МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ АККУМУЛИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ НА БАЗЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам управления накопителями электрической энергии, и может быть использована при создании аккумулирующих источников вторичного электропитания на базе суперконденсаторов.
В настоящее время широкое применение находят суперконденсаторы - высокомощные электрические конденсаторы, способные принимать подзаряд очень быстро и также быстро высвобождать накопленную энергию.
Основные преимущества суперконденсаторов (далее по тексту - СК) заключаются в большом электроемкости при малых габаритах, а также в крайне малом значении эквивалентного последовательного сопротивления.
В результате при больших импульсных разрядных токах основную роль играет резистивная составляющая общего сопротивления конденсаторов, а при малых импульсных токах большой продолжительности - емкисна составляющая.
Поэтому при работе с большими импульсами тока следует применять суперконденсаторы с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПО), а при работе с малыми токами - конденсаторы большой емкости.
При разряде СК на нагрузку первичное напряжение падает на величину Ur (влияние ЭПО), после чего разрядная кривая принимает вид экспоненты.
При соединении аккумуляторной батареи (далее по тексту - АБ) с СК аккумулятор запасает намного больше энергии, чем конденсатор, его последовательное сопротивление потерь также намного выше. СК берет на себя часть нагрузки, ограничивая максимальный ток и продлевая тем самым жизнь АБ.
Известный "Устройство управления импульсным стабилизатором" (Патент Украины №63727, МПК-7 G05F 1/56, H02M 3/335, H02M 7/00, Бюл. №1, 2004 р.), Недостатком которого является сложная схемотехника устройства не позволяет, к тому же реализовать необходимый алгоритм работы устройства.
Известен также "Устройство управления многофункционального преобразователя напряжения" (Патент Украины №9031, МПК-7 G05F 1/56, H02M 3/335, H02M 7/00, БИ-9-2005 р.), Недостатком которой является сложная схема устройства.
Наиболее близким по технической сущности и результата, что достигается, и выбранным в качестве прототипа является "Модуль управления коммутатором нагрузок солнечных батарей" (Патент Украины №45368, МПК-8 G05F 1/56, H02M 3/335, H02M 7/00, БИ-21-2009 р.), что включает устройство сравнения (УС), выполненное на компараторе и первый предварительный усилитель (ППУ), при этом дополнительно введений второй предварительный усилитель (ВПУ) и блок коммутации (БК), при этом оба предыдущих усилителя и первый и второй выходные ключи выполнены в виде блока предварительных усилителей с выходными ключами, а БК выполнен в виде транзисторной логической схемы, входи которой подключены в плюсовым выводам солнечной батареи (СБ) и аккумуляторной батареи (АБ), а выход подключен к нагрузке, кроме того, БППзВК выполнен на транзисторах, при этом на базу ППУ подается сигнал "заряд АБ", а на базу ВПУ подается сигнал "Импульсный стабилизатор напряжения "(" ИСН "), причем в коллекторные цепи ППУ и ВПУ включены соответственно делители напряжения на двух резисторах, а базовые цепи выходных ключей подключены к средним точкам соответствующих делителей резисторов напряжения, кроме того, эмиттер первого выходного ключа подключен к входу "ИСН", а коллектор другого выходного ключа через развязывающий диод подает «+» СБ на силовой ключ БК, а прямой вход компаратора УС через делитель на резисторе и стабилитроне подключен к «+» АБ, а инверсный вход компаратора через делитель напряжения подключен в «+» СБ, при этом выход УС подключен к входу БК управляющей при этом БК выполнен на четырех транзисторах и логическом инверторе и четырех решающих диодах, вход БК, при этом управляющая подключен к выходу компаратора УС, сигнал с которого поступает на базу первого транзистора, управляющего коллектор которого соединен с базой первого коммутатора, подключаемый «+» ИСН через развязывающий диод к нагрузке, кроме того, сигнал с выхода компаратора УС через логический инвертор поступает на базу другого транзистора, управляющего коллектор которого соединен с базой другого коммутатора, подключаемый «+» СБ или АБ через развязывающий диод к нагрузке.
Недостатками прототипа являются сложные функциональная и принципиальная схемы устройства.
Задачей полезной модели является разработка новой схемотехники модуля управления аккумулирующим устройством на базе суперконденсаторов с достижением технического результата - упрощение схемотехники устройства.
Поставленная задача решается тем, что в "Модуль управления аккумулирующим устройством на базе суперконденсаторов ", включающий устройство сравнения, выполнен на компараторе, и силовой ключ, является блок определения "заряд-разряд" суперконденсатора (СК), фиксатор "заряд-разряд" СК, блок формирования заряда СК, блок формирования разряда СК, ключ заряда СК, ключ разряда СК и два силовых ключа заряда и разряда СК, причем блок определения "заряд-разряд" СК выполнен на двух компараторах, реализованных на сдвоенном операционном усилителе, фиксатор "заряд-разряд" СК выполнен на D-триггере, блок формирования заряда СК выполнен на двух логических элементах "и", блок формирования разряда СК выполнен на логическом элементе "и", ключ заряда СК выполнен на транзисторе, нагрузкой которого является оптопара, ключ разряда СК выполнен на транзисторе, нагрузкой которого является оптопара, а силовые ключи заряда и разряда СК выполнены на полевых транзисторах МОП-структуры.
Новым в устройстве, заявляется, является новая схемотехника построения модуля управления аккумулирующим устройством на базе суперконденсаторов за счет введения новых элементов и связей между ними, позволяет решить задачу, поставленную в данной полезной модели, с достижением технического результата - упрощение схемотехники устройства.
Существенными признаками устройства, заявляемого совпадающими с прототипом, являются следующие признаки:
- Устройство сравнения, выполнен на компараторе;
- силовой ключ.
Отличительными от прототипа существенными признаками устройства заявляется, являются следующие признаки:
- Блок определения "заряд-разряд" СК;
- Фиксатор "заряд-разряд" СК;
- Блок формирования заряда СК;
- блок формирования разряда СК;
- Ключ заряда СК;
- Ключ разряда СК;
- Два силовых ключи заряда и разряда СК.
Частными отличительными от прототипа существенными признаками устройства, заявляемого есть следующие признаки:
- Блок определения "заряд-разряд" СК выполнен на двух компараторах, реализованных на сдвоенном операционном усилителе;
- Фиксатор "заряд-разряд" СК выполнен на D-триггере;
- Блок формирования заряда СК выполнен на двух логических элементах "И";
- блок формирования разряда СК выполнен на логическом элементе "и";
- Ключ заряда СК выполнен на транзисторе, нагрузкой которого является оптопара;
- Ключ разряда СК выполнен на транзисторе, нагрузкой которого является оптопара;
- Силовые ключи заряда и разряда СК выполнены на полевых транзисторах МОП-структуры.
Между существенными признаками полезной модели заявляемого и техническим результатом, который достигается, существует следующий причинно-следственная связь.
Действительно, новая схемотехника предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет значительно упростить устройство и, за счет этого, повысить надежность его работы и снизить материальные затраты при тиражировании данного устройства.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническими источниками информации, с выявлением источников, содержащих информацию об аналогах технического решения, которое заявляется, позволяет установить, что заявителем не обнаружены полные аналоги, которые характеризуются всей совокупности признаков, идентичной всем существенным признакам заявленного устройства, указанных в формуле полезной модели.
Поэтому можно утверждать, что полезная модель, заявляется, соответствует условию патентоспособности по критерию "новизна".
Кроме того, данная полезная модель промышленно применима, так как техническое решение, заявляется, позволяет использовать его при разработке и изготовлении источников вторичного электропитания на базе солнечных батарей (СБ), суперконденсаторов (СК) и акумулярних батарей (АБ).
На фиг. 1 показана блок-схема устройства, заявляется; на фиг. 2 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства.
Устройство, заявляется, состоит из следующих основных блоков, непосредственно связанных друг с другом:
- Блок определения "заряд-разряд" СК (далее по тексту - БО "З-Р");
- фиксатор "заряд-разряд" СК (далее по тексту - Ф "З-Р");
- Блок формирования заряда СК (далее по тексту - БФ "З");
- Блок формирования разряда СК (далее по тексту - БФ "Р");
- Ключ заряда СК (далее по тексту кл "З");
- Ключ разряда СК (далее по тексту кл "Р");
- силовые ключи заряда и разряда СК.
БО "З-Р" СК выполнен на двух компараторах DA 1-1 и DA 1-2, реализованных на сдвоенном операционном усилителе.
Ф "З-Р" СК выполнен на D-триггере DD 1-1.
БФ "З" СК выполнен на двух логических элементах "И": DD 2-1 и DD 2-2. 5 БФ "Р" СК выполнен на логическом элементе "и" DD 2-3.
Кл "З" СК выполнен на транзисторе VT 3, нагрузкой которого является оптопара АОТ 1-1.
Кл "Р" СК выполнен на транзисторе VT 4, нагрузкой которого является оптопара АОТ 2-1.
Силовые ключи заряда VT2 и разряда VT1 СК выполнены на полевых транзисторах МОП-структуры. Рассмотрим подробнее заявляемое устройство.
Импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) стабилизирует напряжение, поступающей из солнечных батарей и обеспечивает стабильным напряжением питания схему устройства и СК.
БО "З-Р" содержит источник стабильной опорного напряжения параметрического типа, состоящий из стабилитрона VD2 (КС 175А) и балластного резистора R9, двух компараторов DA1-1 и DA1-2 на основе операционных усилителей, определяющие состояние "заряд-разряд "СК.
Ф "З-Р" выполнен на D-триггере DD1, работающий в режиме RS-триггера с начальной установкой по цепи С1, R7, R8. При включении отрицательным спадом напряжения триггер DD1 устанавливается в состояние заряженного СК.
Если СК разряжен, отрицательным фронтом с выхода компаратора DA1-2 он устанавливается в нужное состояние.
Далее состояние триггера DD1 зависит от перепадов напряжения на выходах компараторов DA1-1 и DA1-2, таким образом триггер DD1 фиксирует заряженный СК или нет. Если конденсатор СКУ заряжен, то с выхода "Р" триггера DD1 логическая "1" поступает на БФ "Р".
БФ "Р" собран на DD2-1, DD2-2 и, при поступлении на его вход "2" логической "1" от коммутатора нагрузок (условно не показан), на выходе "С" DD2-1 появляется сигнал логического "0".
Этот сигнал поступает на входы 5 и 6 DD2-2, с выхода "4" которого логическая "1" через базовый делитель R12 и R13 поступает на ключевой транзистор VT3, через балластный резистор R14 включает светодиод оптронные пары AOT-1.
При этом открывается составлен фототранзистор этой оптопары и на вход силового ключа разряда VT1 поступает потенциал - 15 В, который открывает силовой ключ разряда VT1 и СКУ разряжается в нагрузку.
Сопротивление R11 является нагрузкой составного транзистора оптопары.
Когда Ф "З-Р" выполнен на D-триггере DD1, переходит в состояние "С", на входе DD2-3 появляется сигнал логической "1" и, при поступлении от коммутатора нагрузок (условно не показан) также сигнала логической "1", по линии "С" (заряд) на выходе DD2-3 ("10") появляется логический "0", и на выходе "4" DD2-2 также присутствует сигнал логического "0" и ключ VT2 закрывается, при этом транзистор VT4 закрывается и через AOT2 открывается транзистор VT1, включая в режим заряда конденсатор СКУ.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для стабилизации выходного напряжения СБ служит ИСН, с выхода которого в устройство поступает два напряжения: основная 15В и вспомогательная -15В для питания устройства зарядки СК.
На каждом СК присутствует соответствующая только ему напряжение заряда, поэтому на каждый СК должна подаваться своя напряжение заряда.
Итак, каждый СК должен быть оснащен своим модулем управления аккумулирующим устройством, которое осуществляет контроль "заряд" - "разряд" СК, схема которого приведена на фиг. 2.
Устройство заявляемого управляется от коммутатора управления выхода солнечных батарей (условно не показан).
При первом включении Ф "З-Р" на D-триггере DD1 устанавливается в исходное состояние "СК разряжен" по цепочке С1, R8, R7, при этом на "O''-вход DD1 присутствует логический "0". Если СК заряжен, то отрицательным фронтом с выхода DA1-1 он устанавливается в положение готовности к разряду.
БО "З-Р" состоит из двух пороговых элементов: элемент пороговый заряженного конденсатора и элемент разряженного конденсатора на операционных усилителях DA1-1 и DA1-2 соответственно, на один из входов которых представлена опорное напряжение, на другие входы подано напряжение от СК из делители напряжения R1, R2 и R3, R4 соответственно.
При равенстве этого напряжения, а именно эталонной (опорной) напряжения и напряжения "зарядов" или "разрядов" СК, на выходах DA1-1 или DA1-2 появляется отрицательный перепад напряжения.
Этот перепад и фиксирует Ф "З-Р" на D-триггере DD1, включенный в режиме RS-триггера, выдавая команды: заряженный конденсатор (на прямом выходе) и конденсатор разряжен (на инверсном выходе) сигнал логической "1" (+15В).
Команда СК "заряженный" поступает на вход логической схемы DD2-1, выполняющий функцию "И-НЕ". Если на втором входе DD2-1 также присутствует логическая "1" (т.е. поступил сигнал "разряд" от коммутатора нагрузки солнечной батареи), то на выходе DD2-1 появляется сигнал логического "0" (т.е. напряжение общего провода).
На логическом элементе DD1-2 это напряжение инвертируется, то есть становится логичной "1" и поступает через делитель на резисторах R12, R13 на базу VT3. Транзистор VT3 открывается, в результате чего светодиод оптронные пары АОТ 1 через балластный резистор R14 начинает светиться, вследствие этого открывается составной транзистор оптронные пары АОТ 1, при этом на затвор силового ключа VT2 подается потенциал -15В.
Силовой ключ на полевом транзисторе VT2 открывается и начинается разряд СКУ на нагрузку. СКУ разряжается до нижнего порога и с выхода DA1-2 отрицательным фронтом переключает Ф "З-Р" на D-триггере DD1 в другое устойчивое состояние (на прямом выходе появляется сигнал логического "0"), который сигнализирует о разряде СКУ и передает информацию в разряд СК следующем ячейки.
Силовой ключ VT2 закрывается.
На логическом элементе DD2-3 появляется сигнал готовности к заряду СКУ: на инверсном выходе DD1-1 присутствует логическая "1" и при поступлении от коммутатора нагрузок солнечных батарей сигнала "заряд" (логической "1") на выходе DD2-3 появляется сигнал логического "0", который через делитель R15, R16 подается на базу транзистора VT4, который закрывается, при этом прекращается ток через светодиод в оптронные паре АОТ 2 и составной транзистор оптопары АОТ 2 закрывается.
На затворе VT1 появляется через буферный резистор R10 потенциал +15В. Полевой ключ открывается и начинается заряд СКУ.
После заряда СКУ, Ф "З-Р" на D-триггере DD1 переходит в другое устойчивое состояние и на прямом выходе DD1 появляется сигнал логической "1", на инверсном выходе DD1- сигнал логического "0", при этом информация о заряженный СКУ передается в следующую ячейку, и если в ней СК заряжен, то он начинает разряжаться. Далее процесс повторяется по всей цепочке до полных зарядов всех СК, а затем при необходимости и разрядов СК на нагрузку.
На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод, что задача, поставленная в настоящий полезной модели - разработка новой схемотехники модуля управления аккумулирующим устройством на базе суперконденсаторов - выполнена с достижением технического результата -упрощение схемотехники устройства.