УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ САМОРАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H02J7/10 H01M10/42 

Изобретение относится к электронной технике и может быть применено в устройствах подзаряда аккумуляторных батарей, находящихся на хранении, с целью компенсации их саморазряда.

Известна установка для подзаряда аккумуляторных батарей малыми токами [1] в которой заряд батарей с целью компенсации их саморазряда осуществляется токами фиксированных значений 50, 100 или 150 мА.

Недостатками данной установки являются низкая надежность, неточная компенсация саморазряда батарей, так как на все батареи подается одинаковое напряжение и фиксированное значение тока подзарядки не позволяет установить ток подзарядки, равный току саморазряда. Кроме того, уровень зарядного напряжения не корректируется в зависимости от температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] содержащее выпрямитель, к выходу которого подсоединены входы ответвительных коробок, на выходы которых подключаются аккумуляторные батареи, находящиеся на хранении. Причем в ответвительные коробки введены стабилизатор напряжения, подстроечный потенциометр, схема защиты от короткого замыкания, диод температурной компенсации. Данное устройство обладает следующими недостатками: необходимость подбора стабилитрона как по напряжению стабилизации, так и по температурному коэффициенту напряжения. Как известно [3] даже для стабилитронов одного типа эти величины имеют существенный разброс (порядка 20%). С помощью диода температурной компенсации невозможно точно компенсировать температурную зависимость выходного напряжения так, чтобы она точно соответствовала температурой зависимости ЭДС аккумуляторной батареи. Как известно, температурный коэффициент напряжения р-n перехода составляет -2 мВ/К и достаточно слабо зависит от прямого тока через диод [3, 4] В схеме устройства [2] регулировка температурного коэффициента напряжения на диод не предусмотрена. В результате неточного температурного согласования ЭДС батареи и выходного напряжения в некоторых участках температурного диапазона может наблюдаться недозаряд или перезаряд аккумуляторной батареи, что приводит к снижению срока службы аккумуляторных батарей.

Одновременно это требует и систематического контроля за состоянием батарей, что снижает эксплуатационные характеристики установки. Другим существенным недостатком предложенного в [2] устройства является существенное токопотребление в том случае, когда ток подзарядки батарей отсутствует. В силу этого к выпрямителю предъявляются повышенные требования по отдаваемому току, наблюдается повышенный расход электроэнергии, ухудшается тепловой режим работы схемы.

Кроме того, коэффициент стабилизации стабилизатора в схеме прототипа очень мал, что может привести к пере- или недозаряду батарей, находящихся на хранении при изменении напряжения питающей сети.

Настоящее изобретение направлено на повышение точности компенсации саморазряда батарей при изменении температуры окружающей среды и снижение потребляемой мощности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что стабилизатор напряжения выполнен по схеме источника опорного напряжения с напряжением "запрещенной зоны" и содержит дифференциальный усилитель, выполненный на двух транзисторах, операционный усилитель с защитой от короткого замыкания, усилитель мощности на транзисторе и диод защиты от обратного напряжения, причем выходы дифференциального усилителя соединены со входами операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен со входом усилителя мощности, выход усилителя мощности через диод защиты от обратного напряжения соединен с плюсовым выходом ответвительной коробки, а входы дифференциального усилителя соединены друг с другом и подключены через подстроечный потенциометр к плюсовому выходу ответвительной коробки и через резистор к минусовому выходу ответвительной коробки и введен регулировочный потенциометр, включенный между эмиттерами транзисторов дифференциального усилителя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается схемной реализацией стабилизатора напряжения, который выполнен по схеме источника опорного напряжения с напряжением "запрещенной зоны", наличием нового элемента регулировочного потенциометра, а также связями между ними.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что схемная реализация стабилизатора и введение нового элемента повышает эксплуатационные свойства и точность компенсации саморазряда батарей, так как регулировочный потенциометр позволяет установить настройку стабилизатора на напряжение, равное ЭДС заряженной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне. В результате повышается точность компенсации и отпадает необходимость периодического контроля батарей, находящихся на хранении. Снижается потребляемая мощность.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для компенсации саморазряда аккумуляторных батарей.

Устройство содержит выпрямитель 1, к выходу которого подключены ответвительные коробки 2, 3 по числу аккумуляторных батарей, находящихся на хранении.

Основу электрической схемы составляет стабилизатор напряжения, выполненный по схеме источника опорного напряжения с напряжением "завершенной зоны", содержащей схему защиты от короткого замыкания выхода, встроенную в операционный усилитель 4, усилитель 5 модности на транзисторе, диод 6 защиты от обратного напряжения, дифференциальный усилитель 7. Усилитель 7 выполнен на двух транзисторах 8, 9 и четырех сопротивлениях 10, 11, 12, 15. Кроме того, в состав схемы входят подстроечный потенциометр 14 и регулировочный потенциометр 13. К выходам ответвительных коробок подключаются аккумуляторные батареи 16, 17.

Выходы транзисторов 8, 9 дифференциального усилителя 7 соединены со входами операционного усилителя 4, выход которого соединен со входом усилителя 5 мощности, выход усилителя мощности соединен через диод 6 защиты от обратного напряжения, соединенный с плюсовым выходом ответвительной коробки 2. Входы транзисторов 8, 9 соединены друг с другом и подключены через подстроечный потенциометр 14 к плюсовому выходу ответвительной коробки 2 и через резистор 15 к минусовому выходу. В стабилизатор введен регулировочный потенциометр 13, включенный между эмиттерами транзисторов дифференциального усилителя 7.

Устройство работает следующим образом.

К выходам ответвительных коробок 2, 3 подключаются исправные и полностью заряженные аккумуляторные батареи 16, 17, находящиеся на хранении. С помощью подстроечного потенциометра 14 устанавливают уровень напряжения стабилизатора, равный ЭДС заряженной батареи. Соответствующий уровень напряжения определяют по нулевому показанию миллиамперметра, который включается последовательно с батареей к выходу ответвительной коробки. В процессе саморазряда величина ее ЭДС снижается и в цепи батареи появляется ток, заряжающий ее установленного уровня.

Из литературы [3, 4] известно, что источник спорного напряжения генерирует напряжение, не зависящее от температуры в широком (от -55^o до 120^oC) диапазоне температур. Однако это справедливо только в случае, когда падение напряжения на резисторе 15 точно равно напряжению ширины "запрещенной зоны" полупроводника при температуре абсолютного нуля (1,205 B для кремния). Нулевая зависимость выходного напряжения от температуры достигается в случае определенных [3, 4] соотношений между сопротивлениями 10, 11, 12 и регулировочным потенциометром 13.

Действительно, разность напряжений

где K постоянная Больцмана;
T абсолютная температура;
e заряд электрона;
n₁ отношение токов коллекторов транзисторов 8 и 9.

Это отношение задается выбор сопротивлений 10 и 11.

С другой стороны
ΔU_бэ= I₁₁•R₁₃≈ I₉R₁₃ (2)
приравнивая (1) и (2), получим

Тогда ток через сопротивление 12

а напряжение на этом сопротивлении

Если это напряжение сложить с напряжением Uбэ, то получим напряжение на сопротивлении 15

где ΔE_д ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен дифференциальный усилитель;
A- величина, практически не зависящая от температуры.

Если установить U₁₅ 1,205 B для кремния, то получим, что выражение

равно нулю. В этом случае наблюдается компенсация температурной зависимости U_бэ.

ЭДС батареи слабо возрастает при увеличении температуры окружающей среды. Зависимость выходного напряжения стабилизатора от температуры устанавливается такой же, как и температурная зависимость ЭДС батареи. Плавная установка необходимой температурной зависимости производится с помощью регулировочного потенциометра 13. Этот эффект "перекомпенсации" отрицательного температурного коэффициента напряжения между базой и эмиттером биполярного транзистора 8 достигается за счет повышенного по сравнению со схемой с нулевым температурным коэффициентом напряжения потенциалом точки соединения входов дифференциального усилителя. То есть напряжение на сопротивлении 15 должно быть больше 1,205 В.

Необходимый температурный коэффициент напряжения источника устанавливается изменением регулировочного потенциометра 13 при повышенном значении потенциала точки соединения входов дифференциального усилителя.

Поскольку в схеме отсутствует спорный диод, то токопотребление стабилизатора при отсутствии нагрузки может быть установлено примерно на порядок меньшим, чем в прототипе.

Большое количество ответвительных коробок, а также тот факт, что установка постоянно включена в сеть, позволяет сделать вывод, что энергосбережение может быть значительным.

Кроме того, за счет питания дифференциального усилителя 7 с плюсового выхода ответвительной коробки стабилизированным напряжением, а также за счет сильного подавления синфазного сигнала операционным усилителем 4 предложенное схемное решение позволяет получить коэффициент стабилизации на уровне 80 дБ, что превосходит аналогичный параметр схемы прототипа примерно в 300 раз.

Операционный усилитель 4 имеет встроенную защиту от короткого замыкания. В силах этого выходной ток с плюсового выхода ответвительной коробки будет ограничен.

Таким образом, выполнение стабилизатора по схеме источника с напряжением "ширины запрещенной зоны", а также введение в устройство регулировочного потенциометра повышает точность компенсации саморазряда аккумуляторных батарей, позволяя точно задавать на зарядном источнике и изменять этот уровень в зависимости от температуры окружающей среды, снизить энергопотребление и исключить влияние нестабильностей напряжения питающей сети. В результате повышается срок службы батарей и спадает необходимость в систематическом контроле их состояния, что повышает эксплуатационные свойства устройства. Кроме того, устройство защищено от аварийных режимов неправильных включений батарей и от коротких замыканий на выходах ответвительных коробок.

Сущность изобретения: повышение точности компенсации саморазряда батарей при изменении температуры окружающей среды и снижение потребляемой мощности осуществлено благодаря тому, что стабилизатор напряжения устройства выполнен по схеме источника опорного напряжения с напряжением "запрещенной зоны" и в устройство введен регулировочный потенциометр, включенный между эмиттерами транзисторов дифференциального усилителя стабилизатора напряжения. 1 ил.

Устройство для компенсации саморазряда аккумуляторных батарей, содержащее выпрямитель, к выходу которого подсоединены входы ответвительных коробок, на выходы которых подсоединены аккумуляторные батареи, находящиеся на хранении, стабилизатор напряжения, содержащий схему защиты от короткого замыкания, подстроечный потенциометр, задающий уровень выходного напряжения и включенный между входом и выходом ответвительной коробки, отличающееся тем, что стабилизатор напряжения выполнен по схеме источника опорного напряжения с напряжением "запрещенной зоны" и содержит дифференциальный усилитель, выполненный на двух транзисторах, операционный усилитель с защитой выхода от короткого замыкания, усилитель мощности на транзисторе и диод защиты от обратного напряжения, причем выходы дифференциального усилителя соединены с входами операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с входом усилителя мощности, выход усилителя мощности через диод защиты от обратного напряжения соединен с плюсовым выходом ответвительной коробки, а выходы дифференциального усилителя соединены друг с другом и подключены через подстроечный потенциометр к плюсовому выходу ответвительной коробки и через резистор к минусовому выходу ответвительной коробки, и в него дополнительно введен регулировочный потенциометр, включенный между эмиттерами транзисторов дифференциального усилителя, причем питание дифференциального усилителя осуществляется от плюсового выхода ответвительной коробки.