ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ГОЛОВНОЙ АККУМУЛЯТОРНЫЙ СВЕТИЛЬНИК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F21L4/00 

Изобретение относится к переносным электроосветительным устройствам с встроенными аккумуляторами, в частности к взрывобезопасным головным аккумуляторным шахтным светильникам.

Известен газонепроницаемый головной аккумуляторный светильник, который содержит последовательно подключенные аккумуляторную батарею и фару, на которой смонтированы зарядные контакты, которые подключены непосредственно к аккумуляторной батарее. Параметры заряда аккумуляторной батареи задаются зарядным устройством. Заряд аккумуляторной батареи заданным зарядным током осуществляют путем подачи зарядного напряжения на аккумуляторную батарею на протяжении заданного времени (см. описание изобретения к патенту SU №965369, МПК F 21 L 11/00, 1982, бюл. №37).

У объекта, который заявляется, и аналога совпадают следующие существенные признаки: головные аккумуляторные светильники содержат последовательно подключенные аккумуляторную батарею, фару и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее.

Получению ожидаемого технического результата при использовании аналога препятствуют следующие причины. При использовании аналога режим заряда всех аккумуляторных батарей одного типа одинаковый и заряд каждой аккумуляторной батареи осуществляется без индивидуального учета ее состояния, так как нет возможности обеспечить индивидуальные условия заряда для каждой отдельной аккумуляторной батареи. Аккумуляторные батареи поступают на заряд в разной степени разряда, с разными сроками и условиями эксплуатации. Осуществление заряда каждой аккумуляторной батареи без индивидуального учета его состояния приводит к непроизводительным затратам электроэнергии на осуществление заряда. Аккумуляторные батареи, которые получили заряд больше необходимого, выходят из эксплуатации раньше срока.

Наиболее близким по совокупности признаков к объекту, который заявляется, является выбранный, как прототип, взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник, который содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное предохранительное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее через смонтированный в светильнике полупроводниковый прибор. При заряде аккумуляторную батарею подключают через зарядные контакты к источнику зарядного напряжения. Зарядные контакты смонтированы на фаре. Аккумуляторную батарею подключают к источнику зарядного напряжения через смонтированный в светильнике полупроводниковый прибор - включенный в обратном направлении диод, который используют как шунт для электронного предохранительного устройства. Этот диод предназначен для пропускания зарядного тока. Параметры заряда аккумуляторной батареи задаются зарядным устройством. Напряжение заряда аккумуляторной батареи необходимо выставлять на зарядном устройстве с учетом спада напряжения на диоде, что, например, при заданном токе заряда 1 А составляет около 0,7 В. Заряд аккумуляторной батареи заданным зарядным током осуществляют путем подачи зарядного напряжения через диод на аккумуляторную батарею на протяжении заданного времени (см. описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1241009, МПК F 21 L 11/00, 1986, бюл. №24).

У объекта, который заявляется, и прототипа совпадают следующие существенные признаки: взрывобезопасные головные аккумуляторные светильники содержат аккумуляторную батарею, фару, электронное предохранительное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют следующие причины. При использовании прототипа параметры заряда аккумуляторной батареи задаются зарядным устройством. При этом не учитывается, что аккумуляторные батареи поступают на заряд в разной степени разряда с разными сроками и условиями эксплуатации. Режим же заряда всех аккумуляторных батарей одного типа одинаковый без индивидуального учета ее состояния, так как в прототипе нет возможности обеспечения индивидуальных условий заряда для каждой отдельной аккумуляторной батареи по избранному алгоритму. Осуществление заряда каждой аккумуляторной батареи без индивидуального учета ее состояния приводит к непроизводительным затратам электроэнергии на осуществление заряда. Аккумуляторные батареи, которые получили заряд больше необходимого, выходят из эксплуатации раньше срока.

В основу технического решения поставлена задача создать такой взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник, в котором усовершенствование путем введения новых элементов и новых связей между элементами позволило бы при использовании объекта, который заявляется, обеспечить достижение технического результата, который состоит в обеспечении возможности управления зарядом аккумуляторной батареи по выбранному алгоритму и увеличении срока службы аккумуляторных батарей.

Первый вариант взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника, направленный на решение поставленной задачи, содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное предохранительное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее. Отличительной особенностью этого варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника является то, что электронное предохранительное устройство содержит электронный ключ и схему управления электронным ключом. При этом один из зарядных контактов подключен к выходу электронного ключа. Светильник снабжен счетчиком времени, который подключен к схеме управления, схемой определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа и схемой измерения падения напряжения на электронном ключе в процессе заряда аккумуляторной батареи, входы которых подключены к выходу электронного ключа, а выходы - к входу схемы управления.

При использовании первого варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника можно ожидать достижения технического результата, который состоит в обеспечении возможности управления зарядом аккумуляторной батареи по выбранному алгоритму, который позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей путем предотвращения выхода их из эксплуатации по причине перезарядки.

Между совокупностью существенных признаков первого варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника и техническим результатом, который достигается, существует следующая причинно-следственная связь. Благодаря тому, что зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею через подключенный к схеме управления электронный ключ, стало возможно регулировать электронным ключом величину зарядного тока в зависимости от падения напряжения на электронном ключе путем изменения потенциала на выходе схемы управления. Конкретные изменения напряжения на электронном ключе можно определить экспериментально в процессе заряда до заданного напряжения аккумуляторных батарей с известными индивидуальными состояниями, например с известным напряжением разряда, с известным сроком эксплуатации и с известными условиями эксплуатации. Используя разные алгоритмы заряда для таких аккумуляторных батарей, можно создать соответствующую базу данных для выбора оптимального алгоритма заряда в зависимости от падения напряжения на электронном ключе в процессе заряда. С учетом полученных экспериментальных данных можно максимально реализовать возможности аккумуляторной батареи, которая поступила на заряд, путем выбора оптимального алгоритма заряда, который отвечает индивидуальному состоянию данной аккумуляторной батареи. Оптимальные алгоритмы заряда записываются в блок памяти схемы управления. Изменяя потенциал на выходе схемы управления, можно регулировать электронным ключом величину зарядного тока в зависимости от падения напряжения на электронном ключе соответственно выбранному оптимальному алгоритму заряда, предотвращая перезарядку аккумуляторной батареи. Например, при постоянном зарядном напряжении можно осуществлять заряд при стабильном значении зарядного тока, или при ступенчатом изменении зарядного тока, или при плавном уменьшении зарядного тока, или использовать разные комбинации изменений зарядного тока в процессе заряда аккумуляторной батареи до заданного напряжения. В процессе заряда аккумуляторной батареи исходные параметры тока заряда аккумуляторной батареи взрывобезопасного головного светильника, которые сначала задаются зарядным устройством, корректируются в процессе заряда самым светильником в зависимости от состояния разряда, срока и условий эксплуатации аккумуляторной батареи, которая поступила на заряд, и избранного алгоритма заряда, который отвечает этому состоянию. После окончания заданного времени заряда аккумуляторной батареи, которое контролируется счетчиком времени, по команде схемы управления электронный ключ уменьшает зарядный ток и аккумуляторная батарея отключается от зарядного устройства.

Второй вариант взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника, направленный на решение поставленной задачи, содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное предохранительное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее. Отличительной особенностью этого варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника является то, что электронное предохранительное устройство содержит электронный ключ и схему управления электронным ключом. При этом один из зарядных контактов подключен к выходу электронного ключа. Светильник снабжен счетчиком времени, который подключен к схеме управления, схемой определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа, вход которой подключен к выходу электронного ключа, а выход подключен к входу схемы управления, схемой измерения напряжения на аккумуляторной батарее и схемой сравнения напряжений. При этом выход схемы измерения напряжения на аккумуляторной батарее подключен к входу схемы сравнение напряжений, а выход схемы сравнения напряжений - к входу схемы управления.

При использовании второго варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника можно ожидать достижения технического результата, который также состоит в обеспечении возможности управления зарядом аккумуляторной батареи, но в зависимости от изменения напряжения на аккумуляторной батарее, которая заряжается, в процессе срока службы аккумуляторных батарей за счет предотвращения выхода их из эксплуатации по причине перезарядки и сокращении времени заряда аккумуляторной батареи.

Между совокупностью существенных признаков второго варианта взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника, который заявляется, и техническим результатом, который достигается, существует следующая причинно-следственная связь.

Экспериментально определено, что напряжение на аккумуляторных батареях, которые заряжаются, меняется на протяжении времени заряда по-разному в зависимости от степени разряда, срока и условий их эксплуатации. Благодаря тому, что в взрывобезопасном головном аккумуляторном светильнике, который заявляется, зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею через подключенный к схеме управления электронный ключ, стало возможно, путем изменения потенциала на выходе схемы управления, регулировать электронным ключом продолжительность заряда и величину зарядного тока в зависимости от изменения напряжения на аккумуляторной батарее, которая заряжается. При использовании светильника, который заявляется, зарядным устройством задаются только постоянное напряжение заряда и величина тока заряда в начале заряда аккумуляторной батареи. Время же заряда каждой аккумуляторной батареи выбирается самой батареей с учетом ее индивидуального состояния, от которого зависит изменение напряжения на аккумуляторной батарее, которая заряжается, на протяжении времени заряда, который контролируется счетчиком времени. Уменьшение в конце заряда зарядного тока до величины, которая не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи при хранении, автоматически переводит аккумуляторную батарею в режим хранения, как только напряжение на аккумуляторной батарее, которая заряжается, достигнет заданного значения. При этом заряд аккумуляторной батареи больше необходимого вообще не возможен.

В отдельных случаях использования первый и второй варианты взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника характеризуются тем, что светильник дополнительно содержит диод, который подключен параллельно электронному ключу анодом к его входу с обеспечением пропускания через диод тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи. В этом случае дополнительно к подаче зарядного напряжения на аккумуляторную батарею через смонтированный в светильнике электронный ключ зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею еще и через смонтированный в светильнике диод, обеспечивая пропускания тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи. При этом открытый электронный ключ на протяжении времени заряда является шунтом для диода, так как падение напряжения на электронном ключе при зарядном токе, например, в 1 А не превышает 0,035 В и 0,7 В для диода. Но после закрытия электронного ключа в конце заряда в цепь зарядного тока включается диод. Это при заданном начальном зарядном напряжении и выросшем напряжении на аккумуляторной батарее приводит к резкому снижению зарядного тока до безопасной величины, которая составляет всего 0,05-0,1 А. Такой зарядный ток не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи в режиме хранения (0,3 А). В таком состоянии аккумуляторный светильник может находиться на этой же зарядной станции в режиме хранения продолжительное время и нет необходимости переносить его на другую зарядную станцию, специально предназначенную для подзарядки аккумуляторных батарей в режиме хранения.

При использовании первого и второго вариантов взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника обеспечивается также достижение дополнительных технических результатов:

- сокращается продолжительность заряда;

- экономится электроэнергия путем обеспечения индивидуальных условий заряда для каждой отдельной аккумуляторной батареи и предотвращения непроизводительных затрат электроэнергии при заряде аккумуляторных батарей больше необходимого;

- упрощается подзарядка аккумуляторных батарей, которые не выданы в эксплуатацию, путем автоматического обеспечения их подзарядки в режиме хранения на той же, а не на другой зарядной станции.

Сущность конструкции предлагаемого взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника поясняется графическими материалами, на которых изображены:

- на фиг.1 показана принципиальная блок-схема первого варианта исполнения взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника;

- на фиг.2 показана принципиальная блок-схема второго варианта исполнения взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника.

На графических материалах проставлены такие обозначения:

1 - аккумуляторная батарея;

2 - фара;

3 - зарядный контакт;

4 - зарядный контакт;

5 - электронный ключ;

6 - схема управления;

7 - счетчик времени;

8 - схема определения наличия зарядного напряжения;

9 - схема измерения падения напряжения на электронном ключе;

10 - диод;

11 - схема измерения напряжения на аккумуляторной батарее;

12 - схема сравнения напряжений.

В конкретном примере осуществления по первому варианту (фиг.1) взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник содержит аккумуляторную батарею 1, фару 2 и зарядные контакты 3 и 4, которые подключены к аккумуляторной батарее 1. Последовательно с фарой 2 включен электронный ключ 5, к которому подключена схема управления 6. При этом зарядный контакт 4 подключен к выходу электронного ключа 5. Светильник снабжен счетчиком времени 7, который подключен к схеме управления 6. Кроме того, светильник снабжен схемой 8 определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа и схемой 9 измерения падения напряжения на электронном ключе в процессе заряда аккумуляторной батареи, входы которых подключены к выходу электронного ключа 5, а выходы - к входу схемы управления 6.

Заряд аккумуляторной батареи предлагаемого взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника может быть реализован, например, так. Через смонтированные на фаре зарядные контакты 3 и 4 светильник подключается к зарядному устройству зарядной станции. Зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею 1 через подключенный к схеме управления 6 электронный ключ 5. Данный электронный ключ может быть выполнен, например, в виде МДП-транзистора, для управления которым используется потенциал на его входе. Для управления состоянием электронного ключа 5 в зависимости от падения напряжения на нем при протекании через него тока заряда используют схему 6 управления на базе контроллера и триггера. На исходных контактах зарядного устройства выставляют напряжение заряда аккумуляторной батареи (с учетом падения напряжения на электронном ключе - 0,035 В) для обеспечения заданного тока заряда. Потом, с использованием вмонтированной в светильник схемы 8, определяют наличие зарядного напряжения на выходе электронного ключа и в схеме управления 6 генерируют сигнал для открытия электронного ключа 5. Включают счетчик времени 7 и с использованием вмонтированной в светильник схемы 9 измеряют падение напряжения на электронном ключе в процессе заряда аккумуляторной батареи 1. На протяжении времени заряда периодически путем изменения потенциала на выходе схемы управления 6 и на входе электронного ключа 5 регулируют величину зарядного тока в зависимости от падения напряжения на электронном ключе 5. Зарядный ток регулируют соответственно оптимальному алгоритму, выбранному из памяти схемы управления 6, например плавно уменьшают на протяжении времени заряда. После окончания заданного времени заряда аккумуляторной батареи, равного, например, 12 часам, по команде схемы управления 6 электронный ключ 5 уменьшает зарядный ток, заряд аккумуляторной батареи 1 прекращается и светильник можно отключить от зарядного устройства.

В частном случае использования предлагаемого светильника, дополнительно к подаче зарядного напряжения на аккумуляторную батарею 1 через вмонтированный в светильник электронный ключ 5 зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею 1 еще и через вмонтированный в светильник диод 10, обеспечивая пропускания через него тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи. В этом случае открытый электронный ключ 5 на протяжении времени заряда является для диода 10 шунтом и регулирует величину зарядного тока в зависимости от падения напряжения на электронном ключе 5. В конце заряда, после закрытия электронного ключа 5, зарядный ток не прекращается, а снижается до безопасной величины, которая составляет, например, 0,1 А благодаря снижению напряжения на диоде 10, большему, чем на электронном ключе 5, и выросшему напряжению на аккумуляторной батарее 1 после заряда. Такой зарядный ток не превышает величину тока подзарядки аккумуляторной батареи (0,3 А), которая не выдана в эксплуатацию. В таком состоянии аккумуляторный светильник может находиться на зарядной станции в режиме хранения продолжительное время.

В конкретном примере осуществления по второму варианту (фиг.2) взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник содержит аккумуляторную батарею 1, фару 2 и зарядные контакты 3 и 4, которые подключены к аккумуляторной батарее 1. Последовательно с фарой 2 включен электронный ключ 5, к которому подключена схема управления 6. При этом зарядный контакт 4 подключен к выходу электронного ключа 5. Светильник снабжен счетчиком времени 7, который подключен к схеме управления 6. Кроме того, светильник снабжен схемой 8 определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа, схемой 11 измерения напряжения на аккумуляторной батарее и схемой 12 сравнения напряжений. При этом выход схемы 11 измерения напряжения на аккумуляторной батарее подключен к входу схемы 12 сравнения напряжений, а выход схемы 12 сравнения напряжений - к входу схемы управления 6.

Заряд аккумуляторной батареи предлагаемого взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника может быть реализован, например, так. Через смонтированные на фаре зарядные контакты 3 и 4 светильник подключается к зарядному устройству зарядной станции. Зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею 1 через подключенный к схеме управления 6 электронный ключ 5. Данный электронный ключ может быть выполнен, например, в виде МДП-транзистора, для управления которым используется потенциал на его входе.

Для управления состоянием электронного ключа 5 в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее 1, которая заряжается, используют схему управления 6 на базе контроллера и триггера. На исходных контактах зарядного устройства выставляют напряжение заряда аккумуляторной батареи (с учетом падения напряжения на электронном ключе - 0,035 В) для обеспечения заданного тока заряда. Потом, с использованием вмонтированной в светильник схемы 8, определяют наличие зарядного напряжения на выходе электронного ключа 5 и в схеме управления 6 генерируют сигнал для открытия электронного ключа 5. Включают счетчик времени 7 и на протяжении времени заряда аккумуляторной батареи 1 периодически, при закрытом электронном ключе 5 с использованием вмонтированной в светильник схемы 11 измеряют напряжение на аккумуляторной батарее 1, которая заряжается. С помощью схемы 12 сравнения напряжений измеренное напряжение сравнивают с необходимым напряжением U_З на аккумуляторной батарее 1 после заряда, которое задано, и после достижения на аккумуляторной батарее 1 напряжения, которое задано, уменьшают зарядный ток путем изменения потенциала на выходе схемы управления 6. При необходимости в таком состоянии аккумуляторный светильник, который не выдан в эксплуатацию, может находиться на зарядной станции в режиме хранения продолжительное время.

В частном случае использования предлагаемого светильника, дополнительно к подаче зарядного напряжения на аккумуляторную батарею 1 через вмонтированный в светильник электронный ключ 5 зарядное напряжение подают на аккумуляторную батарею 1 еще и через вмонтированный в светильник диод 10, обеспечивая пропускание через него тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи. В этом случае открытый электронный ключ 5 на протяжении времени заряда является для диода 10 шунтом и регулирует величину зарядного тока в зависимости от падения напряжения на электронном ключе 5. В конце заряда, после закрытия электронного ключа 5, зарядный ток не прекращается, а снижается до безопасной величины, которая составляет, например, 0,1 А благодаря снижению напряжения на диоде 10 большему, чем на электронном ключе 5, и выросшему напряжению на аккумуляторной батарее 1 после заряда. Такой зарядный ток не превышает величины тока подзарядки аккумуляторной батареи (0,3 А), которая не выдана в эксплуатацию. В таком состоянии аккумуляторный светильник может находиться на зарядной станции в режиме хранения продолжительное время.

Так, при использовании взрывобезопасного головного аккумуляторного светильника достигается технический результат, который состоит в обеспечении возможности управления зарядом аккумуляторной батареи по выбранному алгоритму, который позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей на 10-15% путем предотвращение выхода их из эксплуатации по причине перезарядки, сократить продолжительность заряда на 15-30% и сэкономить электроэнергию путем обеспечения индивидуальных условий заряда для каждой отдельной аккумуляторной батареи и предотвращения непроизводительных затрат электроэнергии на заряд аккумуляторных батарей больше необходимого. Кроме того, упрощается подзарядка аккумуляторных батарей, которые не выданы в эксплуатацию, путем автоматического обеспечения их подзарядки в режиме хранения на той же, а не на другой зарядной станции.

Изобретение относится к переносным электроосветительным устройствам со встроенными аккумуляторами, в частности к взрывобезопасным головным аккумуляторным шахтным светильникам. Светильник содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее. Электронное устройство содержит электронный ключ и схему управления электронным ключом. При этом один из зарядных контактов подключен к выходу электронного ключа, светильник снабжен счетчиком времени, который подключен к схеме управления, схемой определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа и схемой измерения падения напряжения на электронном ключе в процессе заряда аккумуляторной батареи, входы которых подключены к выходу электронного ключа, а выходы - к входу схемы управления. Технический результат - обеспечение возможности управления зарядом аккумуляторной батареи по избранному алгоритму, увеличение срока службы аккумуляторных батарей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник, который содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее, который отличается тем, что электронное устройство содержит электронный ключ и схему управления электронным ключом, при этом один из зарядных контактов подключен к выходу электронного ключа, светильник снабжен счетчиком времени, который подключен к схеме управления, схемой определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа и схемой измерения падения напряжения на электронном ключе в процессе заряда аккумуляторной батареи, входы которых подключены к выходу электронного ключа, а выходы - к входу схемы управления.2. Светильник по п.1, который отличается тем, что дополнительно содержит диод, который подключен параллельно электронному ключу анодом к его входу с обеспечением пропускания через диод тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи.3. Взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник, который содержит аккумуляторную батарею, фару, электронное устройство, которое подключено к фаре, и зарядные контакты, которые подключены к аккумуляторной батарее, который отличается тем, что электронное устройство содержит электронный ключ и схему управления электронным ключом, при этом один из зарядных контактов подключен к выходу электронного ключа, светильник снабжен счетчиком времени, который подключен к схеме управления, схемой определения наличия зарядного напряжения на выходе электронного ключа, вход которой подключен к выходу электронного ключа, а выход подключен к входу схемы управления, схемой измерения напряжения на аккумуляторной батарее и схемой сравнения напряжений, при этом выход схемы измерения напряжения на аккумуляторной батарее подключен к входу схемы сравнения напряжений, а выход схемы сравнения напряжений - к входу схемы управления.4. Светильник по п.3, который отличается тем, что дополнительно содержит диод, который подключен параллельно электронному ключу анодом к его входу с обеспечением пропускания через диод тока, который не превышает тока подзарядки аккумуляторной батареи.