УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НОСИМЫХ РАДИОСТАНЦИЙ
PORTABLE RADIO STATION POWER SUPPLY DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в качестве устройства для электропитания постоянным током носимых радиостанций.
Для электропитания носимых радиостанций используются аккумуляторные батареи с различным номинальным напряжением постоянного тока. Это могут быть аккумуляторные батареи, имеющие в своем составе несколько последовательно соединенных однотипных аккумуляторов, с напряжением от 6 до 12 В или отдельные аккумуляторы с номинальным напряжением от 1,2 до 3,7 В [1, 2, 3]. Такие батареи имеют ряд недостатков, обусловленных неидентичностью характеристик, применяемых в них аккумуляторов. Поэтому при заряде и разряде батарей появляются «опережающие» аккумуляторы, то есть при заряде они быстрее других восстанавливают емкость, а при разряде быстрее других отдают емкость.
Кроме того, при размещении отдельных аккумуляторов в корпусе батареи снижается (уменьшается) ее удельная энергоемкость по сравнению с удельной энергоемкостью аккумулятора, так как необходимо иметь зазоры между аккумуляторами, чтобы учесть небольшое вздутие корпуса аккумуляторной батареи от давления выделяемых аккумуляторами газов, а также улучшения условий охлаждения самих аккумуляторов.
Время работы радиостанций при осуществлении электропитания их от полностью заряженной аккумуляторной батареи обычно лежит в пределах нескольких часов. После этого необходимо вынимать аккумуляторы из радиостанции и осуществлять их зарядку, на что требуется 14-16 часов. Задача усложняется еще и тем, что в полевых условиях отсутствуют источники зарядного тока. Следовательно, работа радиостанций прекращается на длительное время. Поэтому возникает задача увеличить продолжительность работы аккумуляторной батареи или отдельных аккумуляторов в полевых условиях.
Увеличить продолжительность работы радиостанций возможно за счет использования нескольких резервных аккумуляторов, которые находятся в комплекте радиостанции. Однако такое решение не позволяет обеспечить непрерывность работы радиостанций из-за необходимости замены разряженных на заряженные аккумуляторы. Кроме того, количество резервных аккумуляторов не может быть большим из-за ограничения объема запасных инструментов и приборов (ЗИП) радиостанции.
Особую актуальность приобретает решение такой задачи в условиях необходимости обеспечения постоянной радиосвязи при авариях на промышленных объектах и в чрезвычайных ситуациях, при проведении спасательных работ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является автономное автоматическое устройство поэлементного доразряда серебряно-цинковых аккумуляторов и аккумуляторов других систем, описанное в патенте на полезную модель №61464 [4]. Это устройство содержит серебряно-цинковый аккумулятор, нагрузочное сопротивление, электронный ключ запуска и остановки доразряда, узел контроля напряжения аккумуляторов, узел логики, узел индикации прохождения тока доразряда, узел защиты от перезаряда и повышающий стабилизированный преобразователь напряжения.
Основными недостатками указанного устройства являются ограничения по обеспечению номиналов выходного напряжения и продолжительности работы аккумулятора, а также необходимость постоянного дозаряда аккумулятора, что исключает возможность использования его для длительного электропитания носимых радиостанций.
Задачей изобретения является создание компактного устройства, обеспечивающего получение различных номиналов выходного напряжения с требуемым качеством на основе преобразования напряжения аккумулятора в повышенное напряжение для электропитания носимых радиостанций в течение продолжительного времени работы станции в полевых условиях.
Целью изобретения является увеличение продолжительности и непрерывности работы носимых радиостанций в полевых условиях, обеспечение возможности выдачи нескольких номиналов напряжения электропитания и улучшение качества электроэнергии.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство электропитания носимых радиостанций, содержащее аккумулятор, внешнее зарядное устройство, повышающий преобразователь напряжения, узел контроля напряжения и тока, блок индикации и электронный ключ, отличающееся тем, что в него введены второй аккумулятор, второй и третий электронные ключи, блок управления режимами работы устройства, а повышающий преобразователь напряжения выполнен в виде блока, состоящего из инвертора, повышающего трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра, при этом первый и второй выходы первого электронного ключа подключены ко входам соответственно первого и второго аккумуляторов, выход первого аккумулятора соединен с первым входом второго электронного ключа и с первым входом узла контроля напряжения и тока, второй вход которого соединен с выходом второго аккумулятора и со вторым входом второго электронного ключа, информационный выход узла контроля напряжения и тока соединен с первым информационным входом блока управления режимами работы устройства, сигнальный выход узла контроля напряжения и тока соединен со входом блока индикации, выход второго электронного ключа соединен со входом инвертора повышающего преобразователя напряжения, выход которого через повышающий трансформатор соединен со входом выпрямителя, выход которого соединен со входом сглаживающего фильтра, выход которого соединен с третьим входом узла контроля напряжения и тока, со вторым информационным входом блока управления режимами работы устройства и с первым входом третьего электронного ключа, второй вход которого соединен с выходом внешнего зарядного устройства, а выход третьего электронного ключа соединен со входом первого электронного ключа, первый, второй, третий, четвертый и пятый управляющие выходы блока управления режимами работы устройства подключены к управляемым входам соответственно первого электронного ключа, второго электронного ключа, блока индикации, инвертора и третьего электронного ключа, при этом выход сглаживающего фильтра является выходом устройства, к которому подключены потребители постоянного тока, а второй вход третьего электронного ключа является входом устройства.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое устройство электропитания носимых радиостанций отличается наличием новых блоков: второго аккумулятора, двух электронных ключей, блока управления режимами работы устройства и выполнением повышающего преобразователя напряжения в виде блока, состоящего из инвертора, повышающего трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра, а также изменением связей между известными блоками. Полученная новая совокупность элементов в патентной и технической литературе на момент подачи заявки на изобретение неизвестна.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна». Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение новых блоков и изменение связей с остальными элементами схемы способствует проявлению новых свойств устройства, приводит к увеличению продолжительности и непрерывности работы устройства в полевых условиях, обеспечению возможности выдачи нескольких градаций напряжения электропитания носимых радиостанций и повышения качества напряжения электропитания. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Данное решение существенно отличается от известных решений в данной области техники, явным образом не следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень. Кроме того, оно промышленно применимо, что подтверждено разработкой документации на данное устройство и проведением испытаний изготовленного макета устройства.
На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства электропитания носимых радиостанций.
Устройство электропитания носимых радиостанций содержит первый аккумулятор 1, первый электронный ключ 2, второй аккумулятор 3, второй электронный ключ 4, узел 5 контроля напряжения и тока, блок 6 индикации, блок управления 7 режимами работы устройства, повышающий преобразователь 8 напряжения, состоящий из инвертора 9, повышающего трансформатора 10, выпрямителя 11 и сглаживающего фильтра 12, потребители 13 постоянного тока, третий электронный ключ 14 и внешнее зарядное устройство 15.
Первый и второй выходы первого электронного ключа 2 подключены ко входам соответственно первого 1 и второго 3 аккумуляторов, выход первого аккумулятора 1 соединен с первым входом узла 5 контроля напряжения и тока и с первым входом второго электронного ключа 4, второй вход которого соединен с выходом второго аккумулятора 3 и со вторым входом узла 6 контроля напряжения и тока, информационный выход узла 5 контроля напряжения и тока подключен к первому информационному входу блока управления 7 режимами работы устройства, а сигнальный выход узла 5 контроля соединен со входом блока 6 индикации, выход второго электронного ключа 4 соединен со входом инвертора 9 повышающего преобразователя 8 напряжения, выход которого через повышающий трансформатор 10 соединен со входом выпрямителя 11, выход которого соединен со входом сглаживающего фильтра 12, выход которого соединен с третьим входом узла 5 контроля напряжения и тока, со вторым информационным входом блока управления 7 режимами работы устройства и с первым входом третьего электронного ключа 14, второй вход которого соединен с выходом внешнего зарядного устройства 15, а выход третьего электронного ключа 14 соединен со входом первого электронного ключа 2, первый, второй, третий, четвертый и пятый управляющие выходы блока управления 7 режимами работы устройства подключены к управляемым входам соответственно первого электронного ключа 2, второго электронного ключа 4, блока 6 индикации, инвертора 9 и третьего электронного ключа 14, при этом выход сглаживающего 12 фильтра является выходом устройства, к которому подключены потребители 13 постоянного тока, а второй вход третьего электронного ключа 14 является входом устройства.
Предлагаемое устройство электропитания носимых радиостанций может быть реализовано с использованием выпускаемых промышленностью современных серийных элементов.
В качестве первого 1 и второго 3 аккумуляторов могут быть использованы никель-кадмиевые, серебряно-цинковые или литий-ионные аккумуляторы, имеющие соответственно номиналы напряжения 1,2 и 3,7 В постоянного тока. При этом могут быть использованы аккумуляторы как зарубежного производства (компании SONY, SAMSUNG и PANASONIC типа CGR18650H), так и отечественного производства, например никель-кадмиевые цилиндрические или призматические аккумуляторы типа НКГЦ емкостью 0,5-2 Ач и НКГП емкостью 0,5-2 Ач, а также литий-ионные призматические аккумуляторы типа ЛИА емкостью 0,9-2 Ач [3].
Узел 5 контроля напряжения и тока содержит измерительные приборы и предназначен для контроля величины напряжения и тока, поступающих с выхода первого 1 и второго 3 аккумуляторов, уровня напряжения, получаемого на выходе повышающего преобразователя 8 напряжения, поступающего с выхода сглаживающего фильтра 12.
Блок 6 индикации содержит узлы приема информации и несколько индикаторов, в том числе индикаторы, на которых отображается состояние первого 1 и второго 3 аккумуляторов, информация о напряжении на выходе сглаживающего фильтра 12. При этом информация на индикаторах для первого 1 и второго 3 аккумуляторов отображается в виде трех состояний: «зарядка», «заряжен» и «разряжен». В качестве индикаторов могут быть использованы светодиоды, причем каждое состояние отображается разным цветом: «зарядка» - желтый цвет, «заряжен» - зеленый цвет и «разряжен» отображается красным цветом. Выходное напряжение отображается также тремя состояниями: «норма» (зеленый цвет), «ниже нормы» (желтый цвет) и «нет» (красный цвет) - отсутствует напряжение на выходе преобразователя.
Блок 7 управления режимами работы устройства содержит узел логики (вычислитель), осуществляющий обработку информации, поступающей на его входы от узла 5 контроля напряжения и тока, сглаживающего фильтра 12, и формирователь управляющих сигналов, обеспечивающий формирование управляющего напряжения для работы первого 2, второго 4 и третьего 14 электронных ключей, блока 6 индикации и инвертора 9 повышающего преобразователя 8 напряжения.
Инвертор 9 предназначен для преобразования напряжения постоянного тока, поступающего с выхода одного из двух аккумуляторов, в импульсное напряжение высокой частоты того же номинала. Управление регулировкой и стабилизация напряжения на выходе инвертора 9 осуществляется под действием управляющих сигналов, поступающих с управляющего выхода блока 7 управления режимами работы устройства.
Повышающий трансформатор 10 преобразователя 8 напряжения предназначен для повышения импульсного напряжения высокой частоты до требуемого уровня, например до напряжения величиной 12 В.
В качестве повышающего трансформатора могут быть использованы тороидальные трансформаторы серии ТТП типа ТТП-3 или ТТП-10, предназначенные для преобразования переменного тока одного напряжения в другое или в другие. Такие трансформаторы имеют значительно меньшую массу и габаритные размеры. Они обеспечивают выходную мощность 1-3 и 5-12 Вт, резкое уменьшение поля рассеяния, меньший уровень шума и более высокий КПД по сравнению с трансформаторами других типов аналогичного назначения [5].
Выпрямитель 11 предназначен для преобразования импульсного напряжения высокой частоты с требуемым уровнем в напряжение постоянного тока с номиналом, необходимым для питания переносной радиостанции, например, величиной 12 В постоянного тока.
Сглаживающий фильтр 12 предназначен для сглаживания пульсаций высокой частоты и получения выходного напряжения с требуемым качеством электроэнергии, которое выдается потребителю 13.
Повышающий преобразователь 8 напряжения может быть выполнен в виде единого модуля питания. Варианты структурных схем двухканального модуля питания, обеспечивающего выдачу потребителю двух номиналов напряжения, приведен в [6].
Все элементы предлагаемого устройства конструктивно размещаются в одном корпусе, на внешней стороне которого оборудованы разъемы для подключения внешнего зарядного устройства 15 и потребителей 13. Для защиты указанных разъемов и исключения короткого замыкания предусмотрена съемная крышка. Кроме того, предусмотрена возможность съема разряженных аккумуляторов из корпуса и замены их на другие заряженные аккумуляторы аналогичного или другого типа.
Устройство электропитания носимых радиостанций работает следующим образом.
Устройство имеет два режима работы:
1) заряд аккумуляторов 1 и 3 от внешнего зарядного устройства 15;
2) преобразование напряжения, поступающего с выхода первого аккумулятора 1 или второго аккумулятора 3, в номинал напряжения для питания радиостанции и выдача питающего напряжения потребителю 13, а также подзаряд одного из двух незадействованных в данный момент времени аккумуляторов.
Для первого режима работы характерно подключение внешнего зарядного устройства 15 и осуществление поочередного заряда первого 1 и второго 3 аккумуляторов. При этом контакты третьего электронного ключа 14 находятся в замкнутом положении, при котором второй вход электронного ключа 14 подключен на его выход, а первый вход отключен, что исключает возможность одновременной подачи зарядного тока на входы обоих аккумуляторов 1 и 3.
При подаче зарядного тока от внешнего зарядного устройства 15 автоматически замыкаются выходные контакты электронного ключа 2 и через первый выход электронного ключа 2 зарядный ток поступает на вход аккумулятора 1. В момент заряда аккумуляторов с выхода устройства потребителю 13 напряжение питания не подается. После окончания заряда первого аккумулятора 1 выходные контакты первого электронного ключа 2 в сторону первого аккумулятора отключаются и переключаются на второй выход, подавая тем самым зарядный ток на вход второго аккумулятора 3. Управление переключением контактов первого электронного ключа 2 осуществляется под действием управляющих сигналов, поступающих с соответствующего управляющего выхода блока 7 управления режимами работы устройства.
Управление зарядом первого 1 и второго 3 аккумуляторов осуществляется с блока 7 управления режимами работы устройства. При этом осуществляется контроль тока и напряжения заряда на аккумуляторах с помощью узла 5 контроля. Как только напряжение на выходе аккумулятора 1 достигнет требуемого уровня, происходит отключение первого выхода первого электронного ключа 2 от аккумулятора 1 и через второй выход первого электронного ключа 2 переключение внешнего зарядного устройства 15 на вход второго аккумулятора 3.
После окончания заряда первого 1 и второго 3 аккумуляторов происходит отключение внешнего зарядного устройства 15 и подключение первого выхода третьего электронного ключа 14 ко входу первого электронного ключа 2 для подачи тока подзаряда аккумуляторов 1 или 3 от выходного напряжения устройства, поступающего с выхода сглаживающего фильтра 12.
Для преобразования напряжения первого 1 или второго 3 аккумуляторов это напряжение с выхода аккумулятора 1 или аккумулятора 3 подается через соответствующие входы второго электронного ключа 4 на вход инвертора 9. В инверторе 9 осуществляется преобразование номинала постоянного напряжения аккумулятора 1 или аккумулятора 3 в импульсное напряжение высокой частоты (100 кГц и выше) того же номинала, которое с выхода инвертора поступает на вход повышающего трансформатора 10. Трансформатор 10 осуществляет повышение номинала импульсного напряжения до требуемого уровня, например 6 или 12 В.
Техническим эффектом от предлагаемого устройства электропитания носимых радиостанций является обеспечение продолжительности и непрерывности электропитания потребителей при длительной работе радиостанций в полевых условиях, где отсутствует возможность заряда аккумуляторов от источников электроэнергии, а также расширение области применения устройства за счет возможности использования его для электропитания носимых радиостанций, имеющих различные номиналы питающего напряжения.
Предлагаемое устройство электропитания носимых радиостанций позволяет:
увеличить продолжительность непрерывной работы радиостанции в полевых условиях за счет обеспечения возможности поочередного разряда двух аккумуляторов;
увеличить время разряда аккумулятора за счет использования полной емкости при разряде аккумулятора;
обеспечить возможность выдачи нескольких номиналов напряжения электропитания для носимых радиостанций;
улучшить согласование напряжения электропитания радиостанции с аккумулятором за счет преобразования и стабилизации его напряжения;
повысить в несколько раз надежность работы устройства за счет безобрывного переключения электропитания радиостанции с разряженного аккумулятора на резервный;
упростить процесс контроля и управления режимами работы аккумулятора;
сократить время подготовки аккумулятора к заряду за счет исключения дополнительных затрат времени для доразряда элементов батареи, имеющей в своем составе, как и в предлагаемом устройстве, два аккумулятора;
поддерживать постоянство емкости резервного аккумулятора за счет подзаряда его минимальным током посредством напряжения, подаваемого с выхода сглаживающего фильтра 12 на вход резервного (первого 1 или второго 3) аккумулятора.
Источники информации
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Издательство «Изумруд», 2003, с.89-108.
2. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Li-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ. Научно-популярное издание. - Красноярск: «Платина», 2002, с.216-232.
3. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметические химические источники тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005, с.156-173.
4. RU, патент на полезную модель №61464 U1, кл. H01M 10/44, 2006 (прототип).
5. Каталог «Real Electronics». Импульсные трансформаторы. Санкт-Петербург, Ленинский пр., 151, офис 736а (812) 718-8230, (812) 370-9369 info(&)realchip.ru. Представительство в Москве: (495) 783-8175, с.16-18.
6. Реферативный журнал «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК». Источники электропитания. Основные параметры и рекомендации по применению модулей питания МДМ, МДМ-П, МДМ-ЕП, МДМ-М. - Москва, 2008, с.10-12.