РЕГУЛЯТОР ВЫХОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БЕТА-ВОЛЬТАИЧЕСКОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2018 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к созданию источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта.

Известные бета-вольтаические батареи, например по патенту US №8487392, МПК H01L 27/14, состоят из собранных в стопку комплектов, состоящих из полупроводниковых преобразователей, радиоизотопных, токопроводящих и изолирующих элементов, расположенных в корпусе в определенном порядке. При этом выходные электрические параметры батареи (напряжение и ток) определяются количеством комплектов и их последовательным или параллельным соединением, осуществляемым при сборке, и в процессе эксплуатации не могут изменяться. В то же время изменение выходных электрических параметров батареи в процессе их длительной эксплуатации может иметь принципиальное значение.

Известно адаптивное устройство накопления энергии с первичным фотоэлектрическим преобразователем (см. патент US 2015/0130394 А1, МПК H02J 7/35), содержащее последовательно соединенные солнечную батарею, преобразователь напряжения, накопитель энергии и контроллер (устройство управления) зарядом накопителя энергии. Солнечная батарея играет роль первичного источника энергии.

Известное устройство реализует регулирование по величине входного напряжения контроллера управления зарядом, для управления зарядным током и напряжением в режиме пониженной входной мощности, например при снижении угла падения света на солнечную батарею. Чем больше напряжение, тем большая мощность отправляется на заряд накопителя энергии. Устройство осуществляет экстремальное регулирование отбираемой от солнечной батареи мощности по выходному напряжению преобразователя напряжения. Экстремальное регулирование мощности реализуется контроллером управления зарядом.

В качестве накопителя энергии указывается литий-ионный аккумулятор (или иной), содержащий датчик температуры, по показаниям которого контроллер управления зарядом может остановить зарядный процесс либо изменить его параметры.

Недостатком указанного устройства является то, что в нем отсутствует стабилизация напряжения на выходе.

Устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого регулятора, заключается в возможности управления и регулирования выходных электрических параметров батареи в процессе эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в регуляторе, содержащем блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь и стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов бета-вольтаической батареи.

Блок ключевых элементов выполнен с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам.

Схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходными контактами регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов бета-вольтаической батареи и с датчиком температуры, установленным в стабилизаторе напряжения.

В частном случае исполнения в качестве ключевых элементов используются электрические контакты и (или) полупроводниковые переключающие элементы.

В частном случае исполнения в качестве накопительных элементов используется электрохимический аккумулятор, или суперконденсатор, или конденсатор, или комбинация этих элементов.

Соединение блока ключевых элементов с контактами комплектов бета-вольтаической батареи, выполнение блока ключевых элементов с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам и определение устройством управления схемы соединения ключевых элементов позволяет в процессе эксплуатации изменять схему соединения комплектов и, тем самым, осуществлять управление и регулирование электрических выходных параметров батареи в процессе эксплуатации.

Выполнение обратной связи блока управления с выходом регулятора позволяет в зависимости от изменения сопротивления нагрузки и температуры окружающей среды стабилизировать выходные электрические параметры, в частности напряжение на выходе регулятора.

Использование в качестве ключевых элементов электрических контактов и (или) полупроводниковых переключающих элементов позволяет собрать схему соединения комплектов батареи с получением требуемых выходных электрических параметров.

Использование в качестве накопительных элементов электрохимического аккумулятора, или конденсатора, или комбинации этих элементов, позволяет накапливать электрический заряд от комплектов преобразователей и использовать его при периодическом импульсном потреблении электроэнергии нагрузкой.

Установка датчика температуры в стабилизаторе напряжения позволяет осуществить компенсацию изменения электрических свойств полупроводниковых компонентов устройства в зависимости от температуры.

На приведенном чертеже изображена блок-схема регулятора выходных электрических параметров бета-вольтаической батареи.

Предлагаемый регулятор иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - регулятор в сборе с батареей;

на фиг. 2 - блок-схема регулятора.

Предлагаемый регулятор 1 установлен в корпусе 2 батареи 3 и соединен с контактами комплектов 4 батареи 3 проводниками 5.

Регулятор 1 (см. фиг. 2) содержит блок 6 ключевых элементов 7, блок 8 накопительных элементов 9 и блок управления 10, включающий в себя преобразователь 11 напряжения с устройством управления 12, стабилизатор 13 выходного напряжения и микроконтроллер 14. С контактами комплектов 4 батареи 3 электрически соединены проводниками 5 ключевые элементы 7. Стабилизатор 13 снабжен датчиком температуры 15. Блок управления 10 электрически соединен с нагрузкой 16.

Предлагаемый регулятор 1 работает следующим образом. Напряжение с комплектов 4 поступает на блок 6 ключевых элементов 7, который соединяется с блоком 8 накопительных элементов 9 электрической энергии. Блок 8 накопительных элементов 9 электрически соединяется с преобразователем 11 напряжения. Входное напряжение с накопительных элементов 9 в преобразователе 11 напряжения увеличивается до необходимой рабочей величины стабилизатора 13 выходного напряжения посредством использования периодической коммутации емкостных и индуктивных элементов преобразователя 11. В дальнейшем напряжение с преобразователя 11 напряжения поступает на стабилизатор 13 напряжения. Стабилизатор 13 напряжения осуществляет установку и стабилизацию выходного напряжения, подаваемого на нагрузку 16. Управление стабилизатором 13 напряжения (установка напряжения стабилизации) осуществляется при помощи микроконтроллера 14 в сервисном режиме работы батареи 3 и регулятора 1. Датчик 15 температуры, установленный в стабилизаторе 13 напряжения, осуществляет управление закона стабилизации выходного напряжения с учетом изменения (компенсации) температурного режима стабилизатора 13. В сервисном режиме работы микроконтроллер 14 устанавливает схему коммутации блока 6 ключевых элементов 7, изменяя схему соединения комплектов 4 батареи путем выдачи управляющих импульсов на блок 6 ключевых элементов 7. Для запуска сервисного режима работы микроконтроллера 14 на шину питания нагрузки 16 подается модулированный цифровой сигнал, что позволяет подать питание на микроконтроллер 14 и осуществлять обмен цифровой информацией между микроконтроллером 14 и сервисным устройством, подключенным к электронно-вычислительной машине (на чертежах не показаны) посредством стандартного протокола связи.

Использование: для создания источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность изобретения заключается в том, что регулятор содержит блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь, стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, где блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов батареи и выполнен с возможностью коммутации комплектов к накопительным элементам, схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходом регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов батареи и с датчиком температуры, установленным в стабилизаторе напряжения. Технический результат - обеспечение возможности управления и регулирования выходных электрических параметров батареи регулятором в процессе эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулятор выходных электрических параметров бета-вольтаической батареи, содержащий блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь, стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, отличающийся тем, что блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов бета-вольтаической батареи, блок ключевых элементов выполнен с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам, причем схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходом регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов бета-вольтаической батареи и с датчиком температуры, установленным в стабилизаторе напряжения.

2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ключевых элементов используются электрические контакты и (или) полупроводниковые переключающие элементы.

3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве накопительных элементов используется электрохимический аккумулятор, или суперконденсатор, или конденсатор, или комбинация этих элементов.