ИСТОЧНИК РЕЗЕРВИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к схемам бесперебойного электроснабжения с автоматическим переключением с основного источника электропитания на резервный источник, например, аккумулятор, и может быть использована в системах с повышенными требованиями к стабильности электропитания, в частности, для электроснабжения аппаратуры охранно-пожарной сигнализации.
Источник резервированного питания (вариант 1).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является источник резервированного питания (см. Блоки источника резервированного питания. Руководство по эксплуатации и ремонту. Санкт-Петербург, 2000 г., стр.34, рис.4), содержащий трансформатор, силовой диодный выпрямитель, емкостный фильтр, стабилизатор, аккумулятор, устройство заряда аккумулятора, схему контроля и управления, силовой ключ аккумулятора, в котором выход фильтра соединен с входом стабилизатора, устройством заряда аккумулятора, схемой контроля и управления, выход стабилизатора соединен с нагрузкой, а выход аккумулятора соединен с нагрузкой посредством силового ключа. В качестве стабилизатора в источнике использован параметрический стабилизатор Low Drop с мощным биполярным транзистором. Схема контроля и управления осуществляет контроль напряжения основной сети и аккумулятора. Для защиты аккумулятора от глубокого разряда схема контроля и управления при достижении минимально допустимого напряжения аккумулятора посредством силового ключа отключает нагрузку.
Существенными признаками источника резервированного питания - прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, является наличие трансформатора, выпрямителя, фильтра, стабилизатора, аккумулятора, устройства заряда аккумулятора, схемы контроля и управления. Выход фильтра соединяют с входом стабилизатора и устройством заряда аккумулятора, к выходу стабилизатора подключают нагрузку. Вход схемы контроля и управления соединяют с выходом аккумулятора, а ее выход - с входом стабилизатора. При пропадании основной сети электропитание нагрузки автоматически переключается на аккумулятор. Для защиты аккумулятора от глубокого разряда схема контроля и управления контролирует напряжение аккумулятора и при достижении его минимального значения отключает нагрузку.
Недостатком источника резервированного питания - прототипа является необходимость контроля основной сети, наличие силового ключа аккумулятора, ступенчатое изменение напряжения на выходе источника при переходе с основной сети на аккумулятор, так как выходное напряжение полностью заряженного аккумулятора выше номинального выходного напряжения источника питания.
Заявляемой полезной моделью решается техническая задача обеспечения стабильности выходного напряжения источника резервированного питания при автоматическом переключении с основной сети на аккумулятор, повышения надежности источника питания за счет изменения его функциональной схемы, исключения дополнительного силового ключа аккумулятора и упрощения схемы контроля и управления.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
В источнике резервированного электропитания, содержащем трансформатор, выпрямитель, фильтр, параметрический стабилизатор, аккумулятор, устройство заряда аккумулятора, схему контроля и управления, выход аккумулятора последовательно через диод соединен с входом стабилизатора, вход схемы контроля и управления соединен с выходом аккумулятора, а ее выход с входом стабилизатора. В предлагаемой полезной модели напряжение после фильтра поступает на вход стабилизатора, на выходе которого подключается нагрузка. Кроме напряжения основного канала, на вход стабилизатора через диод поступает напряжение аккумулятора. В этом случае при пропадании основной сети на входе стабилизатора присутствует напряжение аккумулятора.
В схеме параметрического стабилизатора в качестве регулирующего элемента используют полевой транзистор Р-канального типа с малым сопротивлением канала, равным примерно 0,02 Ом. Это позволяет обеспечить напряжение регулирования равным примерно 0,1В и использовать стабилизатор в качестве ключа. Стабилизатор при снижении входного напряжения на нем из-за разряда аккумулятора сначала стабилизирует выходное напряжение, а затем переводится в режим открытого ключа и при достижении минимально допустимого значения напряжения аккумулятора происходит закрывание ключа и отключение нагрузки.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого источника резервированного питания. Полезная модель по п.2 формулы поясняется схемой, приведенной на фиг.2. Здесь
1 - трансформатор,
2 - выпрямитель,
3 - емкостный фильтр,
4 - стабилизатор,
5 - устройство заряда аккумулятора,
6 - аккумулятор,
7 - диод,
8 - схема контроля и управления,
9 - нагрузка,
10 - формирователь опорного напряжения,
11 - операционный усилитель,
12 - электронный ключ,
13 - полевой транзистор.
Работает заявляемый источник резервированного питания следующим образом. Напряжение сети 220 В 50 Гц поступает на вход трансформатора 1, который понижает напряжение и осуществляет гальваническую развязку, с выхода трансформатора 1 напряжение поступает на силовой диодный выпрямитель 2, где выпрямляется и поступает на емкостной конденсаторный фильтр 3. Далее напряжение поступает на вход силового электронного параметрического стабилизатора 4, на выходе которого подключается нагрузка 9. После фильтра 3 напряжение поступает также на устройство заряда аккумулятора 5, осуществляющее заряд аккумулятора 6. Кроме напряжения основной сети, на вход стабилизатора 4 через диод 7 поступает напряжение аккумулятора 6. В этом случае при пропадании основной сети на входе стабилизатора 4 присутствует напряжение аккумулятора 6. Входное напряжение стабилизатора поступает на формирователь опорного напряжения 10, и через электронный ключ 12 на вход операционного усилителя 11. На второй вход операционного усилителя 11 поступает напряжение выхода стабилизатора как сигнал обратной связи. Операционный усилитель 11 усиливает напряжение ошибки и подает его на регулирующий элемент - полевой транзистора 13 Р-канального типа с малым сопротивлением канала.
Стабилизатор 4 при снижении входного напряжения на нем из-за разряда аккумулятора 6 стабилизирует напряжение на выходе до тех пор, пока выполняется неравенство Uвх-Uрег≥Uвых,
где
Uвх - напряжение на входе стабилизатора;
Uрег - минимальное напряжение регулирования стабилизатора;
Uвых - напряжение на выходе стабилизатора.
При дальнейшем снижении Uвх из-за разряда аккумулятора 6 операционный усилитель 11 полностью открывает полевой транзистор 13 и переводит его в режим ключа с падением напряжения на нем, равным Uрег, составляющего примерно 0,1В. Для защиты аккумулятора 6 от глубокого разряда схема контроля и управления 8 контролирует напряжение аккумулятора 6. При достижении минимального допустимого значения напряжения аккумулятора 6 схема контроля и управления 8 подает сигнал на электронный ключ 12, который отключается и снимает опорное напряжение с входа операционного усилителя 11. Операционный усилитель 11 формирует сигнал на закрытие полевого транзистора 13 и отключение нагрузки 9.
Предложенное техническое решение, при котором на вход стабилизатора подают напряжение основной сети и аккумулятора, а в качестве стабилизатора используют электронный параметрический стабилизатор с малым напряжением регулирования, включающий полевой транзистор Р-канального типа с малым сопротивлением канала, позволяет исключить скачок напряжения на выходе при автоматическом переключении с основной сети на аккумулятор, чем обеспечивается стабильность выходного напряжения источника резервированного питания. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет повысить надежность источника резервированного электропитания за счет исключения дополнительного силового ключа аккумулятора и упрощения схемы контроля и управления в связи с отсутствием необходимости контроля за состоянием основной сети.
Источник резервированного электропитания (вариант 2).
Известен источник резервированного питания (см. Блоки источника резервированного питания. Руководство по эксплуатации и ремонту. Санкт-Петербург, 2000 г., стр.37, рис.7), содержащий трансформатор, силовой диодный выпрямитель, емкостный фильтр, стабилизатор, аккумулятор, устройство заряда аккумулятора, схему контроля и управления, силовой ключ аккумулятора, в котором выход фильтра соединен с входом стабилизатора, устройством заряда аккумулятора, схемой контроля и управления, выход стабилизатора соединен с нагрузкой, а выход аккумулятора соединен с нагрузкой посредством силового ключа. В качестве стабилизатора использован импульсный ШИМ-стабилизатор напряжения, который имеет максимальную длительность рабочего цикла до 90%. Схема контроля и управления осуществляет контроль напряжения основной сети и аккумулятора. Для защиты аккумулятора от глубокого разряда схема контроля и управления при достижении минимально допустимого напряжения аккумулятора посредством силового ключа отключает нагрузку.
Недостатком данного источника резервированного питания является необходимость контроля основной сети, наличие силового ключа аккумулятора, неизбежное ступенчатое изменение напряжения на выходе источника при переходе с основной сети на аккумулятор, так как выходное напряжение полностью заряженного аккумулятора выше номинального выходного напряжения источника питания.
Заявляемой полезной моделью решается техническая задача обеспечения стабильности выходного напряжения источника резервированного питания при автоматическом переключении с основной сети на аккумулятор, повышения
надежности источника питания за счет изменения его функциональной схемы, исключения дополнительного силового ключа аккумулятора и упрощения схемы контроля и управления.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. В источнике резервированного электропитания, содержащем трансформатор, выпрямитель, фильтр, импульсный ШИМ-стабилизатор, аккумулятор, устройство заряда аккумулятора, схему контроля и управления, выход аккумулятора последовательно через диод соединен с входом стабилизатора, вход схемы контроля и управления соединен с выходом аккумулятора, а ее выход с входом стабилизатора. В предлагаемой полезной модели напряжение после фильтра поступает на вход стабилизатора, на выходе которого подключается нагрузка. Кроме напряжения основного канала, на вход стабилизатора через диод поступает напряжение аккумулятора. В этом случае при пропадании основной сети на входе стабилизатора присутствует напряжение аккумулятора.
В схему импульсного ШИМ-стабилизатора вводят дополнительный источник отрицательного смещения типа DC/DC-конвертера, а в качестве регулирующего элемента используют полевой транзистор Р-канального типа с малым сопротивлением канала. Это позволяет исключить в схеме ШИМ-стабилизатора "мертвое время", что увеличивает длительность рабочего цикла до 100%, а также обеспечить напряжение регулирования равным примерно 0,1В и использовать стабилизатор в качестве ключа. Стабилизатор при снижении входного напряжения на нем из-за разряда аккумулятора сначала стабилизирует выходное напряжение, а затем переводится в режим открытого ключа и при достижении минимально допустимого значения напряжения аккумулятора происходит закрывание ключа и отключение нагрузки. На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого источника резервированного питания. Полезная модель по п.2 формулы поясняется схемой, приведенной на фиг.3. Здесь
1 - трансформатор,
2 - выпрямитель,
3 - емкостный фильтр,
4 - стабилизатор,
5 - устройство заряда аккумулятора,
6 - аккумулятор,
7 - диод,
8 - схема контроля и управления,
9 - нагрузка,
12 - электронный ключ,
13 - полевой транзистор.
14 - ДС/ДС-конвертор,
15 - ШИМ-контроллер,
16 - компаратор регулировки "мертвого времени".
Работает заявляемый источник резервированного питания следующим образом. Напряжение сети 220 В 50 Гц поступает на вход трансформатора 1, который понижает напряжение и осуществляет гальваническую развязку, с выхода трансформатора 1 напряжение поступает на силовой диодный выпрямитель 2, где выпрямляется и поступает на емкостной конденсаторный фильтр 3. Далее напряжение поступает на вход импульсного ШИМ-стабилизатора 4, на выходе которого подключается нагрузка 9. После фильтра 3 напряжение поступает также на устройство заряда аккумулятора 5, осуществляющее заряд аккумулятора 6. Кроме напряжения основной сети, на вход стабилизатора 4 через диод 7 поступает напряжение аккумулятора 6. В этом случае при пропадании основной сети на входе стабилизатора 4 присутствует напряжение аккумулятора 6. Входное напряжение стабилизатора поступает на ДС/ДС-конвертор,
который формирует отрицательное напряжение и через электронный ключ 12 подает его на компаратор регулировки "мертвого времени" 16 ШИМ-контроллера 15. За счет этого "мертвое время" становится равным нулю, а длительность рабочего цикла 100%. Напряжение с ШИМ-контроллера подступает на регулирующий элемент - полевой транзистора 13 Р-канального типа с малым сопротивлением канала. Стабилизатор 4 при снижении входного напряжения на нем из-за разряда аккумулятора 6 стабилизирует напряжение на выходе до тех пор, пока выполняется неравенство
Uвх-Uрег≥Uвых,
где
Uвх - напряжение на входе стабилизатора;
Uрег - минимальное напряжение регулирования ШИМ-стабилизатора;
Uвых - напряжение на выходе стабилизатора.
При дальнейшем снижении Uвх из-за разряда аккумулятора 6 ШИМ-контроллер 15 полностью открывает полевой транзистор 13 и переводит его в режим ключа с падением напряжения на нем, равным Uрег, составляющего примерно 0,1В. Для защиты аккумулятора 6 от глубокого разряда схема контроля и управления 8 контролирует напряжение аккумулятора 6. При достижении минимального допустимого значения напряжения аккумулятора 6 схема контроля и управления 8 подает сигнал на электронный ключ 12, который изменяет напряжение, подаваемое на компаратор регулировки "мертвого времени" 15 с отрицательного на положительное, "мертвое время" становится равным 100%, полевой транзистор 13 закрывается и отключает нагрузку 9.
Предложенное техническое решение, при котором на вход стабилизатора подают напряжение основной сети и аккумулятора, а в качестве стабилизатора используют ШИМ-стабилизатор, в схему которого вводят дополнительный источник отрицательного смещения типа DC/DC-конвертера, а в качестве регулирующего элемента используют полевой транзистор Р-канального типа с малым сопротивлением канала, позволяет исключить скачок напряжения на выходе при автоматическом переключении с основной сети на аккумулятор, чем обеспечивается стабильность выходного напряжения источника резервированного питания. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет повысить надежность источника резервированного электропитания за счет исключения дополнительного силового ключа аккумулятора и упрощения схемы контроля и управления в связи с отсутствием необходимости контроля за состоянием основной сети. Полезная модель (варианты) разработана, освоена и промышленно изготавливается Обществом с ограниченной ответственностью "К-инженеринг", Санкт-Петербург, Россия.