Модульный источник питания

Область техники
Предложенная полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве источника питания различного оборудования, в частности, ручного или стационарного аккумуляторного инструмента.
Уровень техники
Из уровня техники широко известны источники питания, применяемые совместно с различным электрооборудованием. Например, известны производители инструмента Ryobi (https://ryobi-shop.ru/) или Worx (https://worx.tools-russia.ru/), предусматривающие использование фирменных аккумуляторных батарей и зарядных устройств. Отличительной особенностью линеек таких инструментов является возможность использования одного и того же аккумулятора в различных устройствах. Существуют и другие примеры, когда линейка инструментов или ряд моделей оборудования работает от батарей 36, 54,72 В. Но эти изделия могут быть совместимы и работать от одной батареи только внутри своей линейки, например, 18 В, или внутри линейки инструмента, оборудования или техники 36 В. Такие решения обладают рядом недостатков, к которым можно отнести необходимость приобретения дополнительных аккумуляторов, соответствующих напряжению более мощного оборудования, а также приобретение соответствующих зарядных устройств. Кроме неудобства, это значительно удорожает стоимость владения каждым последующим изделием и отрицательно влияет на экологию.
Для преодоления части указанных недостатков в уровне техники известно применение нескольких источников для питания электрического инструмента. Например, в патенте US 9472979 В2, 18.10.2016, который можно принять в качестве аналога предложенной полезной модели, показана возможность установки нескольких однотипных аккумуляторов для питания электроинструмента. К недостаткам известного решения можно отнести сложность конструкции инструмента и низкую универсальность источников питания. Так, для использования нескольких источников, согласно патенту, инструмент должен быть оснащен соответствующими каждому из источников питания отсеками. Кроме того, контроллер, отвечающий за управление питанием, располагается в самом инструменте. Также известное решение, ввиду параллельного подключения аккумуляторов, не позволяет увеличить напряжение питания, т.е. не может быть использовано в различных по требуемому напряжению инструментах.
Предложенная полезная модель направлена на преодоление указанных недостатков уровня техники и позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении универсальной масштабируемости источников питания с расширением области применения.
Раскрытие полезной модели
Для достижения указанного технического результата предложен модульный источник питания, представляющий собой корпус, содержащий аккумуляторную батарею, контроллер и группу выходных контактов, расположенных на одной стороне корпуса, причем что группа выходных контактов включает отрицательный вывод аккумуляторной батареи, выходную управляемую шину, а также контакты, соответствующие кратным номиналам напряжения, на противоположной стороне корпуса расположена группа переходных контактов, включающих положительный вывод аккумуляторной батареи, шину управления, а также контакты, соответствующие кратным номиналам напряжения, причем контроллер включен между управляемой и управляющей шинами через транзисторный ключ.
В предпочтительном варианте осуществления транзисторный ключ представляет собой три параллельно включенных шунтированных сопротивлениями силовых транзистора, а номиналы напряжений составляют 18, 36 и 54 В.
В дальнейшем разделе описания представлены подробные сведения о принципе работы предложенного модульного источника питания в объеме, достаточном для осуществления специалистом.
Осуществление полезной модели
Представленное ниже описание содержит иллюстративные варианты осуществления полезной модели, не предназначенные для ограничения объема охраны. Специалисту будет понятно, что принцип работы предложенного решения может быть осуществлен с применением элементной базы, иной, чем описано ниже, что может быть обусловлено конкретными условиями производства или экономическими факторами.
Для более полного раскрытия сущности полезной модели в материалах заявки представлены поясняющие чертежи, согласно которым раскрываются:
фиг. 1 - общий вид корпуса предложенного модульного источника питания (МИЛ);
фиг. 2 - структурная схема состава и соединения МИЛ;
фиг. 3 - вариант электрической принципиальной схемы МИП;
фиг. 4 - схема работы защиты;
фиг. 5 - соединение трех модулей.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Как видно на фиг. 1, МИП представляет собой корпус, имеющий две группы контактов, которые размещаются с противоположных сторон корпуса, в данном случае - с верхней и с нижней стороны. Одна из групп представляет собой выходные контакты (которые могут использоваться для подачи питания потребителю), другая группа представляет собой переходные контакты, предназначенные для соединения нескольких МИП между собой (фиг. 5) для образования источника питания с необходимым номиналом напряжения.
На фиг. 2 каждый отдельный МИП обозначен позициями G1-G3.
В левой части структурной схемы (фиг. 2) по вертикали показано последовательное соединение элементов питания модулей МИП. Плюс с G1 -переход на минус G2, далее плюс G2 переход на минус G3 и т.д. Далее за счет сдвига шин вправо на переходах соединений, можно получить 36 В (подключив два модуля по 18 В вместе), 54 В (подключив три модуля по 18 В вместе), а также в дополнительном варианте 72 В (не показано). Таким образом, обеспечивается создание МИП с любыми параметрами и любым количеством отдельных модулей. Для коммуникации модулей между собой при реализации такой схемы возможно применение одной дополнительной шины-контакта.
На примере фиг. 2 рассмотрен принцип коммуникации трех модулей.
В случае, если используется один модуль 18 В (модуль G1), то транзисторным ключом подачи тока (минусовой шины P-OUT) будет мощный транзистор Т1 и он будет открыт, при этом транзисторы Т2 и Т3 закрыты. Положительным выводом является, соответственно, шина Р+18v. Шина Р- используется только для переходов, когда задействованы два и более модулей МИП.
При подключении дополнительных модулей происходит следующее.
При подключении второго модуля G2, на контроллере верхнего модуля (который будет являться управляющим для вновь образуемого МИП) откроется транзистор Т2, при подключении третьего модуля G3, произойдет открытие транзистора Т3. Эти транзисторы подключены параллельно транзистору Т1, с шунта (резистора), с которого снимается падение напряжения, для ограничения тока. Все управление осуществляется контроллером верхнего по расположению модуля МИП (G1 в данном случае). С помощью шины R-Control, входящей в состав переходной группы контактов, производится контроль по температуре и заниженному напряжению ниже расположенных батарей модулей (G2 и G3) и, в случае необходимости, подается сигнал на отключение модулю G1.
Как правило, электроинструмент на 36 В более мощный, чем на 18 В, соответственно, инструмент на 54 В мощнее инструмента на 36 В. Открывание транзисторов Т2, Т3 при подключении модулей G2 и G3 обеспечивает возможность подключать инструменты с повышенной мощностью, т.к. появляется дополнительная мощность на двух транзисторах для 36 В и на трех транзисторах 54 В еще большая мощность. При этом еще будет изменяться ограничение по току - за счет параллельного соединения транзисторов с резисторами (шунтами). Подбором номинала шунтирующих резисторов (0R004) на истоке транзисторов Т2 и Т3 можно точно рассчитать ограничение по току и отключение МИП при выходе за пределы максимальной мощности инструмента.
В предпочтительном варианте осуществления электрическая схема (фиг. 3) каждого модуля МИП 18 В выполнена на контроллере CW1053, который контролирует напряжения заряда и разряда каждого элемента из которых состоит модуль, в процессе работы и заряда модуля. Кроме того, контроллер также управляет защитой по току и температуре модуля.
Отличительной особенностью МИП, является наличие контроллера, включенного между управляемой и управляющей шинами через транзисторный ключ. Такое подключение дает возможность коммуникации отдельных модулей в единый источник питания с необходимыми потребителю параметрами по напряжению или емкости. При этом контроллер первого модуля берет на себя управление МИП с помощью шины контроля. Контроллеры подключаемых батарей отслеживают данные своих элементов, температуру, напряжение и при необходимости подают сигнал на отключения по шине R-Control на сверху стоящий (подключенный) модуль и так по цепи до самого верхнего (управляющего) контроллера. При этом не предполагается какого-либо предпочтительного расположения или последовательности подключения модулей, поскольку каждый контроллер в каждом модуле МИП, выполнен с отмеченной выше возможностью, т.е. функции управления по объединению модулей в единый источник питания обеспечиваются в том модуле МИП, к которому производится подключение последующих расширяющих модулей.
Согласно фиг. 3, когда модуль G1 не подключен к другим модулям, транзистор Т1 открыт, Т2 и Т3 закрыты, как было сказано ранее. Ограничение по току (от перегрузки) реализована контролем падения напряжения на резисторе R15 в цепи истока Т1, который поступает через резистор R14 на 14-й вывод контроллера U1. Контроль температурного режима осуществляется на терморезисторе RT1 NTC, который меняет свое сопротивление в зависимости от температуры. Далее, цепь проходит через резисторы R11, R12 на выводы 11,12 контролера U1.
Необходимо отметить, что предложенные варианты электрических схем являются иллюстративными, при этом сущность полезной модели заключается в наличии представленных в формуле соответствующих контактов, шин, контроллера и ключа. Поэтому в рамках данной заявки в целях краткости изложения не приводится подробное описание вспомогательных элементов электрической принципиальной схемы (в частности, представленных на фиг. 3, 4). В то же время для специалиста будут однозначно понятны назначения и взаимосвязи компонентов, отмеченных на схемах условными обозначениями, применяемыми в данной области техники.
Рассмотрим случай подключения второго МИП G2 к первому МИП G1.
После подключения к модулю G1 второго модуля G2 на шине R+36v IN верхнего по расположению, управляющего в данном случае, модуля G1 появляется напряжение +36 В. (группа переходных контактов в данном случае находится в нижней части каждого модуля МИП). Это напряжение проходит по шине далее на выход P+36v OUT. (Выходная плюсовая шина (контакт) питания электроинструмента). Напряжением 36 В, через стабилитрон Z1 и резистор R25 открывается второй мощный транзисторный ключ Т2, который включен параллельно транзистору Т1. Со стока транзисторов Т1 и Т2 на Р- OUT (Выходная минусовая управляемая шина питания электроинструмента). Включение параллельно пар (транзистор -резистор) Т1 и R15 в параллель с парой (транзистор - резистор) Т2 и R16, дает дополнительную выходную мощность и повышение верхнего предела по ограничению тока. Падение напряжения на резисторе для этого так же снимается с истока транзистора Т1, затем через резистор R14 на 13-ый вывод контроллера U1.
Также напряжение 36 В через стабилитрон Z1, резистор R22 открывает транзистор Q6, для питания напряжением 18 В (В+) цепей защиты. Затворы транзисторов Т1 и Q3 находятся в одной цепи и управляются контроллером с 14-го вывода. Транзистор Q3 пока открыт напряжением с 14-го вывода контроллера U1, через резистор R14 и R21 на его затвор. При закрывании транзистора Т1, закрывается и транзистор Q3, что приводит полному закрытию выходных транзисторных ключей Т2 и Т3. Исходя из фиг. 3 видно, что пока транзистор Q3 открыт, он держит низкий логический уровень на затворах Q1 и Q2. Эти транзисторы закрыты и не влияют на транзисторы Т2 и Т3. Как только с 14-го вывода контроллер подает сигнал низкого уровня для закрытия Т1 и Q3, в свою очередь открываются Q1 и Q2 напряжением, которое подходит от В+ (+18 В) → Q5 → R22 и закрываются транзисторы Т2 и Т3. Таким образом, модуль полностью отключен. При этом открывается транзистор Q4 и загорается светодиодный индикатор HL1, который сигнализирует о аварийном отключении.
После подключения к группе модулей G1, G2 третьего модуля G3, на шине R+54v IN верхнего по расположению и управляющего в данном случае модуля G1, появляется напряжение +54 В. Это напряжение проходит по шине далее на выход P+54v OUT. (Выходная плюсовая шина (контакт) питания потребителя).
Напряжением 54 В, через стабилитрон Z2 и резистор R26 открывается третий мощный транзисторный ключ Т3, который включен параллельно транзисторам Т1 и Т2. Стоки транзисторов T1, Т2 и Т3 соединены с выходной шиной Р- OUT (Выходная минусовая управляемая шина питания потребителя). Включение параллельно трех пар (транзистор - резистор), Т1 и R15, Т2 и R16, Т3 и R17, дает еще большую выходную мощность и также увеличение верхнего предела ограничения тока. Падение напряжения для ограничения тока так же снимается на резисторе R15 с истока транзистора Т1, затем через резистор R14 на 13-ый вывод контроллера U1.
В данном случае с модулями G2 и G3 управляющий модуль G1 связан только выводами элемента питания батареи и шиной управления защитой Р- OUT (Р- Control). Эта шина выполнят две функции. На верхнем модуле G1 шина Р- OUT является выходной минусовой, непосредственно для питания потребителя. А на ниже расположенных модулях G2 и G3 эта же шина (Р- Control) играет роль управления защитой. Следует отметить, что на модуле G3 открыт только один транзистор T1, а Т2 и Т3 закрыты. Так как в данном случае нет ниже расположенных других модулей. На модуле G2 открыты Т1 и Т2, а Т3 закрыт. На самом верхнем модуле G1 открыты все транзисторные ключи, T1, Т2, Т3. Предположим, отключился модуль G3, расположенный внизу ряда модулей из-за критического температурного режима или заниженного напряжения на элементах батареи. Т.е. на его электронную плату поступил сигнал низкого логического уровня с 14-го вывода контроллера U1 через R10 → на затвор Т1, на закрытие транзистора Т1. Как было ранее, на модуле G3 транзисторы Т2 и Т3 закрыты. Это приводит к тому, что стоки транзисторов T1, Т2, Т3 освобождаются и остаются так называемом «висячем» состоянии. Но через выходные контакты шина Р-OUT (Р- Control), это состояние передается на следующий верхний модуль G2 на шину R-Control и цепи оптрона (оптопара) U3, точнее на 1-ый вывод. Светодиод оптрона открывается и своим излучением открывает фототранзистор оптрона и шунтирует коллектор на общий провод закрывая транзистор Т1, а также закрывая транзистор Q3. А в свою очередь транзистор Q3 закрываясь переключает транзисторы Q1 и Q2, а те в свою очередь закрывают транзисторные ключи Т2, Т3. Стоки этих транзисторов освобождаются и сигнал через шину Р- OUT (Р- Control) поступает далее на следующий верхний управляющий модуль G1 на 1-ый вывод оптрона.
На фиг. 2 видно, что плюс верхней батареи G1 соединяется с минусом ниже расположенной батареи G2, затем через транзисторный ключ Т1 возвращается опять на верхний модуль G1: R+18v (G1) → P-(G2) → T1 → R-OUT → R-Control (Gl). Из чего следует, что если в модуле G2 транзистор Т1 открыт, то напряжения на R+18v и R-Control верхнего модуля G1 примерно одинаковые. Это равенство удерживает оптрон U3 (фиг. 3, 4) закрытым на управляющем модуле.
Таким образом, если закрылись транзисторы T1, Т2 и Т3 из-за критических параметров по температуре или по разряду элементов на модуле G2, то шина R-Control на модуле G1 освобождается. Теперь напряжение 36 В через резистор R23 поступает на 1-ый вывод оптрона и открывает его светодиод. Тот в свою очередь открывает фототранзистор оптрона, который шунтирует на общий провод (на минус) затворы Т1 и Q3. Все ключи T1, Т2, Т3 закрываются (фиг. 4). Таким образом коммуникация трех модулей в один МИП, в режиме заряда и разряда будет абсолютно безопасной и корректной. Функционирование второй аккумуляторной батареи и третьей строится на наличии напряжения высокого или низкого уровня на затворе транзистора Т1.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет охватить широкую область применения поскольку, имея в наличии несколько модулей, обеспечивается возможность подключения изделий с рабочим напряжением от 18 до 54 В, в зависимости от того, каким изделием необходимо воспользоваться пользователю в той или иной ситуации. Таким же образом, при необходимости изменять параметры как по напряжению, так по емкости, можно подключать неограниченное количество модулей, для достижения требуемых параметров.
Необходимо отметить, что единичный модуль МИП полностью сохраняет функцию источника питания и может использоваться по своему прямому назначению. В то же время, выполнение его внутренней структуры и конструкции корпуса предложенным образом, наделяет каждый отдельный МИП свойством универсальной масштабируемости, не требующей вмешательства в электрическую и конструктивную схему инструмента. Следовательно, предложенной полезной моделью обеспечивается достижение указанного выше технического результата.