УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ОТ ГЛУБОКОГО РАЗРЯДА
DEVICE PROTECTING ACCUMULATOR BATTERIES FROM OVER-DISCHARGING

Устройство защиты аккумуляторных батарей от глубокого разряда относится к электротехнике и может быть использовано в составе бортовой аппаратуры радиоэлектронных аэрокосмических комплексов.
Известно устройство защиты, описанное в авторском свидетельстве №799136 под названием «Транзисторный ключ с защитой от перегрузки» авторов Г.Д. Беляева и И.Г. Фильцера.
Известное устройство содержит датчик тока, транзисторы структуры p-n-р и структуры n-p-n, резисторы, конденсатор и диод. Недостатком известного устройства является низкая чувствительность и заметное падение напряжения на проходном транзисторе.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является «Устройство для защиты аккумулятора от глубокого разряда», описанное в авторском свидетельстве №1328878 авторов Немирова В.В., Фильцера И.Г. и др.
Известное устройство содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к среднему выводу делителя напряжения, а неинвертирующий через резистор подключен к шине питания. Защита от глубокого разряда в данном устройстве осуществляется путем отключения потребителей от аккумулятора при помощи коммутирующего транзистора.
Недостатком известного устройства защиты аккумуляторных батарей является недостаточная эффективность при возникновении форс-мажора на борту космических аппаратов при появлении дополнительного потребителя электроэнергии, непредусмотренного первоначально. В рассматриваемой ситуации, если космический аппарат находится в зоне тени Земли, и солнечные батареи не в состоянии компенсировать дополнительный расход энергии, это может привести к разряду аккумуляторов, к пропаданию напряжения питания бортовой сети и, как следствие, к потере космического аппарата. Одной из наиболее вероятных причин в этом случае является появление непредусмотренного повышенного постоянного потребления от одного из бортовых приборов, которое приводит к разряду аккумуляторных батарей.
В этих случаях было определено пропадание напряжения питания бортовой сети. Такая ситуация может появиться при возникновении тиристорного эффекта в одной из интегральных схем при попадании тяжелой заряженной частицы (ТЗЧ). Источником ТЗЧ может быть поверхность Солнца, галактическое пространство или же пучковое оружие. При этом при выходе космического аппарата из тени Земли все попытки повернуть солнечные батареи в направлении на Солнце с целью подзаряда аккумуляторов не приводят к желаемым результатам из-за отсутствия необходимого источника электроэнергии.
Вот что было в материалах ИТАР-ТАСС в феврале 2012 года в связи с потерей станции «Фобос-Грунт»: «…однако связи с Землей не было, через некоторое время сели аккумуляторные батареи, спутник был потерян».
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного устройства защиты аккумуляторных батарей от глубокого разряда. И, таким образом, защиты от потери космических аппаратов.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства защиты бортовых аккумуляторов от глубокого разряда, позволяющего уловить момент, когда возникает необходимость в отключении обслуживаемого абонента от питающей сети, и тем самым парировать намечающуюся аварийную ситуацию в случае возникновения тиристорного эффекта в какой-либо большой интегральной схеме под воздействием тяжелых заряженных частиц или же из-за увеличения потребляемого тока, например, вследствие неисправности в каком-либо вторичном источнике питания.
Следует также отметить, что устройство, предложенное в прототипе, не позволяет реализовать реакцию на потребляемый ток для защиты космического аппарата.
<mrow><msubsup><mrow><mn>27</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>7</mn></mrow></msubsup></mrow>
В рассматриваемой аварийной ситуации напряжение бортовой сети будет находиться в заданных пределах
вольт и не снизится ниже уровня 22 вольта. Благодаря этому может быть предотвращена потеря космических аппаратов. При этом сигнал об уровне потребляемого тока используется, при необходимости, для отключения от питающей сети контролируемого абонента и переключения на резервный полукомплект.
Применение предложенного устройства защиты позволит существенно повысить надежность космических аппаратов следующего поколения.
Указанный технический эффект достигается тем, что в устройство защиты, содержащее операционный усилитель, выходные клеммы «+» и «-» для подключения внешнего потребителя электроэнергии, введены линейный стабилизатор напряжения, датчик тока, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий и четвертый диоды, блок гальванической изоляции, а также входные клеммы "+" и предназначенные для подключения внешней аккумуляторной батареи, причем входная клемма "-" соединена с первым входом линейного стабилизатора напряжения и с выходной клеммой входная клемма "+" соединена со вторым входом линейного стабилизатора напряжения, с первым выводом датчика тока, катодом первого диода, первыми выводами первого и второго резисторов и выводами питания "+" операционного усилителя и блока гальванической изоляции. Выход линейного стабилизатора соединен с выводами питания "-" операционного усилителя и блока гальванической изоляции, первыми выводами третьего и четвертого резисторов и анодом второго диода. Второй вывод датчика тока соединен с первым выводом пятого резистора и выходной клеммой "+", неинвертирующий вход операционного усилителя соединен со вторыми выводами первого и третьего резисторов и анодом первого диода. Инвертирующий вход усилителя соединен с катодом второго диода и первыми выводами шестого и седьмого резисторов. Третий и четвертый диоды включены встречно параллельно между входами операционного усилителя. Второй вывод пятого резистора соединен со вторыми выводами четвертого и шестого резисторов. Первый конденсатор и восьмой резистор включены параллельно между вторым выводом первого резистора и вторым выводом пятого резистора. Выход операционного усилителя соединен со вторыми выводами второго и седьмого резисторов и со входом блока гальванической изоляции, выход которого подключен к сигнальному выходу устройства. Между выводами седьмого резистора включена цепочка из последовательно соединенных девятого резистора и второго конденсатора.
Блок гальванической изоляции содержит последовательно соединенные схему сравнения, модулятор амплитуды и преобразователь напряжения, выход которого подключен к первичной обмотке выходного импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена со входом первого выпрямителя и через десятый резистор подключена к первичной обмотке импульсного трансформатора обратной связи. Вторичная обмотка последнего через второй выпрямитель соединена с первым входом схемы сравнения, второй вход которой является входом блока гальванической изоляции, выход которого соединен с выходом первого выпрямителя. Выводы питания «+» и «-» схемы сравнения, модулятора амплитуды и преобразователя напряжения соединены соответственно с выводами «+» и «-» блока гальванической изоляции.
Блок гальванической изоляции может также состоять из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого является входом устройства, и набора цифровых оптронов (1…n), выводы «+» и «-» подключены к соответствующим входам питания АЦП, цифровые выходы которого соединены со входами соответствующих оптронов, выходы которых являются цифровым выходом блока гальванической изоляции.
Сущность изобретения поясняется чертежами (Фиг.1, 2, 3), на которых представлены схемы устройства защиты аккумуляторных батарей.
На Фиг.1 представлена схема устройства защиты аккумуляторных батарей.
На Фиг.2, 3 представлены варианты исполнения схемы блока гальванической изоляции.
Устройство защиты (Фиг.1) содержит линейный стабилизатор отрицательного напряжения 1, вход которого соединен с входными клеммами «+» и «-», входная клемма «+» соединена с шиной «плюс», выход линейного стабилизатора 1 соединен с шиной «минус». Выводы питания операционного усилителя 2 и блока 3 гальванической изоляции подсоединены между шиной «плюс» и шиной «минус». Первый вывод датчика тока 4 соединен с входной клеммой «+», а второй вывод датчика тока соединен с выходной клеммой «+». Входная клемма «-» соединена с выходной клеммой «-». Первый резистор 5 подключен между первым выводом датчика тока 4 и вторым выводом третьего резистора 6. Первый вывод последнего подключен к шине «минус». Пятый резистор 7 подключен между вторым выводом датчика тока 4 и вторым выводом четвертого резистора 8. Первый вывод последнего подключен к шине «минус». Резисторы 5 и 6 образуют первый делитель напряжения, а резисторы 7 и 8 образуют второй делитель напряжения. Первый конденсатор 9 подсоединен между средними точками первого и второго делителей. Восьмой резистор 10 подключен между средними точками первого и второго делителя напряжения. Неинвертирующий вход операционного усилителя 2 соединен со средней точкой первого делителя, а инвертирующий вход через шестой резистор 11 соединен со средней точкой второго делителя. Между входами операционного усилителя подключены соединенные встречно-параллельно третий и четвертый диоды 12 и 13. Катод первого диода 14 соединен с шиной «плюс», а анод соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 2. Анод второго диода 15 соединен с шиной «минус», а катод соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2. Второй резистор 16 подключен между выходом операционного усилителя 2 и шиной «плюс». Седьмой резистор 17 подсоединен между выходом операционного усилителя 2 и его инвертирующим входом. Цепочка из последовательно соединенных второго конденсатора 18 и девятого резистора 19 подключены между инвертирующим входом операционного усилителя 2 и его выходом. Выход операционного усилителя 2 соединен со входом блока 3 гальванической изоляции, а выход последнего является выходом всего устройства защиты.
На фиг.2 показана схема блока 3 гальванической изоляции, который содержит схему сравнения 20, модулятор амплитуды 21, преобразователь напряжения 22, выходной импульсный трансформатор 23, выходной выпрямитель 24 с выходным фильтром, импульсный трансформатор 25 сигнала обратной связи, выпрямитель 26 напряжения прямоугольной формы обратной связи, входные клеммы напряжения питания: «вывод «+» и «вывод «-», клеммы выходного напряжения 27 и 28, ограничивающий десятый резистор 29.
Клемма «вывод «+» (питание 1) соединена с шиной «плюс», а клемма «вывод «-» (питание 2) соединена с шиной «минус». По цепям питания узлы 20, 21 и 22 подключены между шиной «плюс» и шиной «минус». Клемма «вход» соединена с первым входом (Вх.1) схемы сравнения 20. Выход схемы сравнения 20 соединен с входом модулятора амплитуды 21. Выход последнего соединен со входом преобразователя 22. Выход последнего соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 23. Вторичная обмотка трансформатора 23 подсоединена ко входу выпрямителя 24 и через резистор 29 подсоединена к первичной обмотке трансформатора 25 обратной связи. Вторичная обмотка трансформатора 25 обратной связи через выпрямитель 26 соединена со вторым входом (Вх.2) схемы сравнения 20. Выход выпрямителя подсоединен к выходным клеммам 27 и 28.
На фиг.3 показана схема второго варианта блока 3 гальванической изоляции, который содержит аналого-цифровой преобразователь 30 и цифровые оптроны 31.1, 31.2, …, 31.n, входную клемму Вх.1, а также клеммы напряжения питания: вывод «+» и вывод «-».
Устройство защиты работает следующим образом. На входные клеммы «+» и «-» (фиг.1) поступает напряжение бортовой сети, которое номинально составляет величину 27 B. Напряжение сети изменяется в пределах от 22 до 34 В. Для питания каскада на операционном усилителе 2, а также для питания блока 3 гальванической изоляции требуется стабилизированное напряжение порядка 12 B, которое обеспечивается за счет наличия стабилизатора постоянного отрицательного напряжения, выполненного на линейном стабилизаторе 1. Внешний потребитель энергии подключается к выходным клеммам «+» и «-» (Вых.2). При этом ток протекает по цепи: аккумуляторная батарея, подсоединенная к входным клеммам «+» и «-» - датчик тока 4 - внешняя нагрузка, подключенная к выходным клеммам «+» и «-». Сигнал с датчика 4 снимается с помощью делителей напряжения, выполненных на резисторах 5, 6, 7 и 8. Входы операционного усилителя 2 подключаются к средним точкам упомянутых делителей напряжения. Изначально напряжение на выходе операционного усилителя 2 устанавливается на низком уровне. Диоды 12, 13, 14 и 15 играют роль элементов защиты. Резисторы 11, 17 и 19, конденсатор 18 образуют цепь отрицательной обратной связи, определяющей коэффициент усиления рассматриваемого каскада. Таким образом, при изменении величины тока, потребляемого внешней нагрузкой, изменяется величина тока, протекающего по датчику 4 и, следовательно, изменяется уровень напряжения на выходе операционного усилителя 2.
Датчик тока 4 потенциально привязан к одной из шин бортовой сети. С другой стороны вся основная аппаратура любого аппарата гальванически изолирована от проводов сети. Поэтому выходной сигнал устройства, контролирующего ток, потребляемый абонентами сети, также должен быть изолирован от сети. Поэтому устройство защиты аккумуляторных батарей также должно выдавать сигнал, изолированный от сети.
Рассмотрим работу блока 3 гальванической изоляции, схема которого показана на фиг.2. На первый вход схемы сравнения 20 подается напряжение, величина которого пропорциональна величине тока, проходящего через датчик тока, а на втором входе действует напряжение обратной связи. С выхода схемы сравнения 20 сигнал поступает на вход модулятора амплитуды 21. Двухтактный преобразователь напряжения 22 работает на частоте 100÷200 кГц. Прямоугольные колебания на этой частоте через импульсный трансформатор 23 поступают на выпрямитель 24, и далее в виде постоянного напряжения, пропорционального току, проходящему через датчик 4, на выходные клеммы 27 и 28.
Колебания прямоугольной формы со вторичной обмотки трансформатора 23 попадают на первичную обмотку импульсного трансформатора 25 обратной связи и далее через выпрямитель 26 на второй вход схемы сравнения 20. Таким образом, благодаря наличию трансформаторов 23 и 25 обеспечивается гальваническая развязка между выходным сигналом и проводами бортовой питающей сети.
Теперь рассмотрим работу схемы, показанной на фигуре 3.
Благодаря наличию аналого-цифрового преобразователя 30 и цифровых оптронов 31.1, 31.2, …, 31.n на выходе схемы можно сразу получить информацию о величине контролируемого тока в виде десятиразрядного параллельного двоичного кода, гальванически изолированного от проводов бортовой сети. Если датчик тока расположен в цепи питающей бортовой сети вторичного источника питания, который в свою очередь обеспечивает рядом номиналов питающих напряжений какого-либо абонента, то в случае существенного повышения тока потребления такого абонента возникает опасность разряда аккумуляторной батареи. В результате космический аппарат может быть потерян. Для того чтобы предотвратить такую аварийную ситуацию, такой абонент может быть отключен от питающей сети. Отключение может быть осуществлено по команде с Земли на основе данных телеметрии, либо может быть реализовано автоматическим бортовым логическим устройством.
Абонентами могут являться следующие блоки: радиоприемники, радиопередатчики, вычислители, устройства управления антеннами, блоки определения координат звезд.
В последнее время в России было потеряно 10 космических аппаратов. Одной из наиболее вероятных причин рассматривается глубокий разряд аккумуляторных батарей, вызванный появлением непредусмотренного повышения потребления энергии от бортовых аккумуляторных батарей. Также повышение расхода энергии может происходить, например, из-за появления тиристорного эффекта в КМОП цифровых интегральных схемах, появления неисправностей во вторичных источниках питания, появления неисправностей в других абонентах в составе бортовой аппаратуры. Рассматриваемая ситуация будет усугубляться, если в это время космический аппарат находится в области тени Земли, и солнечные батареи не в состоянии восполнить разряд аккумуляторов. В рассматриваемой аварийной ситуации сигналы, подаваемые предложенным устройством, могут быть использованы для отключения абонента с повышенным расходом энергии. Команда на отключение может поступать от наземных станций на основе данных телеметрии, либо от автономного автоматического логического устройства. Одновременно может быть включен резервный полукомплект бортовой аппаратуры. Таким образом, использование предлагаемого устройства защиты аккумулятора от глубокого разряда позволит предотвратить потерю космического аппарата и тем самым избежать ситуации форс-мажор.