Устройство обеспечения непрерывной работоспособности электронных устройств при перенапряжениях и коротких высоковольтных импульсах в бортовой сети транспортного средства

Устройство обеспечения непрерывной работоспособности электронных устройств при перенапряжениях и коротких высоковольтных импульсах в бортовой сети транспортного средства
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для защиты электронных устройств от высоких пиковых напряжений сети, а также от возникновения на длительный период времени высокого постоянного напряжения на линиях питания, превышающее в несколько раз номинальное.
В бортовой сети транспортных средств (далее – ТС) из-за несовершенства штатного стабилизатора напряжения, достаточно часто могут возникать регулярные перенапряжения или выбросы напряжения, когда значения амплитуды напряжения достигают высоких значений до 200 В и более, а также когда постоянное напряжение при выходе из строя штатного выпрямителя генератора напряжения достигает 120 В и более. Кроме того, возникают случаи, когда водители для облегчения запуска двигателя в зимнее время к бортовой сети ТС  подключают нештатные пуско-зарядные устройства с напряжением холостого хода 70-110 В. Эти выбросы напряжения и высокое постоянное напряжение, поступая на вход питания радиоэлектронного прибора, могут выводить из строя полупроводниковые элементы (микросхемы, транзисторы), пассивные элементы (конденсаторы и др.) или вызывать сбои в работе отдельных радиоэлектронных приборов, установленных на ТС, которые по этой причине нуждаются в защите. Однако на большинстве электронных приборов установлены предохранители, как плавкие, так и самовосстанавливающиеся. Их срабатывание от перенапряжения приводит к кратковременному или полному отключению защищаемого электронного оборудования.
Известен управляемый электрический предохранитель (патент РФ №2017254, опубликовано 30.07.1994 г.), позволяющий повысить надежность и избирательность действий предохранителя при коротком замыкании в защищаемой цепи переменного тока за счет шунтирования плавкой вставки симистором, управляющий электрод которого включен на повышенный потенциал номинального напряжения феррорезонансной цепи, включенной параллельно защищаемой нагрузке.
Недостатком данного устройства является то, что в нем присутствует плавкая вставка, которую после срабатывания защиты необходимо заменить, что приводит к необходимости отключения приборов и перерывам в работе.
Известно устройство защиты от перенапряжений в сети питания с постоянным напряжением (патент РФ №2145759, опубликовано 20.02.2000 г.), содержащее два ограничителя напряжения, включенных последовательно и встречно друг другу и подключенных между проводниками, по которым поступает напряжение питания к радиоэлектронному прибору. Устройство содержит светодиодную цепочку и плавкую перемычку, образующую с первым ограничителем напряжения предохранительную цепочку, что позволяет обеспечить индикацию выхода из строя ограничителя напряжения, повышает надежность работы радиоэлектронных приборов, показывает наличие или отсутствие напряжения сети и сигнализирует о неисправности устройства защиты.
Недостатком данного устройства является то, что защита построена по принципу поглощения энергии импульса и индикации выхода из строя устройства защиты. В случае прохождения мощного импульса, энергия которого больше той, которую могут поглотить ограничители, устройство защиты выйдет из строя, сработает сигнализация. Задержка восстановления работоспособности устройства защиты, которое требует времени, может привести к тому, что следующий мощный импульс выведет прибор из строя. Также недостатком рассмотренного устройства является то, что поглощение мощных импульсов ведет к увеличению линейных размеров ограничителей напряжения и необходимости отвода тепла, выделяемого при таком поглощении.
Известна схема ограничения мощности (патент США №7075765, опубликовано 09.09.2004 г.), в которой предлагается ограничение величины тока в цепи питания за счет разветвления с использованием тиристоров в ветвях цепи, при этом питание осуществляется путем переключения между ветвями сети в зависимости от значения тока, которое измеряется измерительным устройством и подается на шунтирующее устройство (тиристор), имеющее высокое сопротивление при нормальном значении тока и низкое сопротивление при повышении значения тока до предельного значения для данной сети.
Ввиду того, что тиристоры включены параллельно цепи питания, происходит выделение тепла при срабатывании защиты, для отведения которого требуется дополнительный теплоотвод, что приводит к увеличению размеров данного устройства. Кроме этого, для многоразовых предохранителей время восстановления занимает время от десятых до нескольких секунд, в течение которого прибор находится в выключенном состоянии. Если импульсы высоких пиковых напряжений следуют регулярно, то происходит разогрев предохранителя, который размыкает цепь питания, в результате чего защищаемое устройство оказывается неработоспособным.
Известно устройство защиты электронных приборов от высоких пиковых напряжений в бортовой сети транспортного средства (патент РФ №2502169, опубликовано 20.12.2013 г.), принятое за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, позволяющее повысить надежность за счет  использования электронного ключа на основе транзистора, который включается последовательно в разрыв плюсовой шины питания и работает в режиме «замкнуто»/«разомкнуто» в зависимости от значения напряжения в сети ТС и имеет малое по сравнению с длительностью импульса время включения/выключения, поэтому успевает отсекать короткие высоковольтные импульсы длительностью, например, менее 1 мкс. При перенапряжениях прибор питается от емкости, а при достижении нормального (номинального для данного ТС) значения напряжения ключ возвращается в режим «замкнуто», и защищаемый электронный прибор начинает вновь работать от источника питания ТС.
Недостатком данного устройства является то, что при срабатывании защиты отключается питание, и защищаемой прибор питается за счет энергии в конденсаторах. Данная защита совершенно бесполезна при возникновении длительного непрерывного перенапряжения в бортовой сети, т.к. прибор отключается и перестает работать, что в режиме движения может привести к аварийным ситуациям. Также старение конденсатора, обеспечивающего работоспособность прибора при пиках перенапряжения, может привести к полной неработоспособности прибора по истечении срока его годности, который гораздо короче, чем срок службы ТС. Кроме того, в случае использования приборов с относительно большим потреблением, величина требуемой емкости конденсатора, обеспечивающего работоспособность прибора при пиках перенапряжения, может достичь неприемлемых значений.
Задачей полезной модели является создание устройства, защищающего электронные приборы от высоких пиковых и постоянных значений напряжения бортовой сети ТС, приводящих к их выходу из строя.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы такого устройства защиты за счет использования высоковольтного высокоскоростного электронного ключа, который включается последовательно в разрыв плюсовой шины питания и работает в режиме высоковольтного импульсного стабилизатора напряжения, отсекая короткие высоковольтные импульсы и обеспечивая бесперебойную работу жизненно важных для ТС блоков управления.
Технический результат полезной модели достигается при использовании устройства обеспечения непрерывной работоспособности электронных устройств при перенапряжениях и коротких высоковольтных импульсах в бортовой сети ТС, содержащего блок защиты элементов электронного устройства от коротких высоковольтных импульсов, высоковольтный высокоскоростной электронный ключ с управляющим входом, фильтр низких частот, блок отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи, блок управления электронным ключом, при этом выход блока защиты элементов электронного устройства от коротких высоковольтных импульсов соединен с входом высоковольтного высокоскоростного электронного ключа, выход которого соединен со входом фильтра низких частот, выход которого в свою очередь соединен со входом блока отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи, управляющий выход которого соединен с управляющим входом блока управления электронным ключом, выход которого соединён с управляющим входом высоковольтного высокоскоростного  электронного ключа.
Заявляемое устройство может быть выполнено в качестве внешнего или встраиваемого блока в тахограф или другое электронное устройство.
На  фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства обеспечения непрерывной работоспособности тахографа при перенапряжениях и коротких высоковольтных импульсах в бортовой сети ТС.
На фиг. 2 показан пример использования  заявляемого устройства, встроенного в тахограф.
Заявляемое устройство согласно фиг. 1 содержит следующие функциональные блоки:
1 - блок защиты элементов электронного устройства от коротких высоковольтных импульсов,
2 - высоковольтный высокоскоростной электронный ключ,
3 - фильтр низких частот,
4 - блок отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи,
5 - блок управления электронным ключом,
при этом указанные блоки 1, 2, 3, 4 соединены последовательно, а блок 5 через обратную связь подключен к управляющему входу блока 2. Конденсаторы С1 и С2 служат для сглаживания пульсаций напряжения питания в указанных цепях.
В частности, в блоке защиты элементов электронного устройства от коротких высоковольтных импульсов 1 в качестве элементов используются супрессоры, варисторы и прочие защитные элементы, которые обеспечивают защиту от кратковременного перенапряжения. Если напряжение на входе блока 1 внезапно превысит заранее определенное значение, сопротивление элементов в блоке 1 резко упадет, и данный блок фактически станет коротким замыканием. То есть блок 1 шунтирует цепь и защищает от высоковольтных бросков напряжения, позволяет кратковременно выдерживать пиковые токи в сотни вольт, сглаживая переходные процессы в бортовой сети.
В качестве высоковольтного высокоскоростного электронного ключа 2 используются такие активные элементы, как транзисторы, тиристоры, симисторы и прочие элементы (далее – активные элементы), которые способны обеспечить быстрое включение/выключение нагрузки в зависимости от сигнала на управляющем входе. В отличие от блока 1, элементы в блоке 2 при подаче сигнала на управляющий вход резко меняют свое сопротивление в сторону увеличения, фактически размыкая цепь. При снятии сигнала на управляющем входе сопротивление резко падает, что обеспечивает протекание тока через высоковольтный высокоскоростной электронный ключ 2 практически без потерь и его нагрева.
Фильтр низких частот 3 служит для сглаживания пульсаций напряжения на выходе с высоковольтного высокоскоростного электронного ключа 2 и выделения постоянной составляющей напряжения. Сглаживающий фильтр низких частот 3 может быть выполнен как на пассивных элементах (емкостные, индуктивные, индуктивно-емкостные), так и активных (транзисторные и пр. полупроводниковые).
Блок отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи 4 отслеживает напряжение, которое подается с фильтра низких частот 3, и в случае его снижения, вырабатывает сигнал обратной связи для блока управления электронным ключом 5, который в свою очередь подает сигнал на управляющий вход высоковольтного высокоскоростного электронного ключа 2, открывая его. Блок управления электронным ключом 5 может быть выполнен на основе транзистора или иного активного элемента. Блок 4 может быть выполнен, например, на таких  активных элементах, как микросхемы, транзисторы.
Заявленное устройство предназначено для обеспечения работоспособности бортовых устройств, таких как тахограф. При перенапряжениях и коротких высоковольтных импульсах используется схема на основе высоковольтных активных элементов, работающих в ключевом режиме, рассчитанных на работу при напряжении бортовой сети Uвх., в несколько раз превышающем номинальное напряжение и выдающем стабилизированное номинальное напряжение на выходе – Uном. При этом работа заявляемого устройства рассчитана таким образом, что наряду с эффективной стабилизацией Uном, оно способно отрабатывать и подавлять короткие, высоковольтные импульсы бортовой сети ТС, которые многократно превышают расчетные значения Uвх.
При нарастании значения входного напряжения Uвх высоковольтный высокоскоростной электронный ключ 2 находится в открытом состоянии, обеспечивая минимальные потери от протекающего через него тока, что исключает его нагрев. Фильтр низких частот 3 сглаживает пульсации тока от указанного электронного ключа 2, обеспечивая плавное изменение напряжение на входе блока отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи 4. При достижении на выходе указанного блока отслеживания 4 номинального значения Uном, он вырабатывает сигнал для блока управления электронного ключа 5, который в свою очередь закрывает высоковольтный высокоскоростной электронный ключ 2. При этом напряжение Uном начинает падать, блок отслеживания номинального напряжения и выработки обратной связи 4 вырабатывает сигнал для блока управления электронного ключа 5, который открывает высоковольтный высокоскоростной электронный ключ 2. При этом фильтр низких частот 3 сглаживает работу высоковольтного высокоскоростного электронного ключа 2 в режиме постоянного открывания/закрывания и выравнивает значение выходного напряжения на блоке отслеживания номинального напряжения и выработки сигнала обратной связи 4. В случае длительного перенапряжения на входе, высоковольтный высокоскоростной электронный ключ 2 будет открываться реже, а в случае незначительного превышения напряжения – чаще.
Особенность заявленной конструкции в том, что прекращения работы блока питания для бортовых устройств (тахографа или другого радиоэлектронного устройства) не происходит даже в случае длительного и многократного превышения напряжения питания в бортовой сети ТС. С целью повышения надёжности, все элементы заявленного устройства рассчитываются исходя из заданного уровня максимального входного рабочего напряжения с запасом не менее 50%. Например, если на входе возможно 10-кратное увеличение входного напряжения для ТС с бортовой сетью 24 В, то есть входное напряжение Uвх может достигать 240В, то все элементы заявленной конструкции должны иметь допустимые рабочие напряжения не менее Uвх.макс 360В. Блок 1 необходим для защиты элементов устройства от коротких высоковольтных импульсов, поэтому элементы в нём выбираются с рабочим диапазоном выше допустимого рабочего напряжения Uвх.макс.
Работа электронных устройств в ТС может быть критичная для эксплуатации самого ТС. Так, согласно действующему законодательству, эксплуатация ТС с неисправным или неработающим тахографом запрещена. Данное техническое решение для защиты от перенапряжения не требует использовать плавкие вставки и многоразовые предохранители, что позволяет избежать перерывов в работе тахографа, связанных с необходимостью замены плавких вставок или временем восстановления многоразовых предохранителей.
Для понимания предложенной полезной модели далее приводится ее подробное описание с соответствующей схемой тахографа, приведенной на фиг. 2.
Тахограф цифровой электронный содержит:
6 – бортовое устройство;
7 –  заявленное устройство обеспечения непрерывной работоспособности тахографа;
8 - внутренний источник питания;
9 – центральный процессор;
10 – навигационное криптографическое устройство (НКМ);
11 - блок памяти;
12 - батарея резервного питания;
13 – часы реального времени;
14 - печатающее устройство;
15 - блок индикации;
16 – клавиатура;
17 – карт-ридеры;
18 – модули ГНСС ГЛОНАСС/GPS c антеннами,
19 - блок с гироскопами и акселерометрами;
20 – устройства связи и ввода-вывода (GSM/GPRS/3G/4G/LTE, Wi-Fi, Bluetooth RS, USB, Ethernet и пр.);
21 - внешний источник питания (бортовая сеть, аккумулятор, генератор);
22 – информационная система мониторинга, диспетчерских и (или) аварийных служб;
23 - компьютерные устройства;
24 - внешние устройства, включая различные датчики (скорости, движения, ускорения и пр.);
25 – «облачный» сервер.
Тахограф цифровой электронный содержит бортовое устройство 6, заявленное устройство обеспечения непрерывной работоспособности тахографа 7, внутренний источник питания 8. После преобразования и стабилизации напряжения (может быть несколько напряжений питания) от внутреннего источника питания 8 преобразованное напряжение подаётся на центральный процессор 9, на навигационное криптографическое устройство 10, в состав которого входит модуль ГНСС ГЛОНАСС/GPS, в который встроены часы реального времени и батарея резервного питания часов реального времени, на блок памяти 11, на часы реального времени 13, на печатающее устройство 14, на блок индикации 15, на карт-ридеры 17, на модули ГНСС ГЛОНАСС/GPS c антеннами 18, на блок с гироскопами и акселерометрами 19, на устройства связи и ввода-вывода (GSM/GPRS/3G/4G/LTE, Wi-Fi, Bluetooth RS, USB, Ethernet и пр.) 20. Центральный процессор 9 представляет собой вычислительный блок, работающий под управлением программного обеспечения (операционной системы), к которому подключается  навигационное криптографическое устройство 10, блок памяти 11, печатающее устройство 14, блок индикации 15, клавиатура 16, карт-ридеры 17, модули ГНСС ГЛОНАСС/GPS c антеннами 18, блок с гироскопами и акселерометрами 19 и устройства связи и ввода-вывода (GSM/GPRS/3G/4G/LTE, Wi-Fi, Bluetooth RS, USB, Ethernet и пр.) 20. Батарея резервного питания 12 подключается к часам реального времени 13 и к центральному процессору 9, обеспечивает аварийное питание центрального процессора 9 и часов реального времени 13. Центральный процессор 9 может использовать в работе криптографические алгоритмы (один или несколько) с целью некорректируемой регистрации в блоке памяти 11 информации, а также с целью взаимной аутентификации при работе с внешними устройствами 24 или со смарт-картами, вставляемые через карт-ридеры 17. Это позволяет обеспечивать непрерывную, некорректируемую регистрацию информации о скорости и маршруте движения ТС, о режиме труда и отдыха водителей ТС. Блок памяти 11 включает в себя различные микросхемы памяти, которые могут быть энергонезависимые, а также съемные. Навигационное криптографическое устройство 10 выполнено в виде отдельного съемного модуля в своем собственном корпусе, защищённом от несанкционированного вскрытия, с невозможностью отключения таймера и батареи резервного питания, представляет собой сменный модуль, который встраивается в корпус бортового устройства 6. Печатающее устройство 14 имеет в своем составе датчик температуры термоголовки, выполнено с обратной связью для контроля за температурой термоголовки с целью обеспечения стабильного качества печати на чековой ленте во всем диапазоне температур окружающей среды, в которой эксплуатируется бортовое устройство 6. Блок индикации 15 представляет собой дисплей (экран), снабженный сенсорной панелью с функцией мультитач и обеспечивающий одновременно как вывод, так и ввод информации, то есть заменяющий и/или дополняющий клавиатуру 16. Клавиатура 16 может применяться в случаях, когда использование в качестве клавиатуры сенсорной панели (экрана)  неудобно или невозможно. Модули ГНСС ГЛОНАСС/GPS могут иметь в своём составе как встроенные, так и внешние антенны. К устройствам связи ввода-вывода 20 (могут быть как проводные, так и беспроводные) можно подключать внешние устройства 24, которые представляют собой внешние клавиатуры, датчики движения и скорости, аудио-видео устройства, тревожные кнопки, микрофоны, датчики температуры и прочие устройства, работающие как самостоятельно, так и под управлением бортового устройства 6, через которые бортовое устройство 6 передает и (или) получает информацию. Наличие блока с гироскопами и акселерометрами 19 обеспечивает возможность определения координат ТС, маршрута движения, скорости движения и пройденного пути при отсутствии сигналов ГНСС на модуле 18 и при отсутствии информации от внешних устройств 24. При появлении сигналов ГНСС на модуле 18 центральный процессор 9 вносит поправки в скорость движения и координаты ТС, получаемые от гироскопов и акселерометров, что значительно повышает точность определения координат и скорости движения в работе тахографа. Кроме того, к устройствам связи и ввода-вывода 20 могут подключаться компьютерные устройства 23, «облачный» сервер 25, которые могут управлять работой бортового устройства 6 (загрузка программного обеспечения, обмен данными, загрузка/выгрузка параметров ТС, скорости движения, местоположения и прочее). Через устройства связи и ввода-вывода 20 можно обмениваться информацией о скорости движения, пройденном пути, о работе тахографа, о местоположении ТС, о состоянии подключенных внешних устройств 24 с информационной системой мониторинга, диспетчерской и/или аварийной служб 22.