一种电场感应取能电源电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种电场感应取能电源电路，属于高压设备自取能在线检测设备技术领域。


背景技术：

2.目前自供能在线检测设备所采取的环境取能技术有太阳能、风能、磁场能与电场能，由于太阳能、风能以及磁场能容易受到环境影响且难以预测，供电电能难以得到保障，通过电场感应原理从高压恒定电场获取能量可保障自供能在线检测设备内部电源供电的可靠性，目前电场感应取能电源电路采用较为复杂的充放电控制方法，使得电场感应取能电源电路工作起来较不稳定。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种电场感应取能电源电路，解决了背景技术中披露的问题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
5.一种电场感应取能电源电路，包括取能电容c1、第一可控开关、第一控制电路、放电电路、储能电容c2、第二可控开关、第二控制电路和稳压电路；
6.取能电容c1对电场能量收集器与高压设备/大地地面之间通过寄生电容产生的位移电流进行取能，取能电容c1通过第一可控开关连接放电电路，放电电路连接储能电容c2，储能电容c2通过第二可控开关连接稳压电路；其中，取能电容c1的容值小于储能电容c2容值；
7.第一控制电路采集取能电容c1两端的电压，根据取能电容c1两端的电压，采用迟滞比较方式控制第一可控开关导断；第二控制电路采集储能电容c2两端的电压，根据储能电容c2两端的电压，采用迟滞比较方式控制第二可控开关导断。
8.取能电容c1的两端并接有压敏电阻z1。
9.第一控制电路采集取能电容c1两端的电压，若取能电容c1两端的电压升至第一阈值，控制第一可控开关导通，若取能电容c1两端的电压降至第二阈值，控制第一可控开关关闭；
10.第二控制电路采集储能电容c2两端的电压，若储能电容c2两端的电压升至第三阈值，控制第二可控开关导通，若储能电容c2两端的电压降至第四阈值，控制第二可控开关关闭。
11.第一控制电路和第二控制电路的结构一致，包括电阻r1~r6、二极管d2、三极管bjt1、滤波电容c3、第一运算放大器、第二运算放大器和串联型电压基准；
12.电阻r1的一端、电阻r2的一端和电阻r3的一端均连接所采集电容放电时的正端，电阻r1的另一端连接三极管bjt1的基极和二极管d2的阴极，二极管d2的阳极接参考地，电阻r2的另一端连接三极管bjt1的集电极，三极管bjt1的发射极连接串联型电压基准的输入端、第一运算放大器的供电端、第二运算放大器的供电端以及滤波电容c3的一端，滤波电容
c3的另一端接参考地，串联型电压基准的输出端连接第二运算放大器的负输入端，电阻r3的另一端连接第一运算放大器的正输入端以及电阻r4的一端，电阻r4的另一端接参考地，第一运算放大器的输出端连接第一运算放大器的负输入端以及电阻r5的一端，电阻r5的另一端连接第二运算放大器的正输入端，电阻r6并接在第二运算放大器的正输入端和输出端之间，第二运算放大器的输出端连接所控可控开关的控制端。
13.放电电路包括电感l1、二极管d1和脉冲反激变压器，脉冲反激变压器原边的一端连接电感l1的一端，电感l1的另一端连接取能电容c1放电时的正端和二极管d1的阴极，二极管d1的阳极连接脉冲反激变压器原边的另一端，并且脉冲反激变压器原边的另一端通过第一可控开关接参考地，脉冲反激变压器的副边并接储能电容c2。
14.第一可控开关为n-mos管q1，n-mos管q1的漏极连接放电电路，n-mos管q1的栅极为控制端，连接第一控制电路，n-mos管q1源极接参考地。
15.第二可控开关为n-mos管q2，n-mos管q1的漏极连接储能电容c2放电时的正端，n-mos管q2的栅极为控制端，连接第二控制电路，n-mos管q2源极连接稳压电路。
16.本实用新型所达到的有益效果：1、本实用新型通过取能电容c1对电场能量收集器与高压设备/大地地面之间通过寄生电容产生的位移电流进行收集，采用迟滞比较方式控制可控开关，实现取能电容c1向储能电容c2充电、储能电容c2向外供电，采样简单的控制方式实现了电源电路充放电的连续性，提高了电源电路工作的稳定性；2、本实用新型的控制电路对电子元器件需求数量较低，减少了控制电路部分对于电子元器件的使用数量，进一步降低了电场取能的控制电路部分对于电场能的消耗，提升了整体电场取能的利用效率与输出功率。
附图说明
17.图1为本实用新型的电路图；
18.图2为电场能量收集器取能示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
20.如图1所示，一种电场感应取能电源电路，包括取能电容c1、第一可控开关、第一控制电路、放电电路、储能电容c2、第二可控开关、第二控制电路和稳压电路。取能电容c1通过第一可控开关连接放电电路，放电电路连接储能电容c2，储能电容c2通过第二可控开关连接稳压电路；第一控制电路采集取能电容c1两端的电压，根据取能电容c1两端的电压，采用迟滞比较方式控制第一可控开关导断；第二控制电路采集储能电容c2两端的电压，根据储能电容c2两端的电压，采用迟滞比较方式控制第二可控开关导断。
21.取能电容c1对电场能量收集器与高压设备/大地地面之间通过寄生电容产生的位移电流进行取能，具体如图2所示，电场能量收集器为取能极板，恒流源idc为取能极板与高压带电体（即高压设备）/大地地面之间由寄生电容产生的位移电流经过整流桥整流所得，取能电容c1的一端连接恒流源idc，另一端接参考地。
22.取能电容c1为一小容量电容，利用小容量电容充电较快的特点进行取能，为了保
护取能电容c1，取能电容c1的两端并接压敏电阻z1，防止取能电容c1两端电压超过其耐压值。
23.第一可控开关为常见的n-mos管q1，n-mos管q1的漏极连接放电电路，n-mos管q1的栅极为控制端，连接第一控制电路，n-mos管q1源极接参考地。
24.第一控制电路的主要功能为：采集取能电容c1两端的电压，若取能电容c1两端的电压升至第一阈值，控制第一可控开关导通，若取能电容c1两端的电压降至第二阈值，控制第一可控开关关闭；即当取能电容c1两端的电压达到一定的高压时，通过放电电路向储能电容c2充电，当取能电容c1放电至移动的低压时，关闭放电；其中第一阈值大于第二阈值。
25.第一控制电路包括电阻r1~r6、二极管d2、三极管bjt1、滤波电容c3、第一运算放大器（图中的运放1）、第二运算放大器（图中的运放1）和串联型电压基准。
26.电阻r1为限流电阻，电阻r1的一端连接所采集电容放电时的正端，电阻r1的另一端连接三极管bjt1的基极。
27.二极管d2为稳压二极管，二极管d2的阴极连接电阻r1的另一端，二极管d2的阳极接参考地，用于提供恒定的直流电压输出u1。
28.电阻r2为保护电阻，电阻r2的一端连接所采集电容放电时的正端，电阻r2的另一端连接三极管bjt1的集电极，用于减小三极管bjt1两端的电压大小。
29.三极管bjt1用于提高二极管d2的带负载能力，三极管bjt1的发射极还连接第一运算放大器的供电端、第二运算放大器的供电端，给放大器供电。
30.滤波电容c3的一端连接三极管bjt1的发射极，滤波电容c3的另一端接参考地，滤波电容c3用于减小二极管d2所提供稳定直流电压的纹波。
31.串联型电压基准的输入端连接三极管bjt1的发射极，串联型电压基准的输出端连接第二运算放大器的负输入端，用于向第二运算放大器提供稳定参考电压vref1。
32.电阻r3的一端均连接所采集电容放电时的正端，电阻r3的另一端连接第一运算放大器的正输入端以及电阻r4的一端，电阻r4的另一端接参考地，电阻r3和r4构成分压电路，向第一运算放大器提供检测电压vs1，vs1=vc1/(r3 r4)r4，vc1为取能电容c1两端的电压， vs1通过vc1转换获得。
33.第一运算放大器的输出端连接第一运算放大器的负输入端，使第一运算放大器起到电压跟随器的作用，精确检测取能电容c1两端电压。
34.电阻r5的一端连接第一运算放大器的输出端，用于接收检测电压vs1，电阻r5的另一端连接第二运算放大器的正输入端。
35.电阻r6并接在第二运算放大器的正输入端和输出端之间，使其具有迟滞比较控制的作用。
36.可预设阈值vt1与vt2，vt1=r5
×
vref1
÷
r6 vref，vt2=[ vref1（r5 r6）-(u1-vbe)r5]
ꢀ÷
r6，当vc1达到第一阈值vt1
×
r4
×
（r3 r4）时，即当检测电压vs1达到阈值vt1时，第二运算放大器的输出高电平，当vc1达到第一阈值vt2
×
r4
×
（r3 r4）时，即当检测电压vs1达到阈值vt2时，第二运算放大器输出低电平；其中，vref为设定的基准电压，vbe为三极管bjt1基极与发射极之间的导通电压。
[0037]
第二运算放大器的输出端连接所控可控开关的控制端，即n-mos管q1的栅极，用于接受第二运算放大器的输出信号。当第二运算放大器输出高电平时，n-mos管q1导通，取能
电容c1输出电量，当第二运算放大器输出低电平时，n-mos管q1关闭，取能电容c1停止输出电量。
[0038]
为了保证取能电容c1和第一控制电路顺利正常工作，该电源电路需满足idc》i1 i2 i3 i4，其中，，u为高压带电体的电压大小，cm为取能极板与大地之间所产生寄生电容的大小，i1为二极管d2正常工作的最大电流，i2为串联型电压基准正常工作的最大电流，i3和i4分别是第一运算放大器和第二运算放大器正常工作的最大电流。
[0039]
放电电路包括电感l1、二极管d1和脉冲反激变压器，脉冲反激变压器原边的一端连接电感l1的一端，电感l1的另一端连接取能电容c1放电时的正端和二极管d1的阴极，电感l1用于减小取能电容c1放电时所产生的脉冲电流，降低脉冲电流对于放电电路的冲击，二极管d1的阳极连接脉冲反激变压器原边的另一端，二极管d1为续流二极管，用于为电感l1提供续流回路，脉冲反激变压器原边的另一端通过第一可控开关接参考地，脉冲反激变压器的副边并接储能电容c2，脉冲反激变压器起到电气隔离的作用，提高了电力系统的安全稳定性。
[0040]
储能电容c2为大容量的电容，其容值大于取能电容c1的容值，用以存储取能电容c1释放的能量。
[0041]
第二可控开关为n-mos管q2，n-mos管q1的漏极连接储能电容c2放电时的正端，n-mos管q2的栅极为控制端，连接第二控制电路，n-mos管q2源极连接稳压电路。
[0042]
第二控制电路的主要功能为：采集储能电容c2两端的电压，若储能电容c2两端的电压升至第三阈值，控制第二可控开关导通，若储能电容c2两端的电压降至第四阈值，控制第二可控开关关闭；其中第三阈值大于第四阈值。
[0043]
第二控制电路的结构和第一控制电容的结构一致、工作流程一致，区别仅仅是第二控制电路采集储能电容c2两端的电压，控制第二可控开关，即第二控制电路中的电阻r1、电阻r2和电阻r3连接储能电容c2放电时的正端，第二控制电路中的第二运算放大器输出端连接n-mos管q2的栅极。
[0044]
稳压电路为dc-dc稳压电路，接收储能电容c2的输出，向外输出稳定电压。
[0045]
为提高电场感应的能量利用效率，上述电源电路中的元器件均采用超低功耗器件以及兆欧级大电阻，其具体型号为稳压二极管mmsz4690t1g，运算放大器tlv3691（典型供电电流70na），串联型电压基准isl60002（静态工作电流350na），dc-dc稳压电路lt3995（静态工作电流2.7μa）；以及低泄露电流电力电子器件，其具体型号为二极管idm02g120c5（泄漏电流1μa），二极管mmbd1501a（泄露电流1μa），n-mos管sct30n120（泄漏电流1μa）。
[0046]
为保障该电源电路安全稳定运行，应根据实际情况选择搞耐压等级的电力电子器件，并留有一定的安全裕量。
[0047]
电源电路中，根据负载以及实际应用场景的需要，选择合适的dc-dc稳压电路以及储能电容c2规格，可采用1000uf电解电容（耐压100v），以及输出3.3v的dc-dc稳压电路。
[0048]
上述电源电路首先采用取能电容c1进行能量收取，当取能电容c1电压达到第一阈值时，第一控制电路发出触发信号，将n-mos管q1导通，取能电容c1的电能通过放电电路释放到储能电容c2中进行储存，当储能电容c2电压达到第三阈值时，第二控制电路发出触发信号，将n-mos管q2导通，储能电容c2通过dc-dc稳压电路提供恒定的电压输出，供给后续传感器进行工作。
[0049]
上述电源电路通过取能电容c1对电场能量收集器与高压设备/大地地面之间通过寄生电容产生的位移电流进行收集，采用迟滞比较方式控制可控开关，实现取能电容c1向储能电容c2充电、储能电容c2向外供电，采样简单的控制方式实现了电源电路充放电的连续性，提高了电源电路工作的稳定性；并且上述电源电路的控制电路对电子元器件需求数量较低，减少了控制电路部分对于电子元器件的使用数量，进一步降低了电场取能的控制电路部分对于电场能的消耗，提升了整体电场取能的利用效率与输出功率。
[0050]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。