一个能够旋转的卷筒，通过让线绕在卷筒上，并让卷筒旋转，即可使绳索运动。或者使用摩擦轮，通过摩擦绳索使其运动,并设置一个回收舱回收收回的线。或者使用一个绕静止卷筒旋转的旋转盘，在旋转盘上开孔，让绳索穿过圆孔，旋转盘绕静止卷筒旋转时，即可将线卷绕在静止卷筒上。

进一步地，当有牵引机构时，一种谐振充电的电鞭炮驱动器对应的电鞭炮，其特征在于，所述电鞭炮包含轨道，轨道内部有裸露的接触器，牵引线从轨道内穿过，牵引线为一端有裸露的导体、其余部位被牵引线绝缘覆盖的导线；轨道的接触器接爆竹单体的一端，爆竹单体的另一端接导线上；牵引线和导线连接到驱动器，并且牵引线连接到驱动器的牵引机构，受牵引机构牵引相对轨道运动。

进一步地，所述爆竹单体的爆竹壳体内部有电极，电极之间有间隙，间隙的击穿电压低于充电电压。其工作方法为：将电鞭炮接到电鞭炮驱动器上。直流电源的直流电通过逆变电路被转化为交流电，通过谐振电路转化为高压交流电，再通过整流电路转化为高压直流电，给储能电路上的储能电容充电至足够高的电压。同时，牵引机构拉着牵引线运动，牵引线尾部的裸导体与轨道上的接触器足够接近，高电压击穿了二者之间的间隙以及爆竹单体的电极间隙，从而释放能量，能量在爆竹单体内积聚，挤爆爆竹壳体从而产生爆炸效果。爆炸后储能电容上的电压降低，牵引线继续向前运动远离之前的接触器，在向下一个接触器运动的过程中储能电容再次充电，为下一个爆竹单体触发做准备。重复上述过程，实现爆竹按顺序依次爆炸的效果。

与传统技术相比，本申请提出的技术方案具有以下优点。

（1）本申请提出了基于谐振充电的电鞭炮驱动器及电鞭炮。本申请将谐振充电技术应用在了电鞭炮领域，能够实现驱动器的快速充电，提高驱动器变压器的效率，进而达到降低驱动器成本、减小驱动器体积、减轻驱动器重量的目的。该谐振电路还有利于防止变压器偏磁。

（2）由于电鞭炮功率往往只有几百瓦，负载较轻，谐振电路充电时难以完全恒流，并且充电电压会超过变压器的额定输出电压，因此提出降低变压器额定电压，这样可以获得更快的充电速度。

（2）使用谐振变压器漏感代替谐振电感，减少了独立元件个数，简化了电路。

（3）在谐振电路中进一步引入并联谐振电容，可以进一步提高谐振频率。

（4）本申请提出了电鞭炮结构，能够有效模拟传统爆竹爆炸的声、光、爆炸效果，并且可以让爆竹不同时爆炸。

（5）本申请进一步在驱动器上增加了牵引机构，对应在电鞭炮上增加了牵引线，用牵引机构牵引牵引线，可以实现爆竹按照顺序依次爆炸的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明无牵引机构时的驱动器示意图；

图2为本发明驱动器无牵引机构时的电鞭炮示意图；

图3为本发明有牵引机构时的驱动器示意图；

图4为本发明驱动器有牵引机构时的电鞭炮示意图；

图5为本发明有牵引机构、变压器初级有并联谐振电容时的驱动器示意图；

图6为本发明有牵引机构、变压器副边为双绕组时的驱动器示意图；

图7为本发明使用卷筒的牵引机构结构示意图；

图8为本发明使用摩擦轮的牵引机构结构示意图；

图9为本发明使用旋转盘的牵引机构结构示意图；

图1~图9中：1、谐振电路；1-1、谐振变压器；1-2、谐振电容；1-3、谐振电感；1-4、并联谐振电容；2、整流电路；2-1、二极管；3、逆变电路；4、储能电路；4-1、储能电容；5、直流电源；6、放电调控电路；7、控制器；8、牵引机构；8-1、卷筒；8-2、摩擦轮；8-3、回收舱；8-4、静止卷筒；8-5旋转盘；9、爆竹单体；9-1、爆竹壳体；9-2、电极；9-3、弹簧；10、轨道；10-1、接触器；11、牵引线；11-1、牵引线导体；11-2、牵引线绝缘；12、导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

在一个具体实施例1中，驱动器如图1所示，电鞭炮如图2所示。

在本实施例中，如图1所示，电鞭炮驱动器包含谐振电路1，谐振电路1包含谐振变压器1-1，谐振变压器1-1初级与谐振电容1-2和谐振电感1-3串联；谐振变压器1-1的功率为300W，额定输入为12V，额定输出为5.4kV，谐振变压器1-1的初级漏感和谐振电感1-3一共为2.7μH。谐振电容为5μF。

谐振电路1输入端接逆变电路3输出端，逆变电路3为基于MOSFET的全桥逆变电路，其工作状态和频率由控制器7控制，本实施例中工作频率为15kHz；谐振电路1输出端接整流电路2输入端，整流电路2电路采用基于二极管的全桥整流电路。

逆变电路3输入端接直流电源5，本实施例中为12V高倍率电池。高倍率电池能够提供更大的电流，从而满足本装置的功率需求。

整流电路2输出端与储能电路4相连，储能电路4包含储能电容4-1，储能电路4输出端通过放电调控电路6接到电鞭炮上；本实施例中，储能电容4-1的两端直接作为储能电路4的输入和输出节点，储能电容4-1采用额定10kV、容量为0.75μF的脉冲电容。充电电压设定为6kV，低于储能电容4-1的额定电压以充分保证安全。

在本实施例中，LC谐振电路往往用于大功率场合，由于该LC谐振充电电路的负载电容小，充电功率小，充电时会产生过充，因此，即使谐振变压器1-1额定输出电压小于需要的充电电压，但是实际工作时由于过充，仍然能够达到需要的充电电压，满足要求。本实施例中，充电电压6kV，变压器额定输出电压设定为5.4kV，虽然输出电压较低，但是由于前述过充效应，仍然能够将电容充电至6kV，并且此时充电速度比使用额定6kV的变压器更快。

另外，本实施例中，电容的额定电压为10kV，采用本实施例的参数电容电压可能超过充电电压6kV，但是不会超过电容的额定电压10kV，因此电容不会有由于电压过高而损坏的危险。也可以通过控制器7测量储能电容4-1的电压，在充电电压达到6kV时控制逆变电路3的状态为停止逆变，这样可以降低储能电容4-1的耐压，节省储能电容4-1成本。

放电调控电路6为一个10μH的磁开关，本质上为一个小电感，在电流小时电感大，电流大时磁芯饱和电感变得很小，有抖化放电前沿的作用。

在本实施例中的电鞭炮，如图2所示，将爆竹单体9两端并联在导线12上。爆竹单体的爆竹壳体9-1内部有电极9-2，电极9-2之间有间隙，间隙的击穿低于充电电压6kV,电极9-2间有塑料弹簧9-3，在爆竹单体9爆炸后使电极9-2间隙增大。爆竹壳体9-1采用阻燃的聚氨酯制成。

本实施例中驱动器和电鞭炮的使用方法为：将电鞭炮接到电爆竹驱动器的放电调控电路6上。当控制器7控制逆变电路3的工作状态为逆变状态时，直流电源5的12V直流电被转化为交流电，通过谐振电路1转化为高压交流电，再通过整流电路2转化为高压直流电，给储能电路4上的储能电容4-1充电，储能电容4-1的电压会施加在所有的爆竹单体9的电极上。随着储能电容4-1的电压升高，逐渐接近6kV，爆竹单体9中某一个电极9-2间隙会首先承受不住耐压而发生击穿，储能电容4-1放电，能量在爆竹单体9内积聚，挤爆爆竹壳体9-1从而产生爆炸效果，爆竹壳体9-1爆炸后，塑料弹簧9-3将电极9-2弹开，增加了电极9-2之间的间距，使该爆竹单体9击穿电压显著升高。然后储能电容4-1再次充电，剩下爆竹单体9中再次有某个爆竹单体9爆炸。重复上述过程，实现爆竹依次爆炸的效果。

在一个具体实施例2中，驱动器如图3所示，电鞭炮如图4所示。

驱动器在实施例1的基础上增加了可以牵引绳索运动的牵引机构8，牵引机构8可以有多种设计方案。牵引机构8如图7所示，采用一个能够旋转的卷筒8-1，通过让线绕在卷筒8-1上，并让卷筒8-1旋转，即可使绳索运动。或者如图8所示，使用摩擦轮8-2，摩擦轮8-2旋转摩擦绳索使其运动,并设置一个回收舱8-3回收绳索。或者如图9所示，使用一个绕圆柱形静止卷筒8-4旋转的旋转盘8-5，在旋转盘8-5上开孔，让绳索穿过圆孔，旋转盘8-5绕静止卷筒8-4旋转时，即可将线卷绕在静止卷筒8-4上。

本实施例中使用的电鞭炮如图4所示，电鞭炮包含轨道10，轨道10长度为6cm，内部有多个裸露的接触器10-1，牵引线11从轨道10内穿过，牵引线11为一端为裸露导体11-1、其余部位被牵引线绝缘11-2覆盖的导线；轨道10的接触器10-1接爆竹单体9的一端，爆竹单体9的另一端接导线12上；牵引线11和导线12连接到驱动器的放电调控电路6上，并且牵引线11连接到驱动器的牵引机构8，受牵引机构8牵引相对轨道10运动。由于单个轨道10较短，这里采用20个轨道10首尾相连布置，由同一根牵引线11穿过。

在本实施例中，将爆竹单体9两端一端接在导线12上，另一端接在接触器10-1上。爆竹单体9的爆竹壳体9-1内部有电极9-2，电极9-2之间有间隙，间隙的击穿电压低于充电电压6kV。爆竹壳体9-1采用阻燃的聚氨酯制成。

本实施例中驱动器和电鞭炮的使用方法为：将电鞭炮接到电鞭炮驱动器上。当控制器7控制逆变电路3的工作状态为逆变状态时，直流电源5的12V直流电被转化为交流电，通过谐振电路1转化为高压交流电，再通过整流电路2转化为高压直流电，给储能电路4上的储能电容4-1充电至足够高的电压。同时，牵引机构8拉着牵引线11运动，牵引线尾部的裸导体11-1与轨道上的接触器10-1足够接近，高电压击穿了二者之间的间隙以及爆竹单体9的电极9-2间隙，从而释放能量，能量在爆竹单体9内积聚，挤爆爆竹壳体9-1从而产生爆炸效果。爆炸后储能电容4-1上的电压降低，牵引线继续向前运动远离之前的接触器10-1，在向下一个接触器10-1运动的过程中储能电容4-1再次充电，为下一个爆竹单体9触发做准备。重复上述过程，实现爆竹按顺序依次爆炸的效果。

在一个具体实施例3中，在实施例2的基础上，储能电容4-1直接接电鞭炮8。由于驱动器、电鞭炮的分布电气参数的存在，比如驱动器和电鞭炮的分布电容、分布电感、分布电阻、分布电导，使放电电流不是无穷大。

在一个具体的实施例4中，如图5所示，在实施例2的基础上在谐振变压器1-1的初级并联上一个并联谐振电容1-4，谐振频率也可以适当提高。

在一个具体的实施例5中，如图6所示，在实施例2的基础上，修改整流电路2和谐振变压器1-1的拓扑结构，谐振变压器1-1次级采用双绕组输出，每个绕组的参数与实施例2中变压器1-1的参数相同。该实施例中谐振变压器1-1的次级绕组同名端如图6所示，副边绕组串联，然后两个绕组通过两个二极管2-1整流输出。

上述实施例均可以通过谐振充电技术，实现电爆竹效果。实施例1将谐振充电技术应用到了电鞭炮驱动器这种几百瓦功率范围的场合，进一步结合低负载情况下谐振充电会过充的现象，提出了将额定电压设定为低于充电电压，并且设计了一种可配合使用的电鞭炮产品，能够模拟传统火药鞭炮的声、光、依次爆炸效果。实施例2进一步引入了牵引机构，牵引机构只是实现了牵引绳索运动的功能，较为容易实现，实施例2中提出了多种牵引机构结构，并且提出了有牵引机构时的电鞭炮结构，在实施例1的基础上，进一步使电鞭炮按照顺序依次爆炸。实施例3中直接将电鞭炮接在储能电容上，简化了驱动器结构。实施例4进一步引入并联谐振电容，可以提高谐振频率。实施例5给出了双绕组变压器的方案。上述方案都可以实现驱动器谐振充电，提高驱动器电容的充电速度，提高变压器效率，配合电鞭炮使用都能够模拟传统鞭炮爆炸的声、光、爆炸效果，是传统火药鞭炮的良好替代品。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述电鞭炮驱动器包含谐振电路（1），谐振电路（1）包含谐振变压器（1-1），谐振变压器（1-1）初级与谐振电容（1-2）和谐振电感（1-3）串联，然后接逆变电路（3）输出端；谐振变压器（1-1）次级输出高压交流电至整流电路（2）输入端，整流电路（2）输出高压直流电至储能电路（4），储能电路（4）包含储能电容（4-1）；储能电路（4）输出端直接接到电鞭炮上，或通过放电调控电路（6）接到电鞭炮上。

2.根据权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述谐振变压器（1-1）额定输出电压低于充电电压。

3.根据权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述谐振电感（1-3）为谐振变压器（1-1）的漏感。

4.根据权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述谐振变压器（1-1）初级并联有并联谐振电容（1-4）。

5.根据权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器，其特征在于，所述谐振充电的电鞭炮驱动器包含可牵引绳索运动的牵引机构（8）。

6.一种电鞭炮，用于与权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器对应，其特征在于，所述电鞭炮包含爆竹单体（9），所述爆竹单体（9）通过导线（12）并联后接如权利要求1所述的谐振充电的电鞭炮驱动器。

7.根据权利要求6所述的电鞭炮，其特征在于，所述的爆竹单体的爆竹壳体（9-1）内部有电极（9-2），电极（9-2）之间有间隙，间隙的击穿低于充电电压。

8.根据权利要求7所述的电鞭炮，其特征在于，所述电极（9-2）间有弹簧（9-3），在爆竹单体（9）爆炸后使电极（9-2）间隙增大。

9.一种电鞭炮，用于与权利要求1或5任一项所述的谐振充电的电鞭炮驱动器对应，其特征在于，所述电鞭炮包含轨道（10），轨道（10）内部有裸露的接触器（10-1），牵引线（11）从轨道（10）内穿过，牵引线（11）为一端是裸露的牵引线导体（11-1）、其余部位被牵引线绝缘（11-2）覆盖的导线；轨道（10）的接触器（10-1）接爆竹单体（9）的一端，爆竹单体（9）的另一端接导线（12）上；牵引线（11）和导线（12）连接到如权利要求1或5任一项所述的谐振充电的电鞭炮驱动器，并且牵引线（11）连接到驱动器的牵引机构（8），受牵引机构（8）牵引相对轨道（10）运动。

10.根据权利要求9所述的电鞭炮，其特征在于，所述爆竹单体（9）的爆竹壳体（9-1）内部有电极（9-2），电极（9-2）之间有间隙，间隙的击穿电压低于充电电压。

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