Плата батарейного питания

Заявленная полезная модель представляет собой плату батарейного питания, относится к области электротехники и предназначена для питания батарейного домена контроллера от батарей встроенных аккумуляторов. Основной функцией платы батарейного питания является зарядка напряжением от 2 В до 3 В внешних источников потребления в автономном режиме.
Из известных технических решений наиболее близкими к данному являются источник питания SU 492868 А1 от 18.01.1973, переносной источник энергии переменного тока RU 128029 U1 от 18.01.2013, а также герметичный никель-кадмиевый аккумулятор RU 2168810 С2 от 16.06.1999.
В патенте-аналоге SU 492868 А1 представлен источник питания, содержащий блок аккумуляторов, преобразователь напряжения, стабилизатор напряжения компенсационного типа с последовательным регулирующим транзистором и опорным диодом, питающимся от напряжения стабилизатора и выпрямленного напряжения с дополнительной обмоткой преобразователя, отличающийся тем, что, с целью защиты от короткого замыкания на выходе стабилизатора, повышения КПД при изменении в широких пределах входного напряжения, параллельно опорному диоду и блоку аккумуляторов подсоединен через переключатель пусковой конденсатор.
Другой патент-аналог RU 128029 U1 от 18.01.2013 описывает переносной источник энергии переменного тока, содержащий функционально соединенные аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, первичный двигатель, генератор и выходные шины, отличающийся тем, что в качестве первичного двигателя применен двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, в качестве генератора использован трехфазный синхронный генератор с постоянными магнитами, причем указанный генератор снабжен первой трехфазной обмоткой, соединенной с выходными шинами, и второй трехфазной обмоткой, соединенной с входом выпрямительного устройства, выход которого подключен к шинам постоянного тока.
В патенте RU 2168810 С2, выбранного в качестве прототипа, представлен герметичный никель-кадмиевый аккумулятор для автономного питания различной аппаратуры, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, электролит, находящийся в порах электродов и сепаратора, и примыкающую к отрицательному электроду пористую электропроводящую мембрану, отличающийся тем, что пористая электропроводящая мембрана выполнена из каталитически активного по отношению к реакции электровосстановления кислорода материала: углерода, серебра или никеля, активированного углеродом.
Основными недостатками указанных аналогов и прототипа являются отсутствие возможности постоянного цикла заряда/разряда аккумуляторных батарей, отсутствие контроля температурного режима при заряде, сложность конструкций, а также неудобство их использования в некоторых видах работ.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков аналогов и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность нахождения долгое время в рабочем режиме при нестабильности внешнего источника питания.
Достигаемый технический результат реализуется в плате батарейного питания за счет того, что она содержит аккумуляторные батареи, компаратор, стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, стабилизатор опорного напряжения, резистивные делители и коммутаторы, функционально соединенные между собой. Новым является то, что она выполнена с возможностью постоянного цикла разряда/зарядка аккумуляторных батарей, входящих в ее состав, может иметь широкий диапазон входных питающих напряжений от 20 В до 28,9 В, а также выполнена с возможностью контроля температуры заряда аккумуляторных батарей в рабочем диапазоне (10-35)°С.
Преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с вышеперечисленными аналогами состоит в том, что плата батарейного питания разработана так, что в процессе работы получает подзарядку от внешнего источника питания в случае разряда аккумуляторных батарей, входящих в состав платы, происходит постоянный цикл разряда/зарядка аккумуляторных батарей. При этом важным аспектом является то, что плата может питаться напряжением в диапазоне от 20 до 28,9 В, а также контролирует температурный режим при зарядке батарей.
Учитывая все перечисленные функции, плата батарейного питания может работать очень долгое время в рабочем режиме (используя любой внешний источник питания в заданном диапазоне) за счет постоянного цикла разряда/заряда аккумуляторных батарей, а также сохранять работоспособность и продолжать питать батарейный домен контроллера или другое устройство с напряжением питания от 2 В до 3 В в случае отключения внешнего питания до разряда аккумуляторных батарей.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображено:
фиг. 1 - функциональная схема платы батарейного питания.
Принцип работы платы заключается в следующем: при разрядке аккумуляторных батарей (10) питанием батарейного домена контроллера или другим устройством и постепенном уменьшении выходного напряжения аккумуляторных батарей от 3 В до 2 В работает компаратор (11), стабилизатор опорного напряжения (12) с резистивным делителем напряжения (7), формирующие опорное напряжение 2 В, а также резистивный делитель (6), подключенный параллельно аккумуляторным батареям, необходимый для получения напряжения для переключения компаратора после заряда аккумуляторных батарей.
В процессе разряда аккумуляторных батарей и при достижении суммарного выходного напряжения аккумуляторных батарей 2 В (1 В+1 В), которое соответствует почти полной разрядке аккумуляторных батарей, срабатывает компаратор (происходит замыкание выводов компаратора), настроенный на срабатывание при опускании напряжения до значения опорного напряжения = 2 В.
С помощью переключения реле (4), установленного в схеме, плата БП переводится в режим зарядки. В режиме зарядки на стабилизатор напряжения (8) подается входное напряжения от 20 В до 28,9 В, которое поступает с разъема (1) через диод, который обеспечивает защиту от перенапряжения и переполюсовки. При подаче напряжения загорается светодиод, являющийся индикатором процесса зарядки, и начинается процесс зарядки аккумуляторов. Стабилизатор напряжения формирует выходное напряжение 7 В из входного напряжения (20-28,9) В. Далее стабилизатор тока (9) формирует ток зарядки 100 мА и выходное напряжение 3,45 В из напряжения 7 В, поступающего с выхода стабилизатора напряжения. При этом выходное напряжение стабилизатора напряжений может регулироваться резистивным делителем (5), установленным на плате в непосредственной близости от него, а выходной ток стабилизатора тока может регулироваться с помощью резистора, также установленного на плате.
Для соблюдения температурного режима заряда аккумуляторных батарей в цепи входного напряжения (20-28,9) В последовательно включены два термореле (2), (3), осуществляющие размыкание цепи, при температуре, не входящей в диапазон (10 - 35)°С. При восстановлении заданного температурного диапазона процесс зарядки не возобновляется для исключения эффекта «памяти», связанного с физикой процессов в аккумуляторах, зарядка возобновляется только при снижении значения напряжения на аккумуляторах до значения 2 В. При внезапном пропадании входного напряжения (от 20,0 до 28,9 В) на входе разъема (1) в процессе зарядки аккумуляторов и после восстановления входного напряжения на разъеме, процесс зарядки не возобновляется для исключения эффекта «памяти», а возобновляется только при снижении напряжения на аккумуляторах до значения 2 В.
В режиме зарядки выходы аккумуляторных батарей соединяются со входом компаратора через резистивный делитель напряжения (6) с соотношением 2/3. Пока аккумуляторы не заряжены, выполняется условие «U входное» < «U опорного», так как на выходе аккумуляторных батарей напряжение меньше = 3 В, соответственно напряжение, формируемое резистивным делителем (6) с коэффициентом 2/3, меньше «U опорного» = 2 В. Соответствующие выводы компаратора замкнуты и контакты реле удерживаются в замкнутом состоянии.
При полной зарядке аккумуляторных батарей выходное напряжение на аккумуляторных батареях составляет 3 В (1,5 В+1,5 В). На выходе резистивного делителя (6) и соответствующем контакте компаратора напряжение становится равно 2 В, что соответствует опорному напряжению компаратора «U опорное» = 2 В, компаратор переключается в обратную сторону, размыкаются контакты реле (4), плата батарейного питания переводится в режим разрядки, светодиод индикации зарядки гаснет.
Когда аккумуляторные батареи снова разрядятся до напряжения 2 В, компаратор вновь сработает и плата опять переключится в режим зарядки аккумуляторных батарей, процесс будет продолжаться циклически.