МНОГОРЕЖИМНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к области "малой" энергетики - автономным источникам питания, которые могут найти широкое применение в различных отраслях хозяйственной деятельности человека и многочисленных и разнообразных электроприборах бытовой техники, например, могут найти применение в качестве блоков питания мониторов, компьютеров, телевизоров, аудио-, видеосистем, в качестве зарядно-разрядных устройств аккумуляторов транспортных средств, в блоках питания, в навигационных радио- и световых маяках, на метеостанциях, в сварочных агрегатах, для строителей в полевых условиях, жителей регионов с частым отключением сети и владельцев торговых точек без электричества, для спасателей и пожарников при работе в задымленных помещениях, в системах отопления в виде газовых котлов, для ветрогенераторных установок, в устройствах контроля и охраны территорий и систем защиты помещений, в устройствах микроклимата и в других объектах различных предназначений.

Широкий спектр возможного использования заявленного изобретения обусловлен эксплуатацией его в многочисленных режимах, удобством и простотой эксплуатации и высокой надежностью и стабильностью при использовании в приборах в жилых, производственных, медицинских и т.п. помещениях.

Основной задачей источников питания является возможность регулировки выходных параметров энергии, питающей многочисленные аппараты, отличающейся стабильными параметрами тока и напряжения. Заявляемый источник питания может быть использован также в качестве источника вторичного электропитания, обеспечивающего заданное значение тока.

Одним из известных источников питания является устройство, описанное в патенте США 4536696, опубл. 20.08,85 г., основанное на использовании преобразователя напряжения. Однако это устройство отличается недостаточной надежностью и невысоким быстродействием.

Известное устройство отличается и излишне высокой стоимостью.

Известен источник питания на полевых транзисторах, представленный в описании к патенту РФ 2097897, опубл. 27.11.97 г., содержащий преобразователи, фильтр, ограничители и трансформатор.

Недостатком известного устройства являются низкие удельные массогабаритные показатели вспомогательного узла питания, которые приводят к низким массогабаритным показателям устройства, особенно при малой выходной его мощности.

Известен также источник вторичного электропитания по патенту РФ 2138113, опубл. 20.09.1999 г. , содержащий триггер, фильтр, транзисторы, стабилизатор и логический блок.

Недостатком известного блока питания является невозможность работы в широком диапазоне входного питающего напряжения при получении необходимой выходной мощности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является описанный в международной заявке WO 99/59238. В этом устройстве применен трансформатор с большим количеством обмоток и несколько блоков преобразователей напряжения со своими автономными источниками питания, что удорожает конструкцию, при этом выходное напряжение лишь приближенно можно назвать синусоидальным. Еще к одному недостатку известного устройства следует отнести то, что подзаряд автономного источника в этом устройстве никак не контролируется, не регулируется и не обеспечивает больших мощностей.

Техническим результатом заявляемых изобретений является исключение всех вышеперечисленных недостатков. Кроме того, в заявленных изобретениях обеспечивается многорежимная работа устройства, надежная защита от бросков тока, высокая помехозащищенность, защита от включения неправильной полярностью автономного источника питания, от перегрева и перегрузок по току транзисторов, от короткого замыкания со стороны выхода и автономного источника питания, а также от перезаряда и полного разряда аккумулятора и малое потребление на холостом ходу. Кроме того, в заявляемом изобретении для удобства эксплуатации обеспечивается возможность подключения в качестве блока приема входного сигнала дистанционного пульта, связь с которым может быть выполнена как проводная, так и беспроводная.

Преимуществом заявляемого изобретения также является низкая стоимость. Кроме того, его можно использовать как зарядное устройство для аккумуляторов и как восстановитель последних, а также как пускозарядное устройство для двигателей автомобилей.

Еще одним преимуществом данного источника питания за счет использования микроконтроллера является возможность коррекции и модификации программы и начальных данных, а также вывод информации в компьютер для мониторинга работы устройства. Также в нем может быть обеспечена связь с компьютером (или другим устройством ввода информации - таким как, например, программатор) для ввода в память начальных данных.

Поставленная цель достигается тем, что в многорежимный источник питания, содержащий автономный источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор, фильтр, преобразователь напряжения, состоящий из двух полевых транзисторов с внутренними интегральными диодами, и трансформатор, введены блок коммутации, шинный формирователь, датчики сетевого напряжения и температуры, дополнительный полевой транзистор с внутренним интегральным диодом, микроконтроллер, блок приема входных сигналов и усилитель, при этом выход автономного источника питания соединен с первым входом микроконтроллера и через стабилизатор соединен с входом питания микроконтроллера, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам усилителя и датчика температуры, выходы микроконтроллера соединены с шинным формирователем, подключенным к управляющему входу блока коммутации и к затворам первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения и к затвору дополнительного полевого транзистора, сток первого полевого транзистора преобразователя напряжения соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой подключен к выходу автономного источника питания, а второй вывод - к стоку второго полевого транзистора преобразователя напряжения, истоки первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения соединены с истоком дополнительного полевого транзистора, а сток дополнительного транзистора соединен с шиной нулевого потенциала, исток и сток каждого полевого транзистора преобразователя напряжения соединены с анодом и катодом соответствующего внутреннего интегрального диода, сток и исток дополнительного полевого транзистора соединен с первым и вторым входами усилителя, выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам фильтра, выходы которого подключены к первой группе информационных входов блока коммутации, выход которого является выходом источника питания, а вторая группа информационных входов соединена с выводами питающей сети и с входами датчика сетевого напряжения, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, пятый вход которого соединен с блоком приема входных сигналов, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью функционирования в соответствии с занесенной в его память программой и предназначен в ответ на сигналы, полученные от усилителя, датчика температуры, блока приема входных сигналов, автономного источника питания и датчика сетевого напряжения формировать импульсы заданной скважности для управления транзисторами, а также выполнен с возможностью обработки и запоминания сигналов, полученных от блока приема входных сигналов, и предназначен для контроля - изменения параметров питающей сети и величины выходного напряжения и контроля заряженности автономного источника питания, контроля режима функционирования и температуры полевых транзисторов, кроме того, микроконтроллер предназначен для задания значений временных интервалов допустимых превышений граничных параметров питающей сети и выбора режима автономного или сетевого питания для управления переключением блока коммутации.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого многорежимного источника питания;
на фиг.2 - схема датчика сетевого напряжения.

Многорежимный источник питания содержит автономный источник питания 1, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор 2, фильтр 4, блок коммутации 9, датчики сетевого напряжения 6 и температуры 5, преобразователь напряжения, состоящий из двух полевых транзисторов 13 и 14 с внутренними интегральными диодами, дополнительный полевой транзистор 15 с внутренним интегральным диодом, трансформатора 12, микроконтроллер 3, шинный формирователь 29, блок приема входных сигналов 11 и усилитель 10.

Микроконтроллер 3 управляет работой схемы источника питания в соответствии с программой, находящейся в его программной памяти. В результате микроконтроллер 3 сам имеет блочную структуру, которая показана на фиг. 1 и может выполнять функции измерения и сравнения сигналов посредством блоков измерения и cравнения 16-19 и на основании этих данных формировать последовательности импульсов различной скважности посредством формирователей импульсов 20-22 и другие сигналы управления всеми компонентами схемы через порт управления 23 и порт связи с внешними устройствами 24. При этом выход автономного источника 1 питания соединен с первым входом микроконтроллера 3 и через стабилизатор 2 соединен с входом питания микроконтроллера 3, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам усилителя 10 и датчика температуры 5. Выходы микроконтроллера 3 соединены с шинным формирователем 29, подключенным к управляющему входу блока коммутации 9, к затворам полевых транзисторов 13 и 14 преобразователя напряжения и к затвору дополнительного полевого транзистора 15. Cток полевого транзистора 13 преобразователя напряжения соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора 12, средний вывод которой подключен к выходу автономного источника питания 1, а второй вывод - к стоку полевого транзистора 14 преобразователя напряжения. Истоки полевых транзисторов 13 и 14 преобразователя напряжения соединены с истоком дополнительного полевого транзистора 15 и с первым входом усилителя 10, а сток дополнительного транзистора 15 соединен с шиной нулевого потенциала и вторым входом усилителя 10.

Исток и сток каждого полевого транзистора преобразователя напряжения соединены с анодом и катодом соответствующего внутреннего интегрального диода, выводы вторичной обмотки трансформатора 12 подключены к входам фильтра 4, выходы которого подключены к первой группе информационных входов блока коммутации 9, выход которого является выходом источника питания 8, а вторая группа информационных входов соединена с выводами питающей сети 7 и с входами датчика сетевого напряжения 6, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера 3, пятый вход которого соединен с блоком приема входных сигналов 11.

Шинный формирователь 29 предназначен для передачи последовательности импульсов заданной формы и определенной скважности, сформированных формирователями 20-22 микроконтроллера 3, и может быть реализован на ИС серии 533.

Управление выбором определенной шины в формирователе 29 и заданием значения передаваемых через шинный формирователь сигналов осуществляется микроконтроллером 3, обеспечивающим выдачу информации в определенные моменты времени в соответствии с выбранным режимом функционирования источника питания, при этом передача осуществляется только в одну сторону.

Использование шинного формирователя позволяет увеличить число подключаемых к контроллеру элементов, при этом сигналы дополнительных линий связи передаются с одновременным усилением, что обеспечивает передачу без ухудшения параметров передаваемых сигналов.

Микроконтроллер 3, в качестве которого может быть использован контроллер PIC16F870 фирмы "Микрочип", содержит внутреннюю периферию, в состав которой входят многоканальный АЦП, внутреннее опорное напряжение, таймер, ШИМ генератор и интерфейс управления, возможна также реализация на микроконтроллерах без внутренней периферии с соответствующими внешними компонентами. Транзисторы 13-15, например, 1RF3710 фирмы International Rectifier. Фильтр 4 в простейшем виде состоит из сглаживающего конденсатора. Блок приема входных сигналов 11 может состоять из буфера для тумблера или схемы, например, на фотодиоде с усилителем для приема сигнала с пульта дистанционного управления.

Функционирование заявленного изобретения при работе в различных режимах происходит следующим образом.

При получении блоком приема входных сигналов 11 извне управляющего воздействия, будь то тумблер управления, пульт дистанционного управления или сигнал с компьютера, устройство входит в один из режимов своего функционирования:
преобразователь напряжения; зарядное устройство (а также подрежим, восстановление аккумуляторов); бесперебойный источник питания с соответствующим отображением режимов на устройствах индикации, будь то светодиоды, ЖКИ и т. д.

При функционировании заявляемого источника питания в режиме преобразователя постоянного напряжения он обеспечивает преобразование постоянного напряжения автономного источника 1 питания 12-24 В и более в переменное напряжение 220 В с частотой 50-60 Гц. При этом при получении микроконтроллером 3 соответствующих сигналов от датчика сетевого напряжения 6, усилителя 10 или от автономного источника питания 1 микроконтроллер 3 с соответствующего выхода формирует импульсные последовательности с управляемой скважностью, поступающие через шинный формирователь 29 на затворы транзисторов 13 и 14 и посредством трансформатора 12, фильтра 4 и блока коммутации 9 обеспечивает на выходе 8 как синусоидальную (на малых нагрузках), так и прямоугольную (на больших нагрузках) форму сигнала, а также их компиляцию на средних нагрузках. Также при наличии дополнительной низковольтовой вторичной обмотки на трансформаторе 12 выход этой обмотки совместно с электродами можно использовать в качестве сварочного аппарата.

В этом режиме устройство работает следующим образом.

Применяется типовая схема однотактного преобразователя на полевых транзисторах 13 и 14 с внутренними интегральными диодами с трансформатором 12 (возможно использование другой типовой схемы двухтактного преобразователя с трансформатором без среднего отвода на первичной обмотке с использованием четырех транзисторов с внутренними интегральными диодами).

Дополнительный транзистор 15 в этом режиме открыт микроконтроллером 3 через шинный формирователь 29 и образует собой небольшое сопротивление, в результате между стоком и истоком возникает напряжение, пропорциональное протекающему через этот транзистор току. После усиления на усилителе 10 оно подается на блок измерения и сравнения 17 микроконтроллера 3, в котором сравнивается с опорным напряжением внутри микроконтроллера, и значение разности поступает на формирователь импульсов 20 микроконтроллера 3.

В результате микроконтроллер 3 формирует импульсы, скважность которых зависит от значения разности опорного напряжения и выхода усилителя, и выдает их посредством шинного формирователя 29 на затворы транзисторов 13 и 14, которые коммутируют ток в первичной обмотке трансформатора 12, и на вторичной обмотке этого трансформатора с помощью выходного фильтра 4 образуется напряжение 220 В.

Аналогично микроконтроллер 3 посредством блока измерения и сравнения 16 определяет напряжение на автономном источнике питания 1, через блок измерения и сравнения 18 и датчика температуры 5 определяет температуру на транзисторах 13-15 и через блок измерения и сравнения 17 определяет ток, протекающий через транзистор 15, и, используя эти данные, корректирует скважность формирователя импульсов 20 так, чтобы поддерживать напряжение на выходе трансформатора 12-220 В по возможности синусоидальной формы (возможен вариант более точного поддержания выходного напряжения, используя дополнительный датчик сетевого напряжения, подсоединенного к выходам вторичной обмотки трансформатора).

Микроконтроллер при необходимости отключает преобразователь, если параметры вышли за пределы, будь то полный разряд автономного источника питания 1, предельно допустимый ток, протекающий через транзисторы 13-15, в случае короткого замыкания или недопустимой нагрузки на выходе 8, или превышение рабочей температуры транзисторов 13-15.

Также микроконтроллер 3 через порт управления 23 и шинного формирователя 29 коммутирует с помощью блока коммутации 9 сеть преобразователя на выход 8.

При функционировании заявляемого источника питания в режиме зарядного устройства он обеспечивает преобразование переменного напряжения входа питающей сети 7 (как правило, промышленной сети 220 В) через блок коммутации 9, фильтр 4, трансформатор 12 и внутренние интегральные диоды транзисторов 13 и 14 в постоянное напряжение 12-24 В и более формирующееся на выходах источника питания 1 для его подзарядки. При этом при получении микроконтроллером 3 соответствующих сигналов от датчика сетевого напряжения 6, усилителя 10 или от автономного источника питания микроконтроллер 3 с соответствующего выхода формирует импульсные последовательности с управляемой скважностью, поступающие на затворы транзисторов 13-14, обеспечивая оптимальную величину протекающего тока в автономный источник питания 1.

В этом режиме устройство работает следующим образом.

Режим заряда автономного источника питания 1 осуществляется при наличии напряжения в питающей сети 7, которое подается на вторичную обмотку трансформатора 12, и на его первичной обмотке получается переменное напряжение 12-24 В или более.

Транзисторы 13 и 14 в этом режиме закрыты микроконтроллером 3 посредством шинного формирователя 29. Но внутренние интегральные диоды этих транзисторов образуют двухполупериодный однофазный выпрямитель (в случае использования схемы двухтактного преобразователя на четырех транзисторах, их внутренние диоды образуют схему двухполупериодного мостового выпрямителя).

Для увеличения протекающего тока можно шунтировать диоды малым сопротивлением самого транзистора в момент, когда напряжение зарядки, образующееся на первичной обмотке трансформатора 12, превысит напряжение на автономном источнике питания 1. Для этого микроконтроллер 3 посредством своего блока измерения и cравнения 19 и датчика сетевого напряжения 6 следит за значением и полярностью питающей сети 7 и посредством своего формирователя импульсов 21 организует включение транзисторов 13-14 так, чтобы они работали по принципу диодного моста.

Т.е. при положительной полуволне сети 7 и превышении напряжения на автономном источнике питания 1 микроконтроллер 3 выключает транзистор 13 и включает транзистор 14 (соответствующие протеканию тока в автономный источник питания 1), а при отрицательной полуволне сети 7 и превышении напряжения на автономном источнике питания 1 выключает транзистор 13 и включает транзистор 14, что опять-таки соответствует протеканию тока в автономный источник питания. При этом из-за практического отсутствия сопротивления транзисторов резко снижается выделение на них тепла и дает возможность протекать большим зарядным токам.

Также микроконтроллер 3 при помощи блока измерения и сравнения 18 измеряет протекающий ток в первичной цепи трансформатора 12 и выдает на транзистор 15 посредством формирователя импульсов 22 и шинный формирователь 29 последовательность импульсов определенной скважности, ограничивающую средний ток, протекающий на зарядку автономного источника питания 1.

При помощи блоков измерения и cравнения 16 и 17 микроконтроллер 3 контролирует напряжение на автономном источнике питания 1 и температуру на транзисторах 13-15 и выключает формирователь импульсов 21, если параметры вышли за допустимые пределы, будь то полный заряд автономного источника питания 1, предельный допустимый ток, вызванный коротким замыканием на автономном источнике питания 1, или превышение рабочей температуры транзисторов 13-15.

Также микроконтроллер 3 через порт управления 23, шинный формирователь 29 и блок коммутации 9 коммутирует сеть 7 на выход 8.

Через блок приема входных сигналов 11 можно дать микроконтроллеру 3 команду выполнять несколько попыток заряда с разными зарядовыми токами, обеспечивая подрежим восстановления аккумуляторов.

При функционировании заявляемого источника питания в режиме бесперебойного источника питания, при условии отсутствия или нестабильных параметрах напряжения на входе сети 7, он обеспечивает преобразование постоянного напряжения автономного источника 1 питания 12-24 В и более в переменное напряжение 220 В с частотой 50-60 Гц в соответствии с режимом преобразователя напряжения и через блок коммутации 9 передает его на выход 8. Возможен вариант, когда к блоку коммутации 9 подключен дизель-бензиновый генератор, тогда при попадании напряжения на входе сети 7 сначала включается режим преобразователя напряжения и после исчерпания ресурса автономного источника 1 запускается дизель-бензиновый генератор, и его напряжение подключается к выходу 8.

При обнаружении микроконтроллером 3 через датчик сетевого напряжения 6 напряжения на входе сети 7 микроконтроллер 3 с помощью своего порта управления 23, шинного формирователя 29 и блока коммутации 9 переключает это напряжение на выход 8. При этом при получении микроконтроллером 3 посредством своего блока измерения и сравнения 16 условия неполной заряженности автономного источника питания 1 устройство включает режим зарядного устройства.

На транзисторе 15 также реализована защита от включения автономного источника питания 1 неправильной полярностью. Для этого он включен так, что внутренний интегральный диод оказывается включенным на встречу внутренним интегральным диодам транзисторов 13 и 14, т.е. стоком к шине нулевого потенциала. При всех закрытых транзисторах ток в цепи не проходит независимо от того, какой полярностью подключен автономный источник питания. В случае неправильной полярности схема не работает, транзисторы закрыты, и ток в первичной обмотке трансформатора не проходит.

Датчик сетевого напряжения 6 согласно одному из возможных вариантов реализации, представленной на фиг.2, содержит трансформатор 26, делитель напряжения, выполненный на резисторах 27 и 28, и АЦП 25, при этом входами датчика являются выводы первичной обмотки трансформатора 26, выводы вторичной обмотки которого через делитель соединены с АЦП 25, выход которого является выходом датчика сетевого напряжения 6.

Датчик сетевого напряжения 6 работает следующим образом.

Трансформатор 26 служит в качестве гальванической развязки от сети 220. Трансформатор 26 соединен с делителем напряжения, выполненным на резисторах 27 и 28, выход которого подключается к АЦП 25. Сигнал от АЦП поступает на блок измерения и cравнения 19 микроконтроллера 3, в котором он сравнивается с величиной, записанной в программе микроконтроллера.

Анализ патентных и литературных источников показал, что совокупность указанных в изобретении признаков нигде ранее не описана и не известна, и именно данная совокупность обеспечивает функциональную полноту, законченность технического решения и достижение цели.

Очевидно, что предлагаемая предпочтительная реализации изобретения является одной из возможных. Различные модификации ее без изменения сущности описываемого изобретения могут найти применение в разных областях производства и жизнедеятельности человека.

Изобретение относится к области энергетики и может найти применение в качестве блоков питания мониторов и других технических средств. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. Технический результат достигается тем, что многорежимный источник питания содержит автономный источник питания, стабилизатор, фильтр, полевые транзисторы с внутренними интегральными диодами, трансформатор, блок коммутации, шинный формирователь, датчики сетевого напряжения и температуры, микроконтроллер, блок приема входных сигналов и усилитель. 2 ил.

Многорежимный источник питания, содержащий автономный источник питания, выполненный в виде аккумуляторной батареи, стабилизатор, фильтр, преобразователь напряжения, состоящий из двух полевых транзисторов с внутренними интегральными диодами, и трансформатор, отличающийся тем, что в него введены блок коммутации, шинный формирователь, датчики сетевого напряжения и температуры, дополнительный полевой транзистор с внутренним интегральным диодом, микроконтроллер, блок приема входных сигналов и усилитель, при этом выход автономного источника питания соединен с первым входом микроконтроллера и через стабилизатор соединен с входом питания микроконтроллера, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам усилителя и датчика температуры, выходы микроконтроллера соединены с шинным формирователем, подключенным к управляющему входу блока коммутации, к затворам первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения, к затвору дополнительного полевого транзистора, сток первого полевого транзистора преобразователя напряжения соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, средний вывод которой подключен к выходу автономного источника питания, а второй вывод - к стоку второго полевого транзистора преобразователя напряжения, истоки первого и второго полевых транзисторов преобразователя напряжения соединены с истоком дополнительного полевого транзистора и с первым входом усилителя, а сток дополнительного транзистора соединен с шиной нулевого потенциала и со вторым входом усилителя, исток и сток каждого полевого транзистора преобразователя напряжения соединены с анодом и катодом соответствующего внутреннего интегрального диода, выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам фильтра, выходы которого подключены к первой группе входов блока коммутации, выход которого является выходом источника питания, а вторая группа входов соединена с выводами питающей сети и с входами датчика сетевого напряжения, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера, пятый вход которого соединен с блоком приема входных сигналов, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью функционирования в соответствии с занесенной в его память программой и предназначен в ответ на сигналы, полученные от усилителя, датчика температуры, блока приема входных сигналов, автономного источника питания и датчика сетевого напряжения формировать импульсы заданной скважности для управления транзисторами, а также выполнен с возможностью обработки и запоминания сигналов, полученных от блока приема входных сигналов, и предназначен для контроля изменения параметров питающей сети и величины выходного напряжения и контроля заряженности автономного источника питания, контроля режима функционирования и температуры полевых транзисторов, кроме того, микроконтроллер предназначен для задания значений временных интервалов допустимых превышений граничных параметров питающей сети и выбора режима автономного или сетевого питания для управления переключением блока коммутации.