一种三个电池的开关系统
本帖最后由 能量海 于 2017-8-8 03:23 编辑
第五章: 脉冲能量激发系统
一种三个电池的开关系统
特斯拉开关风格的持续运行，有可能得到相同的效果——用特斯拉开关电路，只使用三个电池（或三个电容器）。在将近一个世纪前，卡洛斯•贝尼特斯在他的专利中讨过，以及最近由约翰•贝迪尼做过更多的描述，如果使用更复杂的电路转换，也只能使用三个电池。卡洛斯指出，由于电线变热，肯定有能量损失，而且电池不存在100％的效率。他用一些非常聪明的电路克服了这些问题，这将在下面的章节中介绍。然而，根本不能肯定这就是实际情况，因为实验表明，有可能作为这种电池开关以维持电池的充电水平远远超出预期。
这里是一个怎样才有可能生产出一种便携的、自供电的、强大的照明系统的未经测试的建议。有许多可能的变化，于此，下面的描述中，只是打算作为如何可能构造一个三电池切换系统的指示。对于此，有许多可能的变化，下面的描述中，只是打算作为如何可能构造一个三个电池的开关系统的指示。如果你对简单的电子学不熟悉的话，我建议你学习第12章基础电子教程。
电池充电可以用不同的方法来完成。显然，电负荷降低越多，再充电的需要就越少。这样做有两种方法，包括传递相同的电流反复通过负载，如下所示：
这种配置的切换可以用各种不同的方式实现，但本质上，在阶段1中，电池“B1”和“B2”提供双倍于电池“B3”和“B4”的电压，从而使电流流过负载“L”并进入电池“B3”和“B4”，这通常是通过电压差驱使，与任意一个电池本身的电压相同。每个“B3”和“B4”电池只收到一半由电池“B1”和“B2”提供的电流，所以，有能量损失也不出奇。然而，有一半的时间，电池“B3”和“B4”在接收充电而不是供给负载电流。
在阶段2中，电池被交换，而以电池“B3”和“B4”供应电流到负载和电池“B1”和“B2”的过程再三重复。测试表明以这样的配置，负载“L”可得到的供电时间超过用所有四个电池并联并直接用于供应负载。以此系统，每个电池以一半时间接收负载电流的一半。
另一种方法应用同样的原理，但电池是三个而不是四个，而每个电池以三分之一的时间接收所有的负载电流，就像这样：
这里，电池按顺序循环切换，以其中两个串联使电流流过负载“L”，再进入第三个电池。当然，有一个整体的能量损失，所以，需要从外部源引入额外的能量以保持负载动力的持续。然而，如四个电池系统，比起全部三个电池并联并用于直接给负载供电，负载“L”可以通过类似这样的电池配置维持动力更长时间。
像以前一样，这种系统的切换可以用各种不同的方式实现。为长期的可靠性，固态开关是首选，并且因为NPN晶体管的廉价和容易买到，它们在这里作为优选配置之一显示：
由于每个电池间对于该电路的运行的三个阶段的每个阶段是不同的，有必要让每个阶段有四个开关。为了晶体管的连接建立的必要的细节，由于这个电路没有通常的正轨和负轨，需要检验（额定）电流的流动方向。这些显示如下：
显然，电流从较高的串接电压流到较低的单电池电压。十二个虚拟开关的编号分别由“S1”到“S12”，而如果每一个代表一个NPN晶体管，那么，我们还需要确保电流流动的方向对于晶体管是正确的，并确定一个较高的电压点，可以用于把电流送入每个晶体管的基极。这里列出了这些细节：
因此，建议的开关配置看来像这样：
虽然上图显示了每个阶段用固定连接基极电阻，即，当然，仅用于显示的概念性的配置。每个电阻都经过一个光耦，而每组四个光耦由持续时间相等的三个独立输出的一个去驱动的。对于这个的可能配置之一可以做如下标示：
可以配置CD4022八进制芯片除以三，而不是除以八——通过连接其引脚7到引脚15。实际芯片连接是：
该芯片需要一个时钟信号才能运行。产生一个时钟信号有许多不同的方式，而这里展示的是一个非常便宜、简单、而且可调频和可调占空比的，虽然，因为信号是被用来触发除以三芯片的动作的，这个时钟信号没必要有一个50％的占空比。芯片的源电流是如此微小，以至于占空比是多少真的无所谓：
用此电路作为时钟信号，光耦电路可以是：
市面上有各种不同的光耦，而相当昂贵高速的品种是诱人的，因为我们是提供四个三组的，ISQ-74四路芯片似乎很适合这种应用，虽然它比较慢：
总体电路的光耦开关于是为：
输出晶体管预计切换1安培，所以选择了TIP132 NPN和匹配的TIP137晶体管。这些都是便宜的达林顿晶体管，电流增益超过1000，意味着基极电流的要求是大约1毫安，这表明这个基极晶体管对于12V的系统可以是8.2K。这些晶体管可在高达100V切换12A，并有一个70瓦的功耗，表明它们将在远低于其能力下运行，它们运行时应该热量很少。
对于这种电路，最好是有相当大的电流（相对于电池容量），以便使每个电池放电和充电周期有明显的区别。该电路的一个可能的负载可以是潜在的低成本G4 LED照明单元，如下所示：
这个相当卓越的装置有着可观的160光强，有160°的照明角度，而输入功率只有1.2瓦 (100毫安在12伏上)。在一个完全黑暗的地方看到时，光输出是令人吃惊的，而且会产生一定的热量，这对于发光二极管来说是不寻常的。一个100瓦的灯丝灯泡具有1600流明的光输出和360°的照明角度（通常其中一些并非很有效），所以，对于同等水平的照明，我们需要十个这些G4发光二极管单元，在12伏电压下，具有一个大约1安培的总功率输入。黑暗条件下检查，建议较低的亮度级会更好。这些LED照明单元有纯白和“暖白”版本，“暖白”版本可能会比纯白版本更好地满足大多数人。
测试纯白的单元之一，显示光输出在电流下降时相当异常的变化，同样这个效应是高度非线性的：
在12伏上，电流为1安培。在9.8伏上，电流已经下降到微小的23毫安，而尽管光一点也不明亮，但仍然相当亮。在9.42伏上，亮度级仍然可观，而电流已下降到仅为10毫安。这表明两个主要选项：10个LED单元在12瓦上，给出一个可观的照度级，或者相同的LED单元运行在9.42伏上，而只用输入功率1.2瓦。
用一个104毫米×50毫米大小的板，直接插入开了槽的标准的塑料盒，用于条板布局（这里红圈表示在板的底部铜条的一个裂口）的晶体管的开关部分可能是：
每个基极电阻都有一个输出链接（从O1b 到O12b），通过其光耦连接到表格里所示的“基极电阻”列的目标。每一组的三个NPN晶体管和一个PNP晶体管，通过一个单个的ISQ-74四路光耦芯片在一起切换。三个ISQ-74芯片的每一个都是由CD4022除三连接的芯片的输出之一依次供电，而它又是由CD40106B十六进制施密特逆变器芯片布线成一个时钟所驱动的，如上所示。预计适当的时钟频率约为700 Hz。可能的布局的时钟、除以三和十二个光耦在104毫米x50毫米条板上的可能布局，如下所示：
定时和开关电路组成了被切换的负载的一部分。但是，如果我们假设有这个系统运行时会有一个功率损耗，那么我们应该考虑卡洛斯•贝尼特斯在1915年的非常聪明的设计。
第五章: 脉冲能量激发系统
一种三个电池的开关系统
特斯拉开关风格的持续运行，有可能得到相同的效果——用特斯拉开关电路，只使用三个电池（或三个电容器）。在将近一个世纪前，卡洛斯•贝尼特斯在他的专利中讨过，以及最近由约翰•贝迪尼做过更多的描述，如果使用更复杂的电路转换，也只能使用三个电池。卡洛斯指出，由于电线变热，肯定有能量损失，而且电池不存在100％的效率。他用一些非常聪明的电路克服了这些问题，这将在下面的章节中介绍。然而，根本不能肯定这就是实际情况，因为实验表明，有可能作为这种电池开关以维持电池的充电水平远远超出预期。
这里是一个怎样才有可能生产出一种便携的、自供电的、强大的照明系统的未经测试的建议。有许多可能的变化，于此，下面的描述中，只是打算作为如何可能构造一个三电池切换系统的指示。对于此，有许多可能的变化，下面的描述中，只是打算作为如何可能构造一个三个电池的开关系统的指示。如果你对简单的电子学不熟悉的话，我建议你学习第12章基础电子教程。
电池充电可以用不同的方法来完成。显然，电负荷降低越多，再充电的需要就越少。这样做有两种方法，包括传递相同的电流反复通过负载，如下所示：
这种配置的切换可以用各种不同的方式实现，但本质上，在阶段1中，电池“B1”和“B2”提供双倍于电池“B3”和“B4”的电压，从而使电流流过负载“L”并进入电池“B3”和“B4”，这通常是通过电压差驱使，与任意一个电池本身的电压相同。每个“B3”和“B4”电池只收到一半由电池“B1”和“B2”提供的电流，所以，有能量损失也不出奇。然而，有一半的时间，电池“B3”和“B4”在接收充电而不是供给负载电流。
在阶段2中，电池被交换，而以电池“B3”和“B4”供应电流到负载和电池“B1”和“B2”的过程再三重复。测试表明以这样的配置，负载“L”可得到的供电时间超过用所有四个电池并联并直接用于供应负载。以此系统，每个电池以一半时间接收负载电流的一半。
另一种方法应用同样的原理，但电池是三个而不是四个，而每个电池以三分之一的时间接收所有的负载电流，就像这样：
这里，电池按顺序循环切换，以其中两个串联使电流流过负载“L”，再进入第三个电池。当然，有一个整体的能量损失，所以，需要从外部源引入额外的能量以保持负载动力的持续。然而，如四个电池系统，比起全部三个电池并联并用于直接给负载供电，负载“L”可以通过类似这样的电池配置维持动力更长时间。
像以前一样，这种系统的切换可以用各种不同的方式实现。为长期的可靠性，固态开关是首选，并且因为NPN晶体管的廉价和容易买到，它们在这里作为优选配置之一显示：
由于每个电池间对于该电路的运行的三个阶段的每个阶段是不同的，有必要让每个阶段有四个开关。为了晶体管的连接建立的必要的细节，由于这个电路没有通常的正轨和负轨，需要检验（额定）电流的流动方向。这些显示如下：
显然，电流从较高的串接电压流到较低的单电池电压。十二个虚拟开关的编号分别由“S1”到“S12”，而如果每一个代表一个NPN晶体管，那么，我们还需要确保电流流动的方向对于晶体管是正确的，并确定一个较高的电压点，可以用于把电流送入每个晶体管的基极。这里列出了这些细节：
因此，建议的开关配置看来像这样：
虽然上图显示了每个阶段用固定连接基极电阻，即，当然，仅用于显示的概念性的配置。每个电阻都经过一个光耦，而每组四个光耦由持续时间相等的三个独立输出的一个去驱动的。对于这个的可能配置之一可以做如下标示：
可以配置CD4022八进制芯片除以三，而不是除以八——通过连接其引脚7到引脚15。实际芯片连接是：
该芯片需要一个时钟信号才能运行。产生一个时钟信号有许多不同的方式，而这里展示的是一个非常便宜、简单、而且可调频和可调占空比的，虽然，因为信号是被用来触发除以三芯片的动作的，这个时钟信号没必要有一个50％的占空比。芯片的源电流是如此微小，以至于占空比是多少真的无所谓：
用此电路作为时钟信号，光耦电路可以是：
市面上有各种不同的光耦，而相当昂贵高速的品种是诱人的，因为我们是提供四个三组的，ISQ-74四路芯片似乎很适合这种应用，虽然它比较慢：
总体电路的光耦开关于是为：
输出晶体管预计切换1安培，所以选择了TIP132 NPN和匹配的TIP137晶体管。这些都是便宜的达林顿晶体管，电流增益超过1000，意味着基极电流的要求是大约1毫安，这表明这个基极晶体管对于12V的系统可以是8.2K。这些晶体管可在高达100V切换12A，并有一个70瓦的功耗，表明它们将在远低于其能力下运行，它们运行时应该热量很少。
对于这种电路，最好是有相当大的电流（相对于电池容量），以便使每个电池放电和充电周期有明显的区别。该电路的一个可能的负载可以是潜在的低成本G4 LED照明单元，如下所示：
这个相当卓越的装置有着可观的160光强，有160°的照明角度，而输入功率只有1.2瓦 (100毫安在12伏上)。在一个完全黑暗的地方看到时，光输出是令人吃惊的，而且会产生一定的热量，这对于发光二极管来说是不寻常的。一个100瓦的灯丝灯泡具有1600流明的光输出和360°的照明角度（通常其中一些并非很有效），所以，对于同等水平的照明，我们需要十个这些G4发光二极管单元，在12伏电压下，具有一个大约1安培的总功率输入。黑暗条件下检查，建议较低的亮度级会更好。这些LED照明单元有纯白和“暖白”版本，“暖白”版本可能会比纯白版本更好地满足大多数人。
测试纯白的单元之一，显示光输出在电流下降时相当异常的变化，同样这个效应是高度非线性的：
在12伏上，电流为1安培。在9.8伏上，电流已经下降到微小的23毫安，而尽管光一点也不明亮，但仍然相当亮。在9.42伏上，亮度级仍然可观，而电流已下降到仅为10毫安。这表明两个主要选项：10个LED单元在12瓦上，给出一个可观的照度级，或者相同的LED单元运行在9.42伏上，而只用输入功率1.2瓦。
用一个104毫米×50毫米大小的板，直接插入开了槽的标准的塑料盒，用于条板布局（这里红圈表示在板的底部铜条的一个裂口）的晶体管的开关部分可能是：
每个基极电阻都有一个输出链接（从O1b 到O12b），通过其光耦连接到表格里所示的“基极电阻”列的目标。每一组的三个NPN晶体管和一个PNP晶体管，通过一个单个的ISQ-74四路光耦芯片在一起切换。三个ISQ-74芯片的每一个都是由CD4022除三连接的芯片的输出之一依次供电，而它又是由CD40106B十六进制施密特逆变器芯片布线成一个时钟所驱动的，如上所示。预计适当的时钟频率约为700 Hz。可能的布局的时钟、除以三和十二个光耦在104毫米x50毫米条板上的可能布局，如下所示：
定时和开关电路组成了被切换的负载的一部分。但是，如果我们假设有这个系统运行时会有一个功率损耗，那么我们应该考虑卡洛斯•贝尼特斯在1915年的非常聪明的设计。
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