Устройство управления зарядом аккумулятора

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания для автоматического заряда аккумуляторов в различных устройствах автоматики, а именно для систем пожарной сигнализации. Технический результат заключается в повышении надежности переключения питания нагрузки на питание от аккумулятора (резервное) с визуальной индикацией режимов наличия аккумулятора, правильности его подключения, а также контроля наличия сети при обеспечении автоматической зарядки аккумулятора или его отключении при глубоком разряде, неисправности, обрыве или переполюсовке. Сущность изобретения определена совокупностью существенных признаков устройства, содержащего генератор импульсов, схему цепи разряда, схему индикации, выводы для подключения аккумулятора, ключевой элемент, схему контроля и источник постоянного стабилизированного напряжения, к выходу которого электрически параллельно подключены генератор импульсов, первый вход ключевого элемента, а также через сглаживающий фильтр - нагрузка, через схему цепи разряда параллельно подключены схема индикации и выводы аккумулятора. Новым является введенные токоограничительный элемент, ключевой элемент сброса, электрически подключенный к выходу генератора импульсов, и схема запуска, вход которой электрически связан с выходами ключевого элемента сброса и схемы контроля, а выход - со вторым входом ключевого элемента, электрически соединенного выходом с входом токоограничительного элемента, другой выход которого соединен с входами схемы контроля, схемы индикации и положительным выводом аккумулятора. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания для автоматического заряда аккумуляторов в различных устройствах автоматики, а именно для систем пожарной сигнализации.

Известно зарядное устройство, описанное в патенте RU 2118032, МПК⁶ H 02 J 7/02, 1994.09.15 и содержащее источник постоянного стабилизированного напряжения, выводы подключения аккумулятора, ключевой элемент в виде реле времени, устройство контроля в виде ограничителя тока и реле максимального напряжения, которым автоматическая зарядка аккумулятора осуществляется наиболее полно.

Однако при резервированном питании нагрузки невозможно мгновенное переключение на питание от аккумулятора, а также не предусмотрены защитные режимы эксплуатации указанного устройства для определения наличия или отсутствия аккумулятора, обеспечение отключения аккумулятора при глубоком (аварийном) разряде или внутреннем замыкании самого аккумулятора.

В качестве прототипа выбрано устройство для заряда аккумулятора, описанное в патенте RU 2238608, МПК⁶ H 02 J 7/02, 2002.07.16, содержащее генератор импульсов, схему цепи разряда, схему индикации, выводы для подключения аккумулятора, ключевой элемент, схему контроля и источник постоянного стабилизированного напряжения, к выходу которого электрически параллельно подключены генератор импульсов, первый вход ключевого элемента, а также через сглаживающий фильтр - нагрузка, через схему цепи разряда параллельно подключены схема индикации и выводы аккумулятора.

Однако для переключения нагрузки на резервное питание дополнительно необходимо формирование управляющего сигнала для электронного коммутатора, причем при его отказе заряд аккумулятора невозможен, как и невозможен заряд аккумулятора различной емкости одного напряжения. Отсутствие визуального контроля правильности подключения аккумулятора, наличия или отсутствия сети, применение электронных элементов, требующих обеспечения дополнительных мер защиты от электростатических зарядов, а также сложность конструкции снижает надежность устройства и повышает себестоимость изделия.

Перед изобретателями стояла задача автоматизации процесса зарядки аккумулятора для системы электропитания от сети переменного тока автономных объектов с использованием аккумулятора в качестве источника резервного питания и создание надежного, простого устройства управления зарядом аккумулятора с визуальным контролем основных его режимов, автоматизацией как процесса определения технического состояния аккумулятора в целом, так и поддержания его в работоспособном состоянии во всем диапазоне режимов работы системы автономного электроснабжения, а также отключения аккумулятора при одной из его неисправностей.

Поставленная задача решена тем, что предложено устройство управления зарядом аккумулятора, содержащее генератор импульсов, схему цепи разряда, схему индикации, выводы для подключения аккумулятора, ключевой элемент, схему контроля и источник постоянного стабилизированного напряжения, к выходу которого электрически параллельно подключены генератор импульсов, первый вход ключевого элемента, а также через сглаживающий фильтр - нагрузка, через схему цепи разряда параллельно подключены схема индикации и выводы аккумулятора. Новым является то, что введены токоограничительный элемент, ключевой элемент сброса, электрически подключенный к выходу генератора импульсов, и схема запуска, вход которой электрически связан с выходами ключевого элемента сброса и схемы контроля, а выход - со вторым входом ключевого элемента, электрически соединенного выходом с входом токоограничительного элемента, другой выход которого соединен с входами схемы контроля, схемы индикации и положительным выводом аккумулятора.

Технический результат, обусловленный совокупностью существенных признаков заявляемого устройства, заключается в повышении надежности переключения питания нагрузки на питание от аккумулятора (резервное) за счет мгновенного переключения нагрузки на питание от аккумулятора в случае аварийного отключения сети или пропадания сети с визуальной индикацией режимов наличия аккумулятора, правильности его подключения, а также контроля наличия сети. Кроме того, обеспечивается автоматическая зарядка аккумулятора и его отключение при глубоком разряде, неисправности, обрыве или переполюсовке. Введение токоограничительного элемента упрощает устройство за счет исключения стабилизации тока заряда, а применение ключевого элемента сброса позволяет гарантировать величину необходимого тока для включения схемы запуска и при необходимости подключить от одного генератора несколько аналогичных зарядных устройств управления зарядом аккумулятора для осуществления заряда аккумуляторов различных емкостей одного напряжения. Простота выполнения схемы контроля надежно обеспечивает контроль исправности аккумулятора или неисправности аккумулятора. Выполнение заявляемого устройства на недорогих элементах - биполярных транзисторах, не требующих особых режимов при монтаже и эксплуатации, а также его упрощение снижает себестоимость изделия, массогабаритные показатели, повышает технологичность и эксплутационные характеристики.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства управления зарядом аккумулятора; на фиг.2 - пример реализации генератора импульсов.

Устройство управления зарядом аккумулятора содержит источник постоянного стабилизированного напряжения 1 (фиг.1), преобразующий переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц в постоянное напряжение 12 В с защитой по максимальному току нагрузки, например промышленно выпускаемый источник вторичного электропитания ИВЭПР 112-1,2-1 (ТУ 4372-013-12215496-02) с током нагрузки не более 1,2 А; генератор импульсов 2 релаксационного типа, выполненный на основе общеизвестной транзисторной схемы аналога динистора с буферизацией выхода, которым формируется периодическая последовательность коротких импульсов низкого уровня большой скважности с периодом приблизительно две секунды, и реализованный, например, представленной схемой на фиг.2; ключевой элемент 3, выполненный на резисторах и биполярном транзисторе (например, КТ814), причем эмиттер, являющийся первым входом ключевого элемента 3 (фиг.1), электрически связан через резистор с базой и другим резистором, выход которого служит вторым входом ключевого элемента 3, а коллектор - его выходом; сглаживающий фильтр 4, выполненный, например, в виде конденсатора (не показано), емкость которого соответствует выражению Rн·С≥t, где Rн - сопротивление нагрузки, С - емкость конденсатора фильтра, t - длительность периода разряда конденсатора фильтра; нагрузку 5, не превышающую максимальный ток 1,2 А, соответствующий поставленной задаче; схему цепи разряда 6, выполненную в виде диода Шоттки (например, КД 270 В), анод которого является ее входом, катод - выходом; схему индикации 7, выполненную на двухцветном двунаправленном светодиоде с силой света 8 и 7 мкд для, соответственно, красного и зеленого цветов при токе 20 мА (например, LUGR58, Каталог фирмы «Anglia», стр.296, издаваемый SANDALL ROAD WISBECH РЕ 132 PS U.K.), выводы для соответствующего подключения аккумулятора 8, емкость которого может быть в пределах от 4 А·ч до 12 А·ч; токоограничительный элемент 9, выполненный в виде резистора, один вход которого является его входом, другой - выходом, и соответствующий емкости аккумулятора и соотношению I·[А]˜0,1·C[А·ч], где I - ток заряда, А; 0,1 - постоянный коэффициент; С - емкость аккумулятора, А·ч; схему контроля 10, определяющую значение величины напряжения аккумулятора, которая выполнена в виде порогового элемента, а именно цепочки последовательно соединенных стабилитрона (например, КС191) первого и второго резисторов, причем ее входом является катод стабилитрона, а выходом - электрически связанные между собой выводы резисторов, при этом вывод второго резистора связан с общим проводом; ключевой элемент сброса 11, выполненный на биполярном транзисторе (например, КТ3102), база которого является его входом, а коллектор - выходом, при этом эмиттер связан с общим проводом; схему запуска 12, выполненную на биполярном транзисторе (например, КТ3102), база которого является его входом, а коллектор - его выходом, при этом эмиттер связан с общим проводом. Причем к выходу источника постоянного стабилизированного напряжения 1 электрически параллельно подключены генератор импульсов 2, первый вход ключевого элемента 3, а также через сглаживающий фильтр 4 - нагрузка 5, через схему цепи разряда 6 параллельно подключены схема индикации 7 и выводы аккумулятора 8, а выход ключевого элемента 3 электрически связан с входом токоограничительного элемента 9, выход которого параллельно соединен с входом схемы контроля 10, и входами схемы индикации 7, положительным выводом аккумулятора 8, другой вывод которого связан с общим проводом, при этом электрически связанный с выходом генератора импульсов 2 ключевой элемент сброса 11 соединен выходом с входом схемы запуска 12, вход которой электрически связан с выходом схемы контроля 10, а ее выход - со вторым входом ключевого элемента 3. Генератор импульсов 2 (фиг.2) выполнен в виде электрически подключенных к его входу питания параллельно выводов резисторов 18 и 19, при этом другой вывод резистора 18 соединен с базой транзистора 13, коллектором второго транзистора 14 и выводом резистора 20, связанного другим выводом с общим проводом, и резистор 19 другим своим выводом электрически связан с эмиттером транзистора 13, коллектором транзистора 15 и положительным выводом конденсатора 16, связанного другим своим выводом с общим проводом, причем коллектор транзистора 13 связан с базой транзистора 14 и через резистор 21 - с его эмиттером, резистором 22, соединенным другим выводом с общим проводом, и базой транзистора 15, эмиттер которого служит выходом генератора импульсов 2.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме источник постоянного стабилизированного напряжения 1 обеспечивает питание нагрузки 5 и заряд подключенного к соответствующим выводам аккумулятора 8 через открытый ключевой элемент 3 и токограничительный резистор 9. Поскольку напряжение источника постоянного стабилизированного напряжения 1 больше номинального напряжения подключаемого аккумулятора 8, то схема цепи разряда 6 закрыта. Применение источника постоянного стабилизированного напряжения 1 исключает возможность перезарядки аккумулятора 8. Номинальным напряжением подключаемого аккумулятора 8 обеспечивается визуальная индикация исправности зеленым свечением схемы индикации 7 и открывание схемы контроля 10, выходной сигнал которой поддерживает в открытом состоянии схему запуска 12 и ключевой элемент 3 при условии наличия на входе ключевого элемента сброса 11 напряжения низкого уровня. Периодическая последовательность коротких импульсов высокого уровня большой скважности с выхода генератора импульсов 2 усиливается и инвертируется ключевым элементом сброса 11, с выхода которого через схему запуска 12 поступающий сигнал короткого импульса низкого уровня закрывает ключевой элемент 3. По окончании сигнала короткого импульса низкого уровня схема контроля 10 открывается номинальным напряжением подключенного к соответствующим выводам аккумулятора 8, открывая при этом ключевой элемент 3 и возвращая описываемое устройство в начальное состояние.

При пропадании сигнала с выхода источника постоянного стабилизированного напряжения 1 питание нагрузки 5 осуществляется от подключенного к выводам аккумулятора 8 через схему цепи разряда 6. Переключение питания нагрузки 5 от подключенного к выводам аккумулятора 8 осуществляется практически мгновенно, так как время переключения схемы цепи разряда 6 составляет десятки наносекунд, и генератор импульсов 2, ключевой элемент сброса 11, схема запуска 12, ключевой элемент 3, токоограничительный элемент 9 и схема контроля 10 не влияют на процесс переключения питания нагрузки 5.

При глубоком (аварийном) разряде или внутреннем замыкании самого аккумулятора 8 происходит падение напряжения ниже номинального, и сигнал, появляющийся на входе схемы контроля 10, не проходит на схему запуска 12, закрывая при этом ключевой элемент 3 и прекращая процесс зарядки аккумулятора 8. Поступающий импульс высокого уровня с выхода генератора импульсов 2, инвертируемый ключевым элементом сброса 11, не изменяет состояние ключевого элемента 3, на выходе которого отсутствует напряжение. В этом случае схема индикации 7 индицируется очень слабым зеленым светом или не имеет визуального отображения.

При питании нагрузки 5 от источника постоянного стабилизированного напряжения 1, если происходит обрыв аккумулятора 8, то поступающее через открытый ключевой элемент 3 и токоограничительный элемент 9 на его положительный вывод напряжение проходит на схему индикации 7, вызывая индицирование зеленым светом. Поступающий импульс низкого уровня с выхода ключевого элемента сброса 11 закрывает через схему запуска 12, ключевой элемент 3 и схему контроля 10. Причем по окончании прохождения этого импульса состояние схемы контроля 10 не восстанавливается, из-за чего ключевой элемент 3 остается закрытым, и схема индикации 7 не имеет визуального отображения. При неправильном подключении (переполюсовке) выводов аккумулятора 8 на вход схемы контроля 10 не поступает электрический сигнал, схема запуска 12 и ключевой элемент 3 на выходах не имеют напряжения, а «переполюсованный» аккумулятор, электрически связанный только со схемой индикации 7, вызывает ее индицирование красным светом.

Таким образом, устройством управления зарядом аккумулятора осуществляется заряд аккумулятора и поддержание его в заряженном состоянии при наличии постоянного контроля его состояния и визуальной индикации как исправности, так и неисправности, а также неправильного подключения (переполюсовки). При пропадании выходного напряжения сети осуществляется мгновенное переключение нагрузки на питание от аккумулятора, причем возможно параллельное подключение к общей шине питания нескольких аккумуляторов с одинаковым рабочим напряжением.

Устройство управления зарядом аккумулятора, содержащее генератор импульсов, схему цепи разряда, схему индикации, выводы для подключения аккумулятора, ключевой элемент, схему контроля и источник постоянного стабилизированного напряжения, к выходу которого электрически параллельно подключены генератор импульсов, первый вход ключевого элемента, а также через сглаживающий фильтр-нагрузку, через схему цепи разряда параллельно подключены схема индикации и выводы аккумулятора, отличающееся тем, что введены токоограничительный элемент, ключевой элемент сброса, электрически подключенный к выходу генератора импульсов, и схема запуска, вход которой электрически связан с выходами ключевого элемента сброса и схемы контроля, а выход - со вторым входом ключевого элемента, электрически соединенного выходом с входом токоограничительного элемента, выход которого соединен с входами схемы контроля, схемы индикации и положительным выводом аккумулятора.