ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО

Предполагаемая полезная модель относится к электротехнике и предназначена для заряда аккумуляторных батарей (аккумуляторов).
Известно зарядное устройство (Авторское свидетельство СССР №748661, кл. H 02 J 7/02, 1980 г.), которое вначале разряжает аккумулятор стабилизированным током до минимально допустимого напряжения, соответствующего полностью разряженному аккумулятору, а затем автоматически переходит в режим заряда и в течение фиксированного времени заряжает его стабилизированным током.
Недостатком этого зарядного устройства является неработоспособность при ударных воздействиях, во время которых может кратковременно пропадать контакт между аккумулятором и зарядным устройством, что приводит к автоматическому переходу в режим заряда. Если это происходит во время разряда аккумулятора, то возможен его перезаряд и выход из строя.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является зарядное устройство (Авторское свидетельство СССР №1775797, кл.. H 02 J 7/02, 1988 г.), содержащее клеммы для подключения аккумулятора, устройство выключения, устройство сравнения, задатчик режима работы, переключающий режим работы (с разряда на заряд) по сигналам с устройства сравнения, стабилизатор тока разряда, стабилизатор тока заряда, генератор и счетчик.
В рассматриваемом зарядном устройстве работа устройства сравнения блокируется (запрещается переход из режима разряда в режим
заряда аккумулятора) при отключении от клемм зарядного устройства аккумулятора, чем обеспечивается устойчивость к ударным воздействиям. К недостаткам данного зарядного устройства можно отнести:
- возможность избыточного заряда аккумуляторов (что приводит к выходу их из строя, а у герметичных аккумуляторов - к взрыву), в случае когда оператор по ошибке до окончания заряда одного аккумулятора отключает его от клемм зарядного устройства и подключает к ним другой, предварительно не разряженный;
- неудобство эксплуатации зарядного устройства из-за отсутствия автоматического включения и автоматического начала цикла разряд-заряд при подключении к клеммам зарядного устройства аккумулятора (рассматриваемое зарядное устройство не реагирует на отключение и подключение к его клеммам аккумуляторов);
- при отключении от клемм зарядного устройства аккумулятора в режиме заряда напряжение, обеспечивающее заряд аккумулятора, от клемм зарядного устройства не отключается, что небезопасно для оператора, а в случае замыкания клемм может привести к выходу из строя зарядного устройства.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение надежности и безопасности процесса заряда аккумуляторов путем исключения их избыточного заряда.
Указанная цель достигается тем, что в зарядное устройство, содержащее клеммы, устройство выключения, вход которого соединен с клеммами, устройство сравнения, задатчик режима работы, первый вход которого соединен с выходом устройства выключения, стабилизатор тока заряда, стабилизатор тока разряда, генератор, первый таймер, первый вход которого является тактовым и соединен с первым выходом генератора, а выход - со вторым входом задатчика режима работы, дополнительно введены второй таймер, первый вход которого является входом разрешения счета и соединен с выходом устройства выключения, второй вход является
тактовым и соединен со вторым выходом генератора, третий вход второго таймера является первым входом установки в нулевое состояние и соединен с третьим выходом генератора, при этом частота на третьем выходе генератора F1, частота на втором выходе генератора f1 и коэффициент пересчета второго таймера N1 выбираются исходя из условия F1<f1/N1, четвертый вход второго таймера является вторым входом установки в нулевое состояние и соединен с первым выходом задатчика режима работы, выход второго таймера соединен с третьим входом задатчика режима работы, третий таймер, первый вход которого является входом разрешения счета и соединен с выходом устройства сравнения, второй вход является тактовым и соединен с четвертым выходом генератора, третий вход является первым входом установки в нулевое состояние и соединен с пятым выходом генератора, при этом частота на пятом выходе генератора F2, частота на четвертом выходе генератора f2 и коэффициент пересчета третьего таймера N2 выбираются исходя из условия F2<f2/N2<F1, четвертый вход третьего таймера является вторым входом установки в нулевое состояние и соединен с первым выходом задатчика режима работы, выход третьего таймера соединен с четвертым входом задатчика режима работы, при этом второй выход задатчика режима работы подключен к входу стабилизатора тока разряда, третий выход - к входу стабилизатора тока заряда, четвертый выход - ко второму входу первого таймера, являющемуся входом установки в нулевое состояние первого таймера, причем выход стабилизатора тока заряда, выход стабилизатора тока разряда и вход устройства сравнения подключены к клеммам, а также тем, что задатчик режима работы содержит первый триггер, вход установки в нулевое состояние которого является четвертым входом задатчика режима работы, второй триггер, вход установки в нулевое состояние которого является вторым входом задатчика режима работы, логический элемент "2 ИЛИ", второй вход которого является третьим входом задатчика режима работы, а выход подключен к входу установки в единичное состояние первого триггера и входу установки в
единичное состояние второго триггера и является первым выходом задатчика режима работы, первый логический элемент "3 И", второй вход которого соединен с прямым выходом первого триггера и является четвертым выходом задатчика режима работы, второй логический элемент "3 И", второй вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера, первый вход соединен с первым входом первого логического элемента "3 И" и является первым входом задатчика режима работы, третий вход соединен с третьим входом первого логического элемента "3 И" и прямым выходом второго триггера, устройство первоначальной установки, выход которого подключен к первому входу логического элемента "2 ИЛИ".
На фиг.1 представлена функциональная схема зарядного устройства. Зарядное устройство содержит клеммы 1, устройство 2 выключения, вход которого соединен с клеммами 1, устройство 3 сравнения, задатчик режима работы 4, первый вход которого соединен с выходом устройства 2 выключения, стабилизатор тока заряда 5, стабилизатор тока разряда 6, генератор 7, первый таймер 8, первый вход которого является тактовым и соединен с первым выходом генератора 7, а выход - со вторым входом задатчика режима работы 4, второй таймер 9, первый вход которого является входом разрешения счета и соединен с выходом устройства 2 выключения, второй вход является тактовым и соединен со вторым выходом генератора 7, третий вход является первым входом установки в нулевое состояние и соединен с третьим выходом генератора 7, четвертый вход второго таймера 9 является вторым входом установки в нулевое состояние и соединен с первым выходом задатчика режима работы 4, выход второго таймера 9 соединен с третьим входом задатчика режима работы 4, третий таймер 10, первый вход которого является входом разрешения счета и соединен с выходом устройства 3 сравнения, второй вход является тактовым и соединен с четвертым выходом генератора 7, третий вход является первым входом установки в нулевое состояние и соединен с пятым выходом генератора 7, четвертый вход третьего таймера 10 является вторым входом установки в
нулевое состояние и соединен с первым выходом задатчика режима работы 4, выход третьего таймера 10 соединен с четвертым входом задатчика режима работы 4, при этом второй выход задатчика режима работы 4 подключен к входу стабилизатора тока разряда 6, третий выход - к входу стабилизатора тока заряда 5, четвертый выход - ко второму входу первого таймера 8, являющемуся входом установки в нулевое состояние первого таймера 8, причем выход стабилизатора тока заряда 5, выход стабилизатора тока разряда 6 и вход устройства 3 сравнения подключены к клеммам 1. На фиг.1 также показан заряжаемый аккумулятор 11.
Функциональная схема устройства выключения 2 может содержать источник опорного напряжения 12 и компаратор 13, неинвертирующий вход которого является входом устройства 2 выключения, инвертирующий вход соединен с выходом источника опорного напряжения 12, а выход является выходом устройства выключения 2.
Функциональная схема устройства сравнения 3 может содержать источник опорного напряжения 14 и компаратор 15, инвертирующий вход которого является входом устройства сравнения 3, неинвертирующий вход соединен с выходом источника опорного напряжения 14, а выход является выходом устройства сравнения 3.
Функциональная схема задатчика режима работы 4 содержит первый триггер 16, вход установки в нулевое состояние является четвертым входом задатчика режима работы 4, второй триггер 17, вход установки в нулевое состояние которого является вторым входом задатчика режима работы 4, логический элемент "2 ИЛИ" 18, второй вход которого является третьим входом задатчика режима работы 4, а выход подключен к входу установки в единичное состояние первого триггера 16 и входу установки в единичное состояние второго триггера 17 и является первым выходом задатчика режима работы 4, первый логический элемент "3 И" 19, второй вход которого соединен с прямым выходом первого триггера 16 и является четвертым выходом задатчика режима работы 4, второй логический элемент "3 И" 20,
второй вход которого соединен с инверсным выходом первого триггера 16, первый вход соединен с первым входом первого логического элемента "3 И" 19 и является первым входом задатчика режима работы 4, третий вход соединен с третьим входом первого логического элемента "3 И" 19 и прямым выходом второго триггера 17, устройство 21 первоначальной установки, выход которого подключен к первому входу логического элемента "2 ИЛИ" 18.
Функциональная схема первого таймера 8 может быть выполнена в виде счетчика 22, тактовый вход которого является первым входом первого таймера 8, вход установки в нулевое состояние - вторым входом таймера 8, а выход является выходом первого таймера 8.
Функциональная схема второго таймера 9 может содержать счетчик 23, тактовый вход которого является вторым входом второго таймера 9, инвертор 24, вход которого является первым входом второго таймера 9, а выход соединен с входом разрешения счетчика 23, логический элемент "2 ИЛИ" 25, первый вход которого является третьим входом второго таймера 9, второй вход - четвертым входом второго таймера 9, а выход соединен с входом установки в нулевое состояние счетчика 23, одновибратор 26, вход которого соединен с выходом счетчика 23, а выход является выходом второго таймера 9. Коэффициент пересчета N1 счетчика 23 второго таймера 9 выбирается исходя из условия F1<f1/N1, где F1 - частота на третьем выходе генератора 7, f1 - частота на втором выходе генератора 7.
Функциональная схема третьего таймера 10 может содержать счетчик 27, тактовый вход которого является вторым входом третьего таймера 10, вход разрешения счета - первым входом третьего таймера 10, а выход -выходом третьего таймера 10, логический элемент "2 ИЛИ" 28, первый вход которого является третьим, второй вход - четвертым входом третьего таймера 10, а выход соединен с входом установки в нулевое состояние счетчика 27. Коэффициент пересчета N2 счетчика 27 третьего таймера 10
выбирается исходя из условия F2<f2/N2<F1, где F2 - частота на пятом выходе генератора 7, f2 - частота на четвертом выходе генератора 7.
Работает зарядное устройство следующим образом. При включении зарядного устройства устройство 21 первоначальной установки задатчика режима работы 4 (которое может быть выполнено, например, в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем конденсатор подключается к плюсу, а резистор - к минусу напряжения питания электронных узлов зарядного устройства, а выходом является точка соединения резистора и конденсатора (на чертеже не показаны)) выдает импульс, который через логический элемент "2 ИЛИ" 18 задатчика режима работы 4 поступает на первый триггер 16 и второй триггер 17 задатчика режима работы 4, устанавливая их в единичные состояния, а также через логический элемент "2 ИЛИ" 25 второго таймера 9 на вход установки в нулевое состояние счетчика 23 второго таймера 9 и через логический элемент "2 ИЛИ" 28 третьего таймера 10 на вход установки в нулевое состояние счетчика 27 третьего таймера 10, т.е. происходит установка зарядного устройства в исходное состояние.
До подключения аккумулятора 11 к зарядному устройству напряжение на неинвертирующем входе компаратора 13 устройства выключения 2 и инвертирующем входе компаратора 15 устройства сравнения 3 равно нулю, а т.к.. напряжение на выходе источника опорного напряжения 12 устройства выключения 2 установлено выше нулевого значения, но значительно ниже минимально допустимого напряжения аккумулятора 11, а напряжение на выходе источника опорного напряжения 14 устройства сравнения 3 установлено равным минимально допустимому напряжению аккумулятора 11, на выходе компаратора 13 устройства выключения 2 будет логический "0", а на выходе компаратора 15 устройства сравнения 3 -логическая "1".
Логический "0" с выхода компаратора 13 устройства выключения 2, поступая на первый логический элемент "3 И" 19 и второй логический элемент "3 И" 20 задатчика режима работы 4, устанавливает на их выходах логические "0", что запрещает работу стабилизатора тока разряда 6 и стабилизатора тока заряда 5.
Кроме того, сигнал с выхода компаратора 13 устройства выключения 2 через инвертор 24 второго таймера 9 поступает на вход разрешения счета счетчика 23 второго таймера 9, разрешая счет импульсов, поступающих на его тактовый вход. После поступления N1 импульсов (N1 - коэффициент пересчета первого счетчика 23 второго таймера 9) на его выходе появится логическая "1", которая через одновибратор 26 второго таймера 9 поступает на второй вход логического элемента "2 ИЛИ" 18 задатчика режима работы 4, сигнал с выхода которого устанавливает зарядное устройство в исходное состояние. После окончания импульса на выходе логического элемента "2 ИЛИ" 18 задатчика режима работы 4 счетчик 23 второго таймера 9 вновь начинает работу в режиме счета, но почти сразу же, еще до появления на выходе счетчика 23 второго таймера 9 очередной логической "I", вновь устанавливается в нулевое состояние одним из импульсов, поступающих на первый вход логического элемента "2 ИЛИ" 25 второго таймера 9 с частотой F1 (частота F1 устанавливается близкой к величине f1/N1, но меньше нее). После окончания импульса на первом входе логического элемента "2 ИЛИ" 25 второго таймера 9 вновь начинается работа в режиме счета счетчика 23 второго таймера 9 до появления на его выходе логической "1", которая через одновибратор 26 второго таймера 9 поступает на второй вход логического элемента "2 ИЛИ" 18 задатчика режима работы 4, обеспечивая поддержание зарядного устройства в исходном состоянии. Процесс периодически повторяется, т.е. второй таймер 9 будет выдавать импульсы установки зарядного устройства в исходное состояние с частотой F 1.
Счетчик 27 третьего таймера 10 также работает в режиме счета импульсов (на его вход разрешения с выхода компаратора 15 устройства
сравнения 3 поступает логическая "1"), поступающих с четвертого выхода генератора 7 на тактовый вход счетчика 27 третьего таймера 10 с частотой f2 (частота f2 и коэффициент пересчета счетчика 27 третьего таймера N2 устанавливаются исходя из условия f2/N2<F1).
Частота F2 импульсов, поступающих с пятого выхода генератора 7 через логический элемент "2 ИЛИ" 28 третьего таймера 10 на вход установки в нулевое состояние счетчика 27 третьего таймера 10 выбирается близкой к величине f2/N2, но меньше нее.
Таким образом, при соблюдении условий F1<f1/N1 и F2<f2/N2<F1, счетчик 27 третьего таймера 10 не будет успевать досчитывать до N2, т.к.. будет устанавливаться каждый раз раньше в нулевое состояние импульсами, поступающими на первый и второй входы логического элемента "2 ИЛИ" 28 третьего таймера 10, т.е. на выходе счетчика 27 третьего таймера 10 логическая "1" появляться не будет, и первый триггер 16 задатчика режима работы 4 будет оставаться в единичном состоянии.
После подключения к зарядному устройству аккумулятора 11 на выходе первого компаратора 13 устройства включения 2 появляется логическая "1", запрещающая работу в режиме счета счетчику 23 второго таймера 9 и устанавливающая на выходе первого логического элемента "3 И" 19 задатчика режима работы 4 логическую "I", которая разрешает работу стабилизатора тока разряда 6. При этом на выходе второго логического элемента "3 И" 20 задатчика режима работы 4 сохраняется логический "0", запрещающий работу стабилизатора тока заряда 5.
На выходе компаратора 15 устройства сравнения 3 (в случае, если напряжение аккумулятора 11 выше минимально допустимого) появляется логический "0", запрещающий работу в режиме счета счетчику 27 третьего таймера 10. Таким образом зарядное устройство будет работать в режиме разряда.
Если при работе в этом режиме пропадет (в результате ударного воздействия или ошибочного отключения аккумулятора 11 от зарядного
устройства) контакт между аккумулятором 11 и клеммами 1, на выходе компаратора 13 устройства выключения 2 появится логический "0", а на выходе компаратора 15 устройства сравнения 3 - логическая "1", и, следовательно, будет запрещена работа стабилизатора тока заряда 5 и стабилизатора тока разряда 6, и разрешена работа счетчика 23 второго таймера 9 и счетчика 27 третьего таймера 10.
Если длительность отключения аккумулятора 11 от клемм 1 недостаточна для появления на выходе второго таймера 9 (и тем более третьего таймера 10) логической "1", то первый триггер 16 задатчика режима работы 4 сохранит единичное состояние (сохранится исходное состояние зарядного устройства). Первый триггер 16 задатчика режима работы 4 сохранит единичное состояние и в случае, если время отключения аккумулятора 11 от клемм 1 достаточно для появления импульсов (логическая "1") на выходе второго таймера 9, т.к.. они будут удерживать зарядное устройство в исходном состоянии. Третий таймер 10 выдать сигнал на изменение состояния первого триггера 1 задатчика режима работы 4 не может, т.к.. на вход установки нуля счетчика 27 третьего таймера 10 будут поступать с выхода второго таймера 9 через логический элемент "2 ИЛИ" 18 задатчика режима работы 4 и логический элемент "2 ИЛИ" 28 третьего таймера 10 импульсы с интервалом времени между ними меньшим, чем время, необходимое для подсчета N2 импульсов.
Таким образом, если при работе зарядного устройства в режиме разряда произойдет отключение аккумулятора 11 от клемм 1, то независимо от времени, через которое произойдет последующее подключение аккумулятора 11 (того, который ранее разряжался зарядным устройством, или другого) к клеммам 1 зарядное устройство продолжит работу в режиме разряда.
При разряде аккумулятора 11 до минимально допустимого уровня на выходе компаратора 13 устройства выключения 2 сохранится логическая "1", запрещающая работу в режиме счета счетчику 23 второго таймера 9, а на
выходе компаратора 15 устройства сравнения 3 появится логическая "1", разрешающая работу в режиме счета счетчику 27 третьего таймера 10. Если эта логическая "1" продержится в течение времени Т>N2/f2 после окончания любого из импульсов, поступающих на первый вход логического элемента "2 ИЛИ" 28 третьего таймера 10, то на выходе счетчика 27 третьего таймера 10 появится логическая "1", устанавливающая первый триггер 16 задатчика режима работы 4 в нулевое состояние. При этом на выходе первого логического элемента "3 И" 19 задатчика режима работы 4 появится логический "0", запрещающий работу стабилизатора тока разряда 6, на выходе второго логического элемента "3 И" 20 задатчика режима работы 4 появится логическая "1", разрешающая работу стабилизатору тока заряда 5, на вход установки в нулевое состояние счетчика 22 первого таймера 8 поступит логическая "1" (ранее подавался логический "0"), разрешающая отсчет времени заряда, т.е. зарядное устройство перейдет из режима разряда в режим заряда.
По истечении требуемого времени заряда (после поступления на тактовый вход счетчика 22 первого таймера 8 соответствующего количества импульсов) на выходе счетчика 22 первого таймера 8 появится логическая "1", устанавливающая второй триггер 17 задатчика режима работы 4 в нулевое состояние, вследствие чего, на выходах первого логического элемента "3 И" 19 задатчика режима работы 4 и второго логического элемента "3 И" 20 задатчика режима работы 4 устанавливаются логические "0", запрещающие работу стабилизатора тока заряда 5 и стабилизатора тока разряда 6. Цикл разряд - заряд закончится.
После отключения заряженного аккумулятора 11 от зарядного устройства оно автоматически устанавливается (импульсами с выхода второго таймера 9) в исходное состояние и готово к заряду следующего аккумулятора 11.
Если при работе в режиме заряда пропадет контакт между аккумулятором 11 и клеммами 1, на выходе компаратора 13 устройства
выключения 2 появится логический "0", а на выходе компаратора 15 устройства выключения 3 - логическая "1", т.е. счетчику 23 второго таймера
9 и счетчику 27 третьего таймера 10 разрешается счет. Работа стабилизатора тока заряда 5 и стабилизатора тока разряда 6 прекращается, что обеспечивает (в случае ошибочного отключения аккумулятора 11 от зарядного устройства) безопасность оператора и предохраняет зарядное устройство от выхода из строя при случайном замыкании клемм 1.
Если логический "0" продержится на выходе компаратора 13 устройства выключения 2 в течение времени T>N1/f1 после окончания любого из импульсов, поступающих на первый вход логического элемента "2 ИЛИ" 25 второго таймера 9, на выходе счетчика 23 второго таймера 9 появится логическая "1", устанавливающая зарядное устройство в исходное состояние, т.е. счетчик 23 второго таймера 9 и счетчик 27 третьего таймера
10 установятся в единичное состояние, счетчик 22 первого таймера 8 установится в нулевое состояние. В этом случае при появлении контакта между аккумулятором 11 и клеммами 1 зарядное устройство начнет разряжать аккумулятор 11, что исключает возможность перезаряда аккумулятора 11, в случае, когда в процессе заряда (до его окончания) оператор ошибочно отключает один аккумулятор 11, и подключает вместо него другой, который не был предварительно разряжен.
Длительность ударного воздействия равна 5-10 мс, а время, необходимое для отключения от зарядного устройства одного аккумулятора
11 и подключения к зарядному устройству другого аккумулятора 11, составляет не менее 5 с, поэтому величины f1, N1, F1, f2, N2 и F2 выбирают такими, чтобы выполнялись условия:
N1/f1>10 мкс;
1/F1>N1/fl;
N2/f2<5 с;
1/F2>N2/F2>1/F1.
Например, если взять N1/f1≈0,1 с, тогда можно установить 1/F1≈0,11 с, N2 / f2≈3,0 с, 1 / F2≈3,3 с.