Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии

Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

По настоящей заявке испрашивается приоритет на основании предварительных заявок США №60/944451 "Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии", поданной 15 июня 2007 г. (дело №06005/561855Р), и №60/944454 "Преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом для отвода энергии", поданной 15 июня 2007 г. (дело №06005/561853Р), содержание которых полностью включено в настоящий документ.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к схемам преобразования напряжения и энергии, в частности к способу и устройству для передачи энергии между первичной электрической схемой и вторичной электрической схемой.

Уровень техники

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в различных прикладных задачах для генерирования регулируемого напряжения. Один тип преобразователей, известных как повышающие преобразователи, генерирует на выходных клеммах напряжение, которое больше напряжения на входных клеммах. Понижающие преобразователи, напротив, генерируют на выходных зажимах меньшее напряжение. Работа преобразователей постоянного тока в постоянный, известных в данной области техники, как правило, основана на регулировании с помощью специальной схемы переключения длительности и направления тока, протекающего в катушке индуктивности. В частности, преобразователи постоянного тока в постоянный периодически изменяют промежутки времени, в течение которых катушка индуктивности запасает и затем отдает электрическую энергию, в зависимости от напряжения, определенного схемой обратной связи на выходных клеммах преобразователя. Так как работа типовых преобразователей постоянного тока в постоянный зависит только от выходного напряжения, преобразователь потребляет необходимое количество энергии на входных зажимах для обеспечения генерирования регулируемого напряжения на выходных зажимах. Например, для питания нагрузки постоянным напряжением типовой преобразователь постоянного тока в постоянный потребляет некоторое количество энергии, подводимой ко входным клеммам, зависящее от потребления энергии нагрузкой.

Одной из известных областей применения преобразователей постоянного тока в постоянный является схема устройства для отвода энергии. Во многих промышленных и бытовых прикладных задачах токовый контур, состоящий из источника и одного или более потребителей электрической энергии, включает дополнительную схему для перенаправления некоторого количества энергии из токового контура во вторичную нагрузку. Процесс отбора энергии из первичной схемы обычно называется "отводом", а схема, необходимая для выполнения этой операции, соответственно называется "устройством для отвода энергии". Как правило, устройство для отвода использует излишнюю или неиспользуемую электрическую энергию из первичной схемы для питания меньшей нагрузки.

Однако применение устройства для отвода не ограничивается электрическими схемами. Например, источником энергии может служить солнечное излучение или вибрация. Одним словом, различные виды электромагнитной или механической энергии могут отводиться и запасаться в виде электрической энергии.

Устройства для отвода могут использоваться, например, в токовых контурах с током 4-20 мА, которые широко используются в системах управления технологическими процессами для передачи аналоговых сигналов между полевыми устройствами и распределенной системой управления (DCS, РСУ). В целом полевые устройства, такие как клапаны, клапанные позиционеры или выключатели, обрабатывают сигналы управления с использованием постоянного тока в диапазоне 4-20 мА. Подобным образом полевые устройства, производящие измерения технологических параметров, например, датчики давления, расхода или температуры, генерируют сигналы в диапазоне 4-20 мА и передают эти сигналы в распределенную систему управления по отдельной паре проводов. В некоторых случаях может возникнуть необходимость в использовании некоторого количества энергии в контуре с током 4-20 мА для питания дополнительного устройства, например, радиопередатчика и радиоприемника. В то же время необходимо ограничивать падение напряжения в схеме отвода, питаемой от контура с током 4-20 мА, так, чтобы схема отвода не влияла на токовый контур и, более конкретно, на связь распределенной системы управления с полевым устройством.

Так как непостоянный токовый контур может отдавать нагрузке, питаемой устройством для отвода, больше энергии, чем требуется, также необходимо отбирать излишнюю энергию и сохранять ее в аккумулирующем устройстве. Дополнительно необходимо иметь средства для обратной передачи энергии из аккумулирующего устройства, когда токовый контур отдает меньше энергии, чем требуется для работы нагрузки, питаемой устройством для отвода. Другими словами, необходимо повышать напряжение питания аккумулирующего устройства и понижать напряжение, подводимое от источника питания к нагрузке, питаемой устройством для отвода. Кроме того, так как напряжение на клеммах аккумулирующего устройства и клеммах нагрузки может изменяться во времени, необходим преобразователь постоянного тока в постоянный. Специалисту в данной области техники также понятно, что в некоторых прикладных задачах эта зависимость может быть изменена на противоположную и может возникнуть необходимость обратного повышения и понижения напряжения между аккумулирующим устройством и нагрузкой, питаемой устройством для отвода.

Для достижения данной цели с использованием имеющихся технических возможностей соответствующая схема требует по меньшей мере двух преобразователей постоянного тока в постоянный. В частности, для регулирования должным образом передачи энергии между двумя схемами с изменяющимися нагрузками и готовностью необходим по меньшей мере один понижающий преобразователь и по меньшей мере один повышающий преобразователь. Очевидно, использование нескольких преобразователей постоянного тока повышает сложность, стоимость и размеры схемы. Кроме того, традиционные преобразователи постоянного тока в постоянный генерируют на выходе постоянное напряжение и поэтому бесполезно расходуют электрическую энергию при наличии избытка энергии в схеме.

Таким образом, известные в данной области техники преобразователи не обеспечивают эффективное средство отбора дополнительной энергии, доступной на входе. Например, нагрузка устройства для отвода, потребляющая относительно небольшое количество энергии, приводит к тому, что устройство для отвода потребляет это необходимое количество энергии на входных клеммах независимо от реальной мощности токового контура. Потребление энергии на выходных клеммах может быть чрезмерно большим и вызывать искажения в токовом контуре, а потребление слишком маленького количества энергии нежелательно, так как при этом токовый контур используется неэффективно. Кроме того, могут возникать случаи, при которых питающий ток значительно падает и нагрузка, питаемая устройством для отвода, не получает требуемого количества энергии.

Раскрытие изобретения

Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для отвода, аккумулирования и передачи энергии в схеме с ограниченной энергией эффективно передает излишнюю электрическую энергию, имеющуюся в схеме, в устройство для аккумулирования энергии и, когда в схеме требуется большее количество энергии, эффективно отбирает электрическую энергию от устройства для аккумулирования энергии и питает эту схему энергией. В одном аспекте схема включает источник питания и нагрузку. В некоторых вариантах осуществления преобразователь включает пару входных клемм, соединяющий преобразователь со схемой, пару выходных клемм, соединяющих преобразователь с устройством для аккумулирования, катушку индуктивности для аккумулирования тока или другой элемент, выполненный с возможностью аккумулирования электрической энергией, два электрических ключа, управляющих направлением тока и аккумулированием энергии в преобразователе, и схему управления, управляющую двумя ключами для изменения скважности тока катушки индуктивности. При этом двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный генерирует ШИМ-импульсы (широтно-импульсная модуляция) для соответствующей схемы.

В другом аспекте двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный увеличивает эффективность схемы путем максимизации использования имеющейся энергии. Еще в одном аспекте двунаправленный преобразователь выполнен с возможностью передачи запасенной энергии в схему при большей мощности, чем при отводе энергии из схемы. В одном варианте осуществления двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный принимает сигналы управления от отдельной аналоговой схемы, генерирующей ШИМ-импульсы. В другом варианте осуществления двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный управляется микроконтроллером, связанным с устройством, питаемым двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный.

Предлагаемый способ отвода энергии в токовом контуре включает соединение устройства для отвода энергии последовательно с источником питания и потребителем энергии, регулирование падения напряжения на входных клеммах устройства для отвода энергии и передачу на выходные клеммы энергии, доступной при регулируемом падении напряжения и контурном токе. В частности, падение напряжения на устройстве для отвода энергии регулируется с помощью схемы обратной связи, генерирующей входной сигнал напряжения, и схемы регулирования, использующей входной сигнал напряжения для регулирования времени заряда и разряда катушки индуктивности. Схема регулирования может представлять собой традиционный преобразователь постоянного тока в постоянный или схему, имеющую несколько дискретных компонентов, например компараторов.

В некоторых вариантах осуществления источник питания является источником изменяющегося тока или напряжения. В одном варианте осуществления устройство для отвода энергии является преобразователем постоянного тока в постоянный, использующим схему обратной связи для регулирования входного напряжения. В одном варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом поддерживает по существу неизменное напряжение на входных клеммах. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом изменяет напряжение на входных клеммах в соответствии с входным током так, что большее количество имеющейся энергии отводится, когда контурный ток мал. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом дополнительно включает развязывающий трансформатор на выходе для предотвращения обратной передачи энергии на входные клеммы при возникновении неисправности. При этом использование развязывающего трансформатора улучшает искробезопасность устройства для отвода энергии. В другом варианте осуществления преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом дополнительно обеспечивает фильтрацию для увеличения полного сопротивления в токовом контуре и, таким образом, обеспечения возможности модуляции в контуре.

Краткое описание графических материалов

Фиг.1 представляет собой схему, в которой может быть использован двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный.

Фиг.2 представляет собой электрическую схему, в которой показан двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный в одной из возможных конфигураций.

Фиг.3 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный согласно настоящему изобретению работает вместе со схемой определения напряжения.

Фиг.4 представляет собой примерный сигнал, отображающий изменения во времени напряжения на типовом устройстве, используемом в контуре с током 4-20 мА.

Фиг.5 представляет собой электрическую схему, на которой показана одна из возможных схем для генерирования сигналов широтно-импульсной модуляции для использования с двунаправленным преобразователем постоянного тока в постоянный согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой схему, в которой для отбора излишней энергии в качестве устройства для отвода мощности может использоваться преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом.

Фиг.7 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом.

Фиг.8 представляет собой электрическую схему, в которой показан двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом в одной из возможных конфигураций.

Фиг.9 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и обратно пропорциональной зависимостью падения напряжения от тока.

Фиг.10 представляет собой примерные формы входного тока и напряжения, регулируемых преобразователем в соответствии с одним из вариантов осуществления.

Фиг.11 представляет собой электрическую схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом с развязывающим трансформатором, используемым для обеспечения искробезопасности путем ограничения энергии.

Фиг.12 представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный с фильтрующими свойствами.

Фиг.13 представляет собой электрическую схему преобразователя постоянного тока в постоянный с регулируемым входом с фильтрующими свойствами, включающего схему связи по протоколу HART.

Фиг.14 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный работает вместе с преобразователем постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и схемой регулирования напряжения.

Фиг.15 представляет собой схему, в которой двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный работает вместе с преобразователем постоянного тока в постоянный с регулируемым входом и микропроцессорным контроллером.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана схема 10, в которой может быть использован двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный. Источник 12 питания питает нагрузку 14 электрической энергией. Количество энергии, доступной в схеме 10, можно определить не всегда. В частности, потребление энергии нагрузкой 14 может изменяться во времени. Кроме того, количество энергии в источнике 12 питания может быть непостоянным и также изменяться во времени. Двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный может быть соединен последовательно с источником 12 питания и нагрузкой 14. Двунаправленный преобразователь 16 может иметь положительную входную клемму 18 и отрицательную входную клемму 20. Кроме того, двунаправленный преобразователь 16 может иметь пару 22 выходных клемм.

При работе двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный потребляет излишнюю энергию от входных клемм 12 и 16 и направляет ее в устройство 24 для аккумулирования энергии через выход 22. Когда нагрузка 14 требует большее количество энергии, чем может быть передано от источника 12 питания, двунаправленный преобразователь 16, напротив, потребляет энергию из устройства 24 для аккумулирования энергии и отдает запасенную энергию в схему 10 через входные клеммы 12 и 16.

Источник 12 питания может являться аккумуляторной батареей, генератором или любым другим известным в данной области техники источником питания. Нагрузка 14 может являться двигателем, датчиком или любым другим устройством. В целом схема 10 может содержать различные потребители энергии, имеющие разную потребность в энергии.

Как показано на фиг.2, схема 50, соответствующая одной из возможных реализации двунаправленного преобразователя 20, может включать положительную входную клемму 52 и отрицательную входную клемму 54. При наличии излишней энергии на входных клеммах 52 и 54 понижающий ШИМ-сигнал 56 может пропустить доступную энергию на входе и направить ее в устройство 24 для аккумулирования энергии, подключенное к выходным клеммам 58 и 60 схемы 50. На этом этапе работы двунаправленного преобразователя 16 напряжение на устройстве 24 для аккумулирования энергии может составлять например, 1 В, а напряжение на входных клеммах 52 и 54 может составлять 3 В. Когда ШИМ-сигнал 56 соответствует величине "включения", ключ 70 соединяет входную клемму 52 с положительной клеммой 72 катушки 74 индуктивности. Более конкретно, от клеммы 52 к клемме 72 через соединение 76 может протекать ток. Повышающий ШИМ-сигнал 80 при этом соответствует величине "выключения", и ключ 82 остается в выключенном состоянии. В соответствии с приведенным выше примером, к катушке 74 индуктивности приложена разность напряжений, равная 2 В (3 В - 1 В), и ток катушки 74 нарастает.

Когда ШИМ-сигнал 56 соответствует состоянию "выключения", ключ 70 находится в выключенном состоянии. При этом ток может протекать через разрядный диод 84 в направлении входной клеммы 72 катушки 74 индуктивности. Разрядный диод 84 может быть соединен с землей для потребления дополнительного тока, не подаваемого на вход, и, таким образом, увеличения общей эффективности схемы 50. Как понятно специалисту в данной области техники, ток протекает до полного исчезновения магнитного поля и электродвижущей силы (ЭДС). Таким образом, передача энергии в устройство для аккумулирования может регулироваться. Другими словами, более высокое напряжение на входных клеммах схемы 50 подается в виде импульсов ШИМ или импульсов с заданной скважностью на вход устройства для аккумулирования с меньшим напряжением.

Как показано на фиг.1, нагрузка 14 может в определенный момент потребовать большее напряжение, чем напряжение, которое может обеспечить источник 12 питания. Если в устройстве 24 для аккумулирования энергии запасено достаточное количество энергии, двунаправленный преобразователь 16 постоянного тока в постоянный может предать необходимую энергию из устройства 24 для аккумулирования энергии в нагрузку 14 и, таким образом, обеспечить бесперебойную работу схемы 10. Как показано на фиг.2, напряжение на выходных клеммах 58 и 60 может составлять 1 В, а необходимое напряжение на входных клеммах 52 и 64 может по прежнему составлять или приблизительно составлять 3 В. В этом состоянии понижающий ШИМ-сигнал 56 может по прежнему соответствовать состоянию "выключения", а повышающий ШИМ-сигнал периодически не замыкает и не размыкает ключ 82.

В частности, ШИМ-сигнал 80, соответствующий состоянию "включения", может замкнуть ключ 82. Когда ключ 82 замкнут, положительная клемма 72 катушки 74 индуктивности соединена с землей. При этом ток катушки 74 индуктивности нарастает. Когда ШИМ-сигнал 80 переходит в состояние "выключения", ток протекает от клеммы 58 устройства 24 для аккумулирования энергии к клемме 52 через обратный диод 86. Таким образом, энергия, запасенная в устройстве 24 для аккумулирования энергии, может эффективно передаваться обратно в нагрузку 14.

ШИМ-сигналы 56 и 80 могут подаваться в соответствии с напряжением, измеряемым на клеммах 52 и 54 или на нагрузке 14, например. Одним словом, любой сигнал об уровне напряжения в схеме 10 может использоваться для регулирования работы схемы 50 с помощью ШИМ-сигналов 56 и 80.

Специалисту в данной области техники также понятно, что электронный ключ может представлять собой полевой транзистор со структурой металл-оксид-проводник (MOSFET), другой тип транзистора или любое другое известное электронное средство переключения, обеспечивающее большую частоту переключения.

Примерная схема, включающая схему определения напряжения, показана на фиг.3. За исключением схемы 102 определения напряжения схема 100 подобна схеме 10. Схема 102 может измерять напряжения на нагрузке 14 и подавать сигналы 104 и 106 в двунаправленный преобразователь 16. В одном из возможных вариантов осуществления сигналы 104 и 106 могут являться ШИМ-сигналами 56 и 80. В другом варианте схема 102 определения напряжения может не иметь возможности генерирования колебательных сигналов и может генерировать только простые сигналы напряжения. В этом случае двунаправленный преобразователь 16 может генерировать ШИМ-импульсы 56 и 80 при обработке сигналов 104 и 106 с использованием дополнительной схемы (не показана). Еще в одном варианте осуществления схема 102 определения напряжения может определять изменения напряжения во всей схеме 100 или, другими словами, на нагрузке 14 и преобразователе 16.

В одной из возможных реализаций в зависимости от конкретного требования нагрузки 14 или всей схемы 100 могут быть выбраны две пороговые величины. Например, для работы нагрузки 14 в целом может требоваться напряжение 3 В, но нагрузка 14 может также работать при напряжении в диапазоне 2,7-3,3 В. Таким образом, схема определения напряжения может быть выполнена с возможностью определения изменений напряжения на нагрузке 14 и соответственно генерирования двух ШИМ-сигналов. Сигнал 120, показанный на фиг.4, представляет собой примерное изменение во времени напряжения на одном или более элементах схемы. Как показано, действительное напряжение, определяемое схемой 102, может изменяться в диапазоне от 2,7 до 3,3 В, а напряжение задания в данном примере может составлять 3 В. Двунаправленный преобразователь 16 по возможности предотвращает увеличение напряжения свыше верхнего предела и уменьшение напряжения ниже нижнего предела. Очевидно, слишком большое напряжение может привести к повреждению одного или более устройств в схеме 100, а слишком маленькое напряжение может привести к отключению схемы 100.

Как показано на фиг.2 и 4, участки 122, соответствующие промежуткам времени, когда определенное напряжение превышает заданное напряжение 3 В, соответствуют понижающему режиму работы схемы 50. Как описано выше, в понижающем режиме работы ШИМ-сигнал 56 управляет ключом 70 для регулирования передачи излишней энергии в устройство 24 для аккумулирования энергии. С другой стороны, участки 124, соответствующие промежуткам времени, когда определенное напряжение меньше заданного напряжения 3 В, соответствуют передаче энергии из устройства 24 для аккумулирования энергии обратно в схему 10 или 100. В этом режиме работы ШИМ-сигнал 80 переводит ключ 82 в повышающий режим.

На фиг.5 показана примерная реализация аналоговой ШИМ-схемы, выполненной с возможностью генерирования ШИМ-импульсов в зависимости от изменения напряжения на клеммах 152 и 154. Клеммы 152 и 156 могут быть подключены к одной или нескольким нагрузкам 14, а также могут быть подключены к источнику 12 питания. Понятно, что величины сопротивления резисторов могут быть выбраны в соответствии с конкретными требованиями схемы, например диапазоном допустимых напряжений, и в соответствии с типом соединения, выбранного для ШИМ-схемы 150. ШИМ-схема 150 генерирует небольшие импульсы тока для управления ключами 70 и 82. Таким образом, два выхода схемы 150 являются управляющими проводами 156 и 158. Пунктирная линия 160 дополнительно нанесена для обозначения границы между схемами 150 и 50.

Понятно, что возможны различные другие реализации ШИМ-схемы 150. Например, ШИМ-схема может быть реализована путем объединения нескольких доступных микросхем, или вся схема может быть реализована как одна прикладная микросхема (ASIC).

Также предполагается, что для генерирования необходимых ШИМ-импульсов может использоваться микроконтроллер. Как описано выше, двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может использоваться для отвода энергии в контурах управления с током 4-20 мА, распространенных в системах управления технологическими процессами. В частности, двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может управляться так, чтобы направлять излишнюю доступную энергию в контуре с током 4-20 мА, например, в конденсатор большой емкости. Одним из потребителей этой отведенной энергии может быть дополнительное устройство, например радиостанция с управлением микроконтроллером. Несмотря на то что для управления передачей энергии между радиостанцией и устройством для аккумулирования может использоваться ШИМ-схема 150, вместо нее может быть целесообразным использование микроконтроллера. Так как микроконтроллер обычно определяет количество энергии, требуемое для радиостанции в данный момент, микроконтроллер может генерировать ШИМ-сигналы 56 и 80 в соответствии с этими мгновенными потребностями. В одном из возможных вариантов осуществления микроконтроллер может управлять двунаправленным преобразователем 16 с помощью повышающего ШИМ-сигнала 80 для потребления энергии из устройства 24 для аккумулирования, когда радиостанция работает в режиме передачи. И напротив, микроконтроллер может генерировать ШИМ-сигнал 56, когда радиостанция находится в режиме ожидания.

Дополнительно микроконтроллер может прогнозировать изменения потребления энергии радиостанцией через небольшие промежутки времени, например микросекунды. Например, микроконтроллер может управлять двунаправленным преобразователем для потребления энергии при наступлении определенных для данного устройства условий, требующих потребления энергии, чтобы минимизировать задержку перед началом передачи. Более конкретно, датчик в системе управления технологическим процессом может определить отклонение, например излишнее давление или слишком маленькую температуру, а микроконтроллер может подготовить радиостанцию для передачи путем подачи соответствующего ШИМ-сигнала в двунаправленный преобразователь.

Еще в одном варианте микропроцессор может подавать простые сигналы, указывающие на требуемое напряжение, а другая схема, либо как часть двунаправленного преобразователя постоянного тока в постоянный, либо как отдельный компонент, может использовать эти сигналы для генерирования ШИМ-импульсов. В этом случае микропроцессор может быть запрограммирован с использованием более простого алгоритма для обеспечения большего количества энергии для работы радиостанции.

Конечно, микроконтроллер может также определять множество уровней потребления энергии. Например, микроконтроллер может генерировать более широкие повышающие ШИМ-импульсы, когда известно, что радиостанция потребляет большое количество энергии в режиме передачи, более короткие повышающие ШИМ-импульсы, когда известно, что радиостанция потребляет среднее количество энергии в режиме приема, и широкие понижающие импульсы, когда радиостанция находится в режиме ожидания и, таким образом, потребляет мало или не потребляет энергии.

В другом аспекте двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный может использоваться в схеме, включающей преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом, выполненный для отвода электрической энергии, в частности для отвода энергии в схеме, в которой протекает изменяющийся постоянный ток. На фиг.6 показана система, в которой устройство для отвода энергии с регулируемым входом может использоваться для эффективного отбора энергии из токового контура и направления излишней энергии в нагрузку или устройство для аккумулирования, или в обе стороны. Как показано на фиг.6, токовый контур или схема 210 включает распределенную систему 212 управления, полевое устройство 214 и устройство 216 для отвода энергии, соединенное последовательно с полевым устройством 214. Эти и другие элементы схемы, показанные на фиг.6, соединены проводами.

При работе распределенная система 212 управления и полевое устройство 214 посылают и принимают аналоговые сигналы с током 4-20 мА так, что эти сигналы невозможно спрогнозировать устройством 216 для отвода энергии, реализованным как преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым входом. Другими словами, относительно устройства 216 для отвода энергии ток в контуре 210 может неконтролируемо изменяться во времени в диапазоне от 4 до 20 мА. Устройство 216 для отвода мощности соединено с контуром 210 последовательно через пару входных клемм 218, одна из которых соединена непосредственно с положительной клеммой распределенной системы 212 управления, а другая соединена непосредственно с положительным входом полевого устройства 214. Однако устройство 216 для отвода энергии может также быть соединено с соответствующими отрицательными клеммами распределенной системы 212 управления и полевого устройства 214. При работе устройство 216 для отвода энергии создает регулируемое падение напряжения на входных клеммах 218. Устройство 216 для отвода может поддерживать напряжение на постоянном уровне и, таким образом, изменять потребление энергии на входных клеммах 218 линейно току, протекающему в устройстве 216 для отвода. Устройство 216 для отвода может затем передавать энергию, отобранную на входных клеммах, к одному или более устройствам или схемам, соединенным с выходом устройства 216 для отвода. В другом варианте осуществления устройство 216 для отвода может регулировать входное напряжение в соответствии с током, протекающим в устройстве 216 для отвода. В частности, устройство 216 для отвода может увеличивать падение напряжения на входных клеммах 218 по мере уменьшения тока в устройстве 216 для отвода.

Нагрузка 220, питаемая устройством 216 для отвода энергии, может быть подключена к нему через пару выходных клемм 222. Нагрузка 220 может являться любым типом устройства, потребляющего либо постоянную, либо переменную мощность. Например, нагрузка 220 может являться простым электрическим элементом, имеющим постоянное потребление энергии, например светодиодом, или сложным устройством с изменяющимся потреблением энергии, например радиопередатчиком и радиоприемником. Также понятно, что, несмотря на то, что на фиг.6 показана только одна нагрузка, питаемая устройством для отвода, устройство 216 для отвода энергии может питать множество нагрузок с различным потреблением энергии.

Устройство 216 для отвода также может быть соединено с устройством 224 для аккумулирования энергии. Устройство 224 для аккумулирования энергии может являться, например, одним конденсатором большой емкости или относительно сложной схемой, включающей несколько конденсаторов, соединенных параллельно, или любым другим подходящим типом устройства для аккумулирования, включая известные в данной области техники. Специалисту в данной области техники понятно, что конденсатор может быть использован в устройстве для аккумулирования энергии, поскольку напряжение на конденсаторе увеличивается при протекании в нем тока. Конденсатор высокой плотности или конденсатор большой емкости может запасать большой заряд и поэтому может быть предпочтителен в качестве устройства для аккумулирования энергии.

Дополнительно к выходным клеммам 222 параллельно нагрузке 220, питаемой устройством для отвода энергии, и устройству 224 для аккумулирования энергии может быть подключен настраиваемый шунтирующий регулятор 226. Шунтирующий регулятор 226 может использоваться для рассеивания лишней энергии, когда нагрузка 220, питаемая устройством для отвода энергии, не потребляет всю доступную на выходных клеммах 222 энергию. Шунтирующий регулятор 226 может быть необходим при отсутствии устройства 224 для аккумулирования энергии. В других вариантах осуществления может быть предпочтительным не использование шунтирующего регулятора в контуре 210, а запасание всей излишней энергии на выходных клеммах 222 в устройстве 224 для аккумулирования энергии. Настраиваемый шунтирующий регулятор 226 может быть реализован любым известным в данной области техники образом, например, с использованием стабилитрона и одного или нескольких резисторов.

Еще в одном варианте к выходным клеммам 222 для фильтрации выходного напряжения может быть подключен конденсатор 228. Так как выходной сигнал устройства 216 для отвода энергии не регулируется, конденсатор 228 может использоваться для сглаживания выходного напряжения, в частности, при наличии в схеме 210 нагрузки 220, питаемой устройством для отвода энергии. В этом случае конденсатор 228 может быть частью выходной схемы. Однако конденсатор 228 не требуется, если устройство 216 для отвода энергии передает энергию главным образом в устройство 224 для аккумулирования энергии. Более того, нерегулируемая составляющая выходного сигнала на клеммах 222 может быть необходима, если энергия на выходных клеммах 222 передается в устройство 224 для аккумулирования энергии.

При этом входной фильтрующий конденсатор 230, подключенный к выходным клеммам 218 устройства 216 для отвода энергии может использоваться для фильтрации входного шума. Специалисту в данной области техники понятно, что входной фильтрующий конденсатор необходим на входе любой схемы постоянного тока. Емкость входного фильтрующего конденсатора 230 зависит от рабочей частоты преобразователя постоянного тока в постоянный, используемого в устройстве 216 для отвода энергии. Дополнительно напряжение на выходных клеммах 218 может быть ограничено для предотвращения выхода устройства 216 для отвода энергии из строя при прекращении протекания тока в контуре 210. Например, может использоваться стабилитрон 232 для того, чтобы при увеличении напряжения на входных клеммах свыше определенного предела стабилитрон открывался и пропускал ток в направлении полевого устройства 214 с током 4-20 мА. Специалисту в данной области техники понятно, что данный предел определяется физическими свойствами выбранного стабилитрона.

Конденсаторы 228 и 230, шунтирующий регулятор 226 и стабилитрон 232 могут входить в устройство 216 для отвода энергии. В зависимости от области применения устройство для отвода энергии может быть выполнено с возможностью регулирования выходного напряжения с помощью шунтирующей схемы 226 или передачи всей доступной энергии в устройство 224 для аккумулирования энергии. Предполагается, что некоторые конфигурации, в которых некоторые компоненты, показанные на фиг.6, отсутствуют и некоторые компоненты добавлены в соответствии с требованиями, могут быть реализованы в прикладных микросхемах. В другом варианте устройство 226 для отвода энергии может быть выполнено как отдельная прикладная микросхема, которая может использоваться в любых описанных здесь конфигурациях. Еще в одном варианте части схемы устройства для отвода энергии могут быть выполнены в виде отдельной микросхемы, работающей совместно с традиционным преобразователем постоянного тока в постоянный.

На фиг.7 показано устройство 216 для отвода энергии более подробно. В соответствии с этой примерной схемой ток входит в устройство 216 для отвода энергии в положительной клемме 240 входной пары 218 клемм и выходит из отрицательной клеммы 242. После прохождения через положительную клемму 240 ток проходит к положительной клемме катушки 244 индуктивности. Дополнительно относительно небольшая часть тока проходит к входной схеме 246 регулирования. То же или по существу то же количество тока, которое входит в положительную клемму 240, выходит из отрицательной клеммы 242. При этом схема, реализованная в соответствии с идеей настоящего изобретения и описанная подробно ниже, обеспечивает регулируемое падение напряжения на клеммах 240 и 242. Например, падение напряжения на клеммах 240 и 242 устройства для отвода энергии, используемого в токовом контуре с током 4-20 мА, может поддерживаться постоянным и равным 1 В.

Как показано на фиг.7, повышающий контроллер 250 постоянного тока в постоянный регулирует промежуток времени, в течение которого катушка 244 индуктивности запасает ток. Контроллер 250 может являться серийной микросхемой, например микросхемой NCP1421 компании "On Semiconductor " или схемой, выполненной из нескольких дискретных интегральных схем с возможностью обеспечения переключения с большой частотой и регулирования скважности сигнала коммутируемой схемы в соответствии с сигналом обратной связи. В частности, в контроллере может использоваться один или более полевых транзисторов со структурой металл-оксид-проводник (MOSFET), например, для быстрого размыкания и замыкания электрических цепей. Контроллер изменяет время размыкания и замыкания цепей в соответствии с параметрами компонентов колебательной схемы, используемых в к