ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

Полезная модель относится к области электронного приборостроения, а именно к источникам электропитания постоянным током, и может быть использована для создания источников резервного питания электронных приборов.
Известен [1] источник бесперебойного электропитания постоянным током (последние пять слов обозначены далее - ИБЭП), содержащий выпрямитель, гальванический вторичный элемент или гальваническую вторичную батарею (последние семь слов обозначены далее - ГВЭБ), в качестве которой используется аккумуляторная батарея, датчик тока в зарядной цепи, контроллер, блок питания, два компаратора и два делителя напряжения, при этом входы компараторов подключены к выходу датчика тока и делителей напряжения, а выходы компараторов соединены с управляющими входами контроллера, три выхода которого подключены к управляющим входам выпрямителя.
Недостатком указанного ИБЭП является невысокая надежность из-за отсутствия контроля тока нагрузки.
Этот недостаток устранен в ИБЭП [2], имеющем расширенные эксплуатационные возможности и обеспечивающем бесперебойность работы при поддержании оптимальных параметров работы ГВЭБ при питании потребителей постоянным током. ИБЭП [2] является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа.
ИБЭП [2] содержит n выпрямителей, входы управления которых по интерфейсу подключены к соответствующему выходу контроллера, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, подключенный к входу контроллера, ГВЭБ, в качестве которой используется аккумуляторная батарея, основную и выносную панели индикации, блок контроля температуры воздуха, подключенный к вентиляторам. Имеется блок автоматического подключения ИБЭП, к входам которого подключены вводы источников переменного напряжения, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры воздуха, а выпрямители разделены на два блока, имеющие модульную конструкцию, один из которых выполняет функцию питания нагрузки, а другой функцию контроля и поддержания параметров состояния ГВЭБ. Выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, соединенного с входом измерителя напряжения нагрузки, а анод диода через выключатель выпрямителей ГВЭБ подключен к выходам выпрямителей ГВЭБ. Катод диода через датчик тока нагрузки подключен к первому входу блока защиты первичных потребителей, к силовому входу блока отключения вторичных потребителей и к входу блока контроля изоляции. Система имеет датчик тока заряда и датчик тока разряда ГВЭБ, включенные встречно, а анод диода через оба датчика подключен к выключателю ГВЭБ, к входам блоков питания автоматики и к входу блока питания датчиков тока. Другим выводом выключатель ГВЭБ подключен к ГВЭБ и к входу измерителя напряжения ГВЭБ. Входы питания датчиков тока подключены к выходу блока питания датчиков тока, а выходы блоков питания автоматики подключены к соответствующему входу контроллера, к контактной группе и к входу блока режимов заряда ГВЭБ, выходы которого подключены к входам контроллера, а выходы контактной группы подключены к второй группе блока индикаторов и к соответствующим входам контроллера, а первая группа индикаторов подключена к соответствующим выходам контроллера. Входы панелей управления подключены к выходу контроллера по интерфейсу RS-485.
В систему введены измерители токов нагрузки, заряда ГВЭБ и разряда ГВЭБ, выходы которых подключены к входам контроллера, а входы к соответствующим выходам датчиков тока нагрузки, тока заряда ГВЭБ и тока разряда ГВЭБ.
При эксплуатации и хранении в ГВЭБ из-за испарения электролита снижается его уровень, а из-за наличия примесей в электролите и электродах снижается концентрация электролита, в связи с чем снижаются напряжение и емкость ГВЭБ, что приводит к снижению надежности ИБЭП. В связи с этим требуется регулярная проверка уровня и концентрации электролита ГВЭБ и восполнение потерь электролита.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности ИБЭП.
Предложен ИБЭП, содержащий контроллер, гальванический элемент или гальваническую батарею (последние пять слов обозначены далее - ГЭБ), блок автоматического подключения ИБЭП, датчик тока разряда ГЭБ.
ИБЭП дополнительно содержит блок сравнения напряжения сети, блок сравнения напряжения ГЭБ, блок контроля температуры ГЭБ, стабилизатор - ограничитель напряжения электрической сети, приемопередатчик, электрически связанный с контроллером, стабилизатор напряжения питания контроллера и приемопередатчика, при этом выход стабилизатора-ограничителя напряжения электрической сети электрически связан с входом блока сравнения напряжения сети, выход которого электрически связан с первым входом блока автоматического подключения ИБЭП, со вторым входом которого электрически связан выход ГЭБ, а третий вход блока автоматического подключения источника бесперебойного электропитания электрически связан с первым выходом контроллера, первый вход контроллера электрически связан с выходом блока контроля температуры ГЭБ, второй вход контроллера электрически связан с выходом блока сравнения напряжения ГЭБ, третий вход контроллера электрически связан с выходом датчика тока разряда ГЭБ, вход которого электрически связан с первым выходом блока автоматического подключения ИБЭП, второй выход которого электрически связан как со входом блока сравнения напряжения ГЭБ, так и со входом стабилизатора напряжения питания контроллера и приемопередатчика, а третий выход блока автоматического подключения ИБЭП предназначен в качестве выходного силового для ИБЭП.
В качестве ГЭБ возможно использование гальванического первичного элемента или гальванической первичной батареи.
Введение в ИБЭП блока сравнения напряжения сети, выход которого электрически связан с первым входом блока автоматического подключения источника бесперебойного электропитания, позволяет определить момент включения ИБЭП и выдать сигнал на включение ИБЭП, и таким образом, обеспечить бесперебойное электропитание нагрузки и надежность ИБЭП.
Наличие блока сравнения напряжения ГЭБ, выход которого электрически связан с вторым входом контроллера, и блока контроля температуры ГЭБ, выход которого электрически связан с первым входом контроллера, позволяет определить напряжение и температуру ГЭБ и выдать сигнал на включение ИБЭП, что повышает надежность ИБЭП.
Наличие стабилизатора - ограничителя напряжения электрической сети, выход которого электрически связан с входом блока сравнения напряжения сети, позволяет исключить выбросы напряжения электрической сети, и соответственно, исключить повреждение элементов ИБЭП и повысить надежность ИБЭП.
Наличие приемопередатчика, электрически связанного с контроллером, позволяет передать сигналы состояния ИБЭП с контроллера на внешний прибор, что позволяет контролировать состояние ИБЭП, и таким образом, повышает надежность ИБЭП.
Наличие стабилизатора напряжения питания контроллера и приемопередатчика, вход которого электрически связан с вторым выходом блока автоматического подключения ИБЭП, позволяет обеспечить электропитание контроллера и приемопередатчика и обеспечить надежное функционирование ИБЭП.
Электрическая связь первого выхода контроллера с третьим входом блока автоматического подключения ИБЭП, со вторым входом которого электрически связан выход ГЭБ, связь при этом третьего входа контроллера с выходом датчика тока разряда ГЭБ, вход которого электрически связан с первым выходом блока автоматического подключения ИБЭП, второй выход которого электрически связан со входом блока сравнения напряжения ГЭБ, предназначение третьего выхода блока автоматического подключения ИБЭП в качестве выходного силового для ИБЭП, позволяет автоматизировать функционирование ИБЭП и повысить надежность ИБЭП.
Возможное использование гальванического первичного элемента или батареи в качестве ГЭБ позволяет исключить необходимую регулярную проверку уровня и концентрации электролита ГЭБ и восполнение потерь электролита, что повышает надежность ИБЭП.
На фигуре представлена функциональная блок-схема ИБЭП.
ИБЭП содержит блок 1 сравнения напряжения сети (далее - блок 1), блок 2 сравнения напряжения гальванического элемента или батареи (далее - блок 2), гальванический элемент или батарею 3, блок 4 автоматического подключения источника бесперебойного электропитания (далее - блок 4), блок 5 контроля температуры гальванического элемента или батареи (далее - блок 5), датчик 6 тока разряда гальванического элемента или батареи (далее - датчик 6), стабилизатор - ограничитель 7 напряжения электрической сети (далее - стабилизатор 7), стабилизатор 8 напряжения питания контроллера и приемопередатчика (далее - стабилизатор 8), приемопередатчик 9, контроллер 10.
Выход стабилизатора 7 электрически связан с входом блока 1, выход которого электрически связан с первым входом блока 4, со вторым входом которого электрически связан выход ГЭБ 3, а третий вход блока 4 электрически связан с первым выходом контроллера 10.
Первый вход контроллера 10 электрически связан с выходом блока 5, второй вход контроллера 10 электрически связан с выходом блока 2, третий вход контроллера 10 электрически связан с выходом датчика 6, вход которого электрически связан с первым выходом блока 4, второй выход блока 4 электрически связан как со входом блока 2, так и со входом стабилизатора 8, а третий выход блока 4 предназначен в качестве выходного силового для источника бесперебойного электропитания.
Контроллер 10 электрически связан шиной с приемопередатчиком 9. По силовой цепи стабилизатор 8 электрически связан с приемопередатчиком 9 и контроллером 10.
Блок 1 сравнения напряжения сети предназначен для сравнения напряжения электрической сети с напряжением, равным 21 В, и выполнен на компараторе 521СА3, источнике опорного напряжения на стабилитроне Д818Е, электролитических конденсаторах, обмотке реле РЭК 84В.
Блок 2 сравнения напряжения ГЭБ предназначен для сравнения напряжения ГЭБ с напряжением, равным 18 В, и выполнен на компараторе 521СА3, источнике опорного напряжения на стабилитроне Д818Е.
В качестве ГЭБ 3 используется гальванический первичный элемент 10S1PL026SHX.
Блок 4 автоматического подключения ИБЭП предназначен для коммутации электрической сети и ГЭБ 3 на приборе применения и выполнен на реле РЭК 84В.
Блок 5 контроля температуры ГЭБ предназначен для формирования сигнала температуры ГЭБ 3 и выполнен на микросхеме LM135AH.
Датчик 6 тока разряда ГЭБ предназначен для формирования сигнала тока разряда ГЭБ 3 и выполнен на микросхеме MAX4080FASA+.
Стабилизатор-ограничитель 7 напряжения электрической сети предназначен для защиты источника бесперебойного электропитания от выбросов напряжения и выполнен на транзисторе BDX33CG, стабилитроне BZX85B30 и дросселе ДМ-3-10-В.
Стабилизатор 8 напряжения питания контроллера 10 и приемопередатчика 9 предназначен для подачи стабилизированного напряжения питания на контроллер 10 и приемопередатчик 9 и выполнен на микросборке TEN5-2411WI.
Приемопередатчик 9 предназначен для передачи сигналов с контроллера 10 на прибор применения. Выполнен на микросхеме SP3087EEN-L.
Контроллер 10 предназначен для формирования сигналов управления ИБЭП и выполнен на микросхеме ATMEGA8-16AU.
ИБЭП работает следующим образом.
При включении прибора применения напряжение питания электрической сети поступает на стабилизатор 7 и через него на блок 1. Если напряжение электрической сети больше 21 В, то блок 1 не подает выходной сигнал на первый вход блока 4. Блок 4 при этом не подключает питание к ИБЭП.
Если напряжение электрической сети больше 29 В, стабилизатор 7 ограничивает напряжение на уровне 29 В.
Если напряжение электрической сети меньше 21 В, то блок 1 подает выходной сигнал на первый вход блока 4. Блок 4 подключает электрическое питание к ИБЭП. При этом со второго входа блока 4 через второй выход блока 4 напряжение с ГЭБ 3 поступает на блок 2.
Блок 2 сравнивает напряжение с ГЭБ 3 с уровнем 18 В и выдает сигнал на второй вход контроллера 10. Контроллер 10 выдает сигнал на третий вход блока 4. Если напряжение ГЭБ 3 меньше 18 В, то сигнал с контроллера 10, поступающий на третий вход блока 4, выключает блок 4, который выключает ИБЭП.
Если напряжение ГЭБ 3 больше 18 В, то сигнал с контроллера 10, поступающий на третий вход блока 4, поддерживает включенное состояние блока 4, который поддерживает включенное состояние ИБЭП. При этом напряжение ГЭБ 3 подается со второго выхода блока 4 на стабилизатор 8, который обеспечивает электрическое питание приемопередатчика 9 и контроллера 10.
Кроме того, с третьего выхода блока 4 подается на прибор применения выходное напряжение ГЭБ 3 в пределах 18-29 В.
В процессе работы ИБЭП с первого выхода блока 4 поступает сигнал на датчик 6, который выдает сигнал на третий вход контроллера 10. Контроллер 10 измеряет ток разряда ГЭБ и время его протекания и запоминает эти параметры. Контроллер 10 передает сигналы на приемопередатчик 9, который передает сведения о состоянии ИБЭП по интерфейсу RS-422 на прибор применения.
В процессе работы ИБЭП с блока 5 сигнал температуры ГЭБ поступает на контроллер 10, который выдает на блок 4 сигнал отключения при температуре ГЭБ более 85°С.
Таким образом, созданная конструкция ИБЭП позволяет обеспечить повышение надежности питания нагрузки.
Использованные источники информации:
1. Патент RU 10295 U1, 1998-11-30, весь документ.
2. Патент RU 2533204 С1, 2014-02-14, весь документ (прототип).