Способ обеспечения энергосберегающего режима работы устройства с автономным питанием



Способ обеспечения энергосберегающего режима работы устройства с автономным питанием
Способ обеспечения энергосберегающего режима работы устройства с автономным питанием
Способ обеспечения энергосберегающего режима работы устройства с автономным питанием

 


Владельцы патента RU 2568275:

Бойков Константин Анатольевич (RU)

Изобретение относится к электронным схемам общего назначения и может быть использовано в автономных устройствах для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS. Техническим результатом является повышение времени беспрерывной работы устройства. В способе обеспечения энергосберегающего режима устройства с автономным питанием от источника постоянного тока ограничивают ток зарядки фильтрующих емкостей GSM/GPRS модуля посредством модуляции сопротивления канала ключевого транзистора MOSFET за счет плавного возрастания напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на затвор через фильтрующую RC-цепочку, при этом постоянная времени τ RC-цепочки выбирается из расчета τ=Т/3, где Т - время нарастания напряжения на затворе ключевого МОП-транзистора до значения 1 В. 3 ил.

 

Изобретение относится к электронным схемам общего назначения и может быть использовано в автономных устройствах для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS.

Автономные устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS находят все большее применение. Как правило, в качестве источника питания в этих устройствах используются источники питания с емкостью до 30 Вт·ч и более. При этом должна быть обеспечена их длительная беспрерывная работа устройств (не менее 365 суток) с режимом передачи данных от одного раза в сутки до одного раза в год. Основным недостатком таких устройств являются высокие массогабаритные показатели и стоимость батарейных модулей. Использование источников питания с емкостями менее 30 Вт·ч в системах данного типа практически невозможно из-за нахождения GSM/GPRS модуля постоянно под напряжением и разряда источника питания током покоя модуля. При разрыве цепи питания модуля ключевым элементом, например ключевым MOSFET (от анг.metal-oxide-semiconductor field effect transistor - МОП-транзистор), как представлено на фиг. 1, возникает проблема глубокого разряда фильтрующих емкостей модульных элементов. После подачи напряжения питания на такой модуль ток в цепи будет описываться выражением:

i=C dUc/dt.

Видно, что в первый момент времени, когда dt→0, ток через емкость СМ ограничивается только внутренним сопротивлением емкости и сопротивлением канала ключевого транзистора MOSFET. Если учесть, что сопротивление таких емкостей и каналов не больше сотых долей Ом, а суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля может достигать 1000 мкФ, то в цепи создается эффект «короткого замыкания» или, точнее, эффект работы на низкоомную нагрузку. В результате этого источник питания работает в критическом режиме, вследствие чего многократно уменьшается срок его службы.

Вместе с этим, в первоначальный момент времени (момент открытия транзистора) микроконтроллер устройства остается без питания (U→0), т.к. цепь «закорочена» низкоомной нагрузкой), что приводит к нарушению его работы.

Технический результат заключается в обеспечении длительной беспрерывной работы устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS и автономным питанием от источника постоянного тока малой емкости с минимальными массогабаритными показателями.

Технический результат достигается ограничением тока зарядки фильтрующих емкостей GSM/GPRS-модуля посредством модуляции сопротивления канала ключевого МОП-транзистора (MOSFET) за счет плавного возрастания напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на затвор через фильтрующую RC-цепочку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлена эквивалентная схема устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных с приборов учета, где RC - эквивалентное сопротивление контроллера, RM - эквивалентное сопротивление GSM/GPRS модуля, СМ - суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля, Т1 - ключевой МОП-транзистор (MOSFET), VAKK - напряжение питания, РОТ - потенциал управления ключом, i - ток через фильтрующие цепи GSM/GPRS модуля после подачи на него напряжения от источника питания.

Фиг. 2 иллюстрирует способ обеспечения энергосберегающих режимов работы микроконтроллера и токовой отсечки GSM/GPRS модуля, где RC - эквивалентное сопротивление контроллера, RM - эквивалентное сопротивление GSM/GPRS модуля, СМ - суммарная (эквивалентная) емкость фильтрующих цепей GSM/GPRS модуля, Т1 -ключевой МОП-транзистор (MOSFET), VAKK - напряжение питания, С1 - конденсатор фильтрующей RC-цепочки, R1 - резистор фильтрующей RC-цепочки, РОТ_ШИМ -сигнал управления ключом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал).

На фиг. 3 представлен пример осуществления способа с участком ключевой схемы коммутации GSM/GPRS модуля, где PORTB 1 микроконтроллера генерирует ШИМ-сигнал, плечо V_GSM идет на питание GSM/GPRS модуля.

Как показано на фиг. 2 во избежание работы источника питания на низкоомную нагрузку во время переходного процесса при открывании ключевого МОП-транзистора Т1 осуществляется плавная зарядка фильтрующих емкостей СМ GSM/GPRS-модуля. Это достигается модуляцией сопротивления канала транзистора Т1 плавным возрастанием напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала РОТ_ШИМ, подаваемого на затвор Т1 через фильтрующую RC-цепочку R1C1. По прошествии одного периода этого сигнала длительность импульса увеличивается по линейному закону (длительность импульса увеличивается вдвое, втрое, вчетверо и т.д), период и амплитуда сигнала остаются неизменными.

Известно, что постоянная времени RC-цепочки τ=RC. Т.о, подобрав сочетание номинала резистора R1 и конденсатора С1 RC-цепочки, можно получить время нарастания напряжения на затворе транзистора Т1, перекрывающее время переходного процесса, и предотвратить работу источника питания на низкоомную нагрузку.

Рассмотрим пример осуществления данного способа (фиг. 3) для того, чтобы получить ограничение тока на уровне 200-400 мА. Для этого необходимо в момент переходного процесса иметь напряжение на затворе ключевого транзистора не более 1 В (исходя из зависимости тока через канал транзистора от напряжения на затворе при фиксированном напряжении на сток-исток).

Период ШИМ-сигнала выбран 256 мкс. В момент включения скважность управляющего сигнала равна 256 (период - 256 мкс, амплитуда - Vakk). Для достижения напряжения на затворе транзистора 1 В (для ограничения тока на уровне 200-400 мА) необходима скважность управляющего сигнала около 190, для чего, в соответствии с заданным алгоритмом, необходимо время:

Т=(256-190)·256 мкс ≈17 мс.

Известно, что за время 3τ емкость RC-цепочки заряжается на 95%, поэтому для обеспечения необходимого быстродействия и фильтрации выберем:

постоянную времени RC-цепочки τ=17 мс/3 ≈5,7 мс;

R1=5,7 кОм,

C1=1 мкФ.

Рассчитаем ток при переходном процессе, где dt=17 мс.

Примем СМ=1000 мкФ (типичное значение для номинала фильтрующих емкостей GSM/GPRS-модуля), a dUc=4,2 В (максимально возможная разность напряжений в нашей системе). Тогда

i=С·dUc/dt=10-3·4,2/0,017 ≈247 (мА).

Видно, что за время ограничения тока сопротивлением канала транзистора его значение не выходит за пределы 200-400 мА, что обеспечивает щадящий режим работы источника питания, предотвращая его работу на низкоомную нагрузку.

Примером использования данного изобретения является применение описанного выше способа в автономном контроллере «Аква-2», предназначенном для чтения, записи и дистанционной передачи данных с двух приборов учета (воды, газа, электроэнергии, тепла) с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS (ТУ 3464-001-1326225581-2014). Основными блоками контроллера «Аква-2» являются GSM/GPRS-модуль и управляющий им микропроцессор. Для обеспечения режимов энергосбережения GSM/GPRS-модуль в режиме ожидания между передачами данных, отключается от питания ключевым МОП-транзистором. После того, как приходит время, отсчитанное микропроцессором для очередной передачи данных, происходит подключение GSM/GPRS-модуля к источнику питанию описанным выше способом. Использование данного изобретения позволило автономному контроллеру «Аква-2» работать в течение 1 года от аккумулятора (14500 Li-ion 3,7 В, 900 мА·ч) с размером «пальчиковой» батарейки АА на жилых объектах ООО «ЭкономСервис» г. Москва.

Способ энергосберегающего режима работы устройства для чтения, записи и дистанционной передачи данных от приборов учета с телеметрическим выходом посредством GSM/GPRS с автономным питанием от источника постоянного тока, включающего модуль GSM/GPRS и ключевой МОП-транзистор для подключения GSM/GPRS-модуля к источнику питания, обеспечиваемый ограничением тока зарядки фильтрующих емкостей GSM/GPRS-модуля при подключении GSM/GPRS-модуля к источнику питания посредством модуляции сопротивления канала ключевого МОП-транзистора за счет плавного возрастания напряжения на его затворе с использованием широтно-импульсной модуляции управляющего сигнала, подаваемого на затвор через фильтрующую RC-цепочку, при этом постоянная времени τ RC-цепочки выбирается из расчета τ=Т/3, где Т - время нарастания напряжения на затворе ключевого МОП-транзистора до значения 1 В.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе и способу для приема и синхронизации контента, такого как радиовещательная передача, на устройстве связи. Техническим результатом является снижение требований к полосе пропускания и повышение эффективности.

Изобретение относится к технике вещания телевизионных программ, в частности к персонализации программных потоков различных зон вещания сети передачи на одной частоте, в соответствии со второй версией стандарта наземного телевизионного вещания (DVB-T2).

Изобретение относится к устройству приема и способу приема с возможностью управления работой заданной прикладной программы в связи с развитием аудиовизуального (AV) контента, такого как телевизионная программа.

Изобретение относится к цифровому широковещательному приемнику и способу приема, которые позволяют обеспечить услуги высокого качества путем объединения широковещания и связи.

Изобретение относится к устройству и способу подачи контента, которые позволяют транслировать широковещательный контент путем цифрового телевизионного широковещания, и распределяемый контент, распределяемый через Интернет, которые воспроизводятся совместно друг с другом.

Изобретение относится к средствам доступа к оборудованию, расположенному на территории абонента. Технический результат заключается в обеспечении независимой аутентификации терминала.

Изобретение относится к вещательной системе для передачи цифровой телевизионной программы, в частности, к устройству передачи и способу передачи, в которых можно получить содержимое, которое соответствует потребностям.

Изобретение относится к устройству базовой станции и способу связи, используемым для связи со множеством несущих. Техническим результатом является возможность исключить увеличение издержек на сообщение результата распределения при планировании частоты в системе связи с множеством несущих.

Заявленное изобретение относится к технике передачи цифровых сообщений, встроенных в аудиопрограмму радиостанций аналогового вещания. Технический результат изобретения заключается в возможности передавать большие объемы информации без потери субъективного качества звучания за минимальное время.

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении высокоскоростных дуплексных радиолиний, работающих на одной частоте при передаче дискретных или аналоговых сигналов.

Изобретение относится к портативным вычислительным устройствам, которые взаимодействуют с дополнительными устройствами для предоставления мощности из портативного устройства дополнительному устройству во время режима гибернации портативного вычислительного устройства.

Изобретение относится к устройствам ввода информации. Техническим результатом является возможность подзарядки лазерной беспроводной компьютерной мыши в процессе ее работы.

Изобретение относится к электротехнике. Конкретно - к устройствам, предназначенным для соединения нескольких индуктивных катушек с общим источником переменного тока, и может использоваться для подключения нескольких катушек к магнитотерапевтическому прибору, имеющему одно выходное гнездо.

Изобретение относится к карте, выполненной с возможностью вставления в устройство основного корпуса и способу питания карты. Технический результат заключается в обеспечении питания карты от внешнего или внутреннего соединителя источника питания.

Изобретение относится к устройствам подачи питания в вычислительных системах. Техническим результатом является повышение быстродействия управления подачей питания в режиме реального времени.

Изобретение относится к устройству управления электропитанием и способу управления электропитанием. Техническим результатом является повышение эффективности управления электропитанием.

Изобретение относится к индуктивным системам электропитания для портативных компьютеров и других портативных электронных устройств. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения беспроводного питания.

Изобретение относится к устройству передачи, использующему интерфейс передачи данных, способу переключения питания для устройства передачи, устройству приема и способу подачи питания в устройство приема.

Изобретение относится к средствам управления потреблением мощности. .

Группа изобретений относится к механизму запуска электропитания, устройству, содержащему такой механизм, и способу управления активацией схем электропитания. Техническим результатом является обеспечение совместного управления последовательностью операций запуска, включающей все из указанного множества схем электропитания. Механизм содержит генератор значения времени, выполненный с возможностью обеспечения сигнала значения времени, и логическую схему, для каждой из схем электропитания, выполненную с возможностью приема сигнала значения времени и обеспечения, по принятому сигналу, сигнала активации в соответствующую схему электропитания, при этом соответствующая логическая схема ассоциирована со значением запуска синхронизации по времени для соответствующей схемы электропитания. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх