УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕПОЛЮСОВКИ НАГРУЗКИ Российский патент 2023 года по МПК H02H3/18 

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к устройствам подачи питания, имеющим защиту нагрузки от переполюсовки и обеспечивающим подачу широкого диапазона напряжений питания, включая низкие напряжения, в требуемой полярности с минимальными потерями мощности и величины питающего напряжения при любой комбинации подключения к клеммам источника питания, и может быть использовано, например, для переносных тепловизионных приборов (ТВП) с питанием от низковольтных аккумуляторов.

Штатное питание переносных ТВП осуществляется от штатных аккумуляторов, входящих в состав ТВП и жестко крепящихся с использованием соответствующего замка на их корпусе, с автоматическим подключением двух выводов (плюсовой и минусовой клемм аккумулятора) к ответным контактам, установленным на корпусе ТВП, с соблюдением требуемой полярности.

В комплект ТВП входят, как правило, несколько сменных штатных аккумуляторов, что обеспечивает работу в течение определенного времени.

В полевых условиях для продолжения работы по истечении данного времени должна быть предусмотрена возможность использования любого другого внешнего источника питания (нештатного аккумулятора), имеющегося в текущий момент времени, с подходящим выходным напряжением, например, наиболее доступного мотоциклетного аккумулятора с выходным напряжением 6 В, или автомобильного аккумулятора с выходным напряжением 12 В, или танкового аккумулятора с выходным напряжением 24 В.

Питаемая нагрузка, например, ТВП, может использоваться, в том числе, и в ночное время. Поэтому в определенных случаях, когда опасно включение освещения, возможно ошибочное подключение его входных клемм к клеммам нештатного аккумулятора, то есть переполюсовка напряжения питания, что может привести к выходу из строя ТВП.

Для исключения этого возможна подача напряжения с нештатного аккумулятора на питаемую нагрузку через диодный выпрямительный мост (Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники, изд. 7-е, Москва, Бином, 2014 г., стр. 52, рис. 1.70, двухполупериодный мостовой выпрямитель).

В этом случае, при любом варианте подключения входных клемм устройства подачи питания к нештатному аккумулятору, полярность подаваемого на контакты питаемой нагрузки напряжения будет верной.

Однако использование подобного выпрямительного моста ведет к снижению напряжения, подаваемого с нештатного аккумулятора на питаемую нагрузку, на величину падения на двух диодах выпрямительного моста, через которые протекает ток, что приводит к более быстрому разряду нештатного аккумулятора из-за потери мощности на диодах (при токе 1 А и падении напряжения на двух диодах - 2 В, потеря мощности составит 2 Вт), а также, в ряде случаев, к невозможности работы от низковольтных аккумуляторов. Так, при минимально допустимом рабочем напряжении на контактах питаемой нагрузки в 5,5 В, использование аккумулятора с выходным напряжением 6 В из-за падения на выпрямительном мосте до 2 В -невозможно.

Известен корректор полярности, защищающий устройства с батарейным питанием (рис. 4), описанный на сайте «РАДИОЛОЦМАН» (https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=643793).

Корректор полярности содержит стандартный диодный выпрямительный мост, но при этом каждый из четырех диодов выпрямительного моста зашунтирован МОП-транзистором.

Транзисторы включены так, что при открывании в диодном выпрямительном мосте соответствующего диода автоматически открывается и шунтирующий его МОП-транзистор, что обеспечивает малые потери мощности и напряжения на выпрямительном мосте. Однако для полного отпирания МОП-транзистора необходима подача на затвор МОП-транзистора относительно его истока напряжения порядка 10 В, в связи с чем минимальное рабочее входное напряжение корректора полярности составит 10 В, что неприемлемо при работе питаемой нагрузки от низковольтных аккумуляторов, например, от часто используемых для питания ТВП аккумуляторов с выходным напряжением 6 В и ниже.

Недостатком данного корректора полярности является его неработоспособность при низких входных напряжениях.

Прототипом является устройство защиты от переполюсовки электрических приборов (нагрузки), содержащее первое и второе реле, каждое из которых имеет два замыкающих контакта в нормально разомкнутом состоянии и цепи управления, а также первый и второй диоды, при этом анод первого диода соединен с катодом второго диода, а катод первого и анод второго диодов подключены ко входам цепей управления первого и второго реле соответственно, первый замыкающий контакт первого реле включен между первой шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, второй замыкающий контакт первого реле включен между второй шиной питания и минусовой шиной нагрузки, первый замыкающий контакт второго реле включен между первой шиной питания и минусовой шиной нагрузки, а второй замыкающий контакт второго реле включен между второй шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, выходы цепей управления первого и второго реле подключены к второй шине питания (Патент на полезную модель RU 153214, МПК Н02Н 9/00, 2015). Реле выполнены в виде электромагнитных реле. Замыкающие контакты - механические. Цепи управления - обмотки реле.

Недостатками прототипа являются узкий диапазон допустимых входных напряжений, ограниченный допустимым рабочим напряжением реле (обмотки реле), которое имеет, как правило, фиксированное значение с небольшим допуском (например, для реле серии TRIL допуск равен от +10 до минус 30%), а также сравнительно большой ток обмотки реле - обычно порядка 30…50 мА и сравнительно большое сопротивление контактов реле в замкнутом состоянии - обычно порядка 0,1…0,2 Ом.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности подачи питания от внешнего источника питания на питаемую нагрузку в требуемой полярности и с минимальными потерями мощности и величины питающего напряжения при любой комбинации подключения к внешнему источнику питания с сохранением работоспособности в широком диапазоне входных напряжений, включая низкие напряжения.

Технический результат достигается тем, что в устройство защиты от переполюсовки нагрузки, содержащее первое и второе релейные устройства, каждое из которых имеет два замыкающих контакта в нормально разомкнутом состоянии и цепи управления, а также первый и второй диоды, при этом анод первого диода соединен с катодом второго диода, а катод первого и анод второго диодов подключены ко входам цепей управления первого и второго релейных устройств соответственно, первый замыкающий контакт первого релейного устройства включен между первой шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, второй замыкающий контакт первого релейного устройства включен между второй шиной питания и минусовой шиной нагрузки, первый замыкающий контакт второго релейного устройства включен между первой шиной питания и минусовой шиной нагрузки, а второй замыкающий контакт второго релейного устройства включен между второй шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, выходы цепей управления первого и второго релейных устройств подключены к второй шине питания, согласно настоящему изобретению, дополнительно введен стабилизатор тока, вход которого подключен к первой шине питания, а выход - к аноду и катоду соответственно первого и второго диодов, замыкающие контакты и цепи управления каждого релейного устройства выполнены в виде двух нормально разомкнутых оптоэлектронных реле переменного тока, причем цепь управления первого релейного устройства состоит из последовательно включенных светодиодов первого и второго оптоэлектронных реле, при этом анод светодиода первого оптоэлектронного реле является входом цепи управления первого релейного устройства, а катод светодиода второго оптоэлектронного реле является выходом цепи управления первого релейного устройства, цепь управления второго релейного устройства состоит из последовательно включенных светодиодов третьего и четвертого оптоэлектронных реле, при этом катод светодиода третьего оптоэлектронного реле является входом цепи управления второго релейного устройства, а анод светодиода четвертого оптоэлектронного реле является выходом цепи управления второго релейного устройства.

А также тем, что устройство защиты от переполюсовки нагрузки конструктивно выполнено в виде имитатора штатной аккумуляторной батареи с замком крепления к корпусу питаемой нагрузки, имеющего первую и вторую шины питания, плюсовую и минусовую шины подключения к нагрузке.

На фигурах 1 и 2 представлены, соответственно, функциональная схема устройства защиты от переполюсовки (УЗП) и его подключение к питаемой нагрузке и внешнему источнику питания. На фигурах 3 и 4 приведены, соответственно, фотография подключенного к питаемой нагрузке УЗП, выполненного в виде имитатора штатной аккумуляторной батареи, и фотография УЗП с замком крепления к корпусу питаемой нагрузки.

УЗП нагрузки содержит первое 1 и второе 2 релейные устройства (РУ 1 и РУ 2), каждое из которых имеет два замыкающих контакта в нормально разомкнутом состоянии и цепи управления, первый 3 и второй 4 диоды, подключенные к цепям управления РУ 1 и РУ 2.

Замыкающие контакты 28 и 29 РУ 1 и замыкающие контакты 30 и 31 РУ 2 соединены так, что образуют выпрямительный мост, одна диагональ которого подключена к первой 5 и второй 6 шинам питания, а вторая диагональ выпрямительного моста - к плюсовой 7 и минусовой 8 шинам нагрузки.

Таким образом, анод первого диода 3 соединен с катодом второго диода 4, а катод первого 3 и анод второго 4 диодов подключены ко входам цепей управления РУ 1 и РУ 2 соответственно.

Первый замыкающий контакт 28 РУ 1 включен между первой шиной 5 питания и плюсовой шиной 7 нагрузки. Второй замыкающий 29 контакт РУ 1 включен между второй шиной 6 питания и минусовой шиной 8 нагрузки.

Первый замыкающий контакт 30 РУ 2 включен между первой шиной 5 питания и минусовой шиной 8 нагрузки.

Второй замыкающий контакт 31 РУ 2 включен между второй шиной 6 питания и плюсовой шиной 8 нагрузки.

Выходы цепей управления РУ 1 и РУ 2 подключены к второй шине 6 питания.

Вход стабилизатора 9 тока подключен к первой шине 5 питания, а выход - к аноду и катоду соответственно первого 3 и второго 4 диодов.

Замыкающие контакты 28 и 29, 30 и 31 и цепи управления РУ 1 и РУ 2 выполнены в виде двух нормально разомкнутых оптоэлектронных реле переменного тока (оптореле) соответственно первого 10 и второго 11 оптореле РУ 1 и третьего 12 и четвертого 13 оптореле РУ 2. Замыкающие контакты 28, 29, 30, 31 оптореле 10, 11, 12, 13 представляют собой полевые транзисторы.

Цепь управления РУ 1 состоит из последовательно включенных светодиода первого оптореле 10 и светодиода второго оптореле 11.

Анод светодиода первого оптореле 10 является входом цепи управления РУ 1.

Катод светодиода второго оптореле 11 является выходом цепи управления РУ 1.

Цепь управления РУ 2 состоит из последовательно включенных светодиода третьего оптореле 12 и светодиода четвертого оптореле 13.

Катод светодиода третьего оптореле 12 является входом цепи управления РУ 2.

Анод светодиода четвертого оптореле 13 является выходом цепи управления РУ 2.

Таким образом, отрицательный вход 14 цепи управления первого оптореле 10 соединен с положительным входом 15 цепи управления второго оптореле 11. Отрицательный вход 16 цепи управления второго оптореле 11 подключен к второй шине 6 питания. Положительный вход 17 цепи управления третьего оптореле 12 соединен с отрицательным входом 18 цепи управления четвертого оптореле 13. Положительный вход 19 цепи управления четвертого оптореле 13 подключен к второй шине 6 питания. Вход стабилизатора 9 тока (в простейшем случае - резистора) подключен к первой шине 5 питания. Выход стабилизатора 9 тока подключен через первый диод 3 его катодом к положительному входу 20 цепи управления первого оптореле 10 и через второй диод 4 его анодом к отрицательному входу 21 цепи управления третьего оптореле 12.

Замыкающие контакты 28 и 29, 30 и 31 РУ 1 и РУ 2, образующие выпрямительный мост, соединены так, что первые входы А и Е замыкающих контактов соответственно первого 10 и третьего 12 оптореле подключены к первой шине 5 питания, а вторые входы D и Н замыкающих контактов соответственно второго 11 и четвертого 13 оптореле подключены к второй входной шине 6 питания.

Второй В и первый G входы замыкающих контактов 28 и 31 соответственно первого 10 и четвертого 13 оптореле подключены к плюсовой шине 7 нагрузки.

Первый С и второй F входы замыкающих контактов 29 и 30 соответственно второго 11 и третьего 12 оптореле подключены к минусовой шине 8 нагрузки.

На фиг. 1 также представлены питаемая нагрузка 22, например, ТВП, имеющий плюсовой 23 и минусовой 24 контакты, и внешний источник питания 25 (нештатный аккумулятор), имеющий плюсовой 26 и минусовой 27 выводы.

Предлагаемое УЗП нагрузки выполнено в виде имитатора штатной аккумуляторной батареи с замком крепления 32 к корпусу питаемой нагрузки, имеющего первую 5 и вторую 6 шины питания, плюсовую 7 и минусовую 8 шины подключения к нагрузке (см. фиг. 2 и фиг. 4).

В рабочем состоянии УЗП, как штатная аккумуляторная батарея, жестко фиксируется с помощью замка крепления 32 к корпусу питаемой нагрузки 22, например, на корпусе ТВП, при этом его плюсовая шина 7 подключена к плюсовому контакту 23 нагрузки 22, а минусовая шина 8 - к минусовому контакту 24 нагрузки 22.

Первая шина 5 подачи питания, представляющая собой первый входной зажим, может быть подключена или к плюсовому выводу 26 нештатного аккумулятора 25 (при этом вторая шина 6 подачи питания, представляющая собой второй входной зажим, подключена к его минусовому выводу 27), или к минусовому выводу 27 нештатного аккумулятора 25 (при этом вторая шина 6 подключена к его плюсовому выводу 26).

Работает УЗП следующим образом.

В случае подключения первой 5 и второй 6 шин соответственно к выводам 26 и 27 нештатного аккумулятора 25, на анод первого диода 3 и катод второго диода 4 будет подано через стабилизатор 9 тока положительное напряжение. При этом второй диод 4 остается закрытым, а первый диод 3 открывается и обеспечивает протекание тока через светодиоды первого 10 и второго 11 оптореле. Далее с отрицательного входа 16 цепи управления второго оптореле 11 ток поступает на вторую шину 6. Величина тока задается стабилизатором 9 тока.

При этом первый А и второй В входы замыкающего контакта 28, первого оптореле 10 и первый С и второй D входы замыкающего контакта 29 второго оптореле 11 замыкаются, и положительное напряжение с вывода 26 нештатного аккумулятора 25 поступает через первую шину 5, замкнутые первый А и второй В входы замыкающего контакта первого оптореле 10, плюсовую шину 7 на плюсовой контакт 23 нагрузки 22, а отрицательное напряжение с минусового вывода 27 нештатного аккумулятора 25 через вторую шину 6, замкнутые первый С и второй D входы замыкающего контакта 29 второго оптореле 11, минусовую шину 8 - на минусовой контакт 24 нагрузки 22.

При переполюсовке, то есть в случае подключения первой шины 5 к минусовому выводу 27, а второй шины 6 к плюсовому выводу 26 нештатного аккумулятора 25, на анод первого диода 3 и катод второго диода 4 через стабилизатор 9 тока будет подано отрицательное напряжение. При этом первый диод 3 будет закрыт, а второй диод 4 открывается и обеспечивает протекание тока через светодиоды третьего 12 и четвертого 13 оптореле. Далее с положительного входа цепи управления четвертого оптореле 13 ток поступает на вторую шину 6. Величина тока задается стабилизатором 9 тока.

При этом первый Е и второй F входы замыкающего контакта 30 третьего оптореле 12 и первый G и второй H входы замыкающего контакта 31 четвертого оптореле 13 замыкаются, и положительное напряжение с вывода 26 нештатного аккумулятора 25 поступает через вторую шину 6, замкнутые первый G и второй H входы замыкающего контакта 31 четвертого оптореле 13, плюсовую шину 7 на плюсовой контакт 23 нагрузки 22, а отрицательное напряжение с вывода 27 нештатного аккумулятора 25 через первую шину 5, замкнутые первый Е и второй F входы замыкающего контакта 30 третьего оптореле 12, минусовую шину 8 - на минусовой контакт 24 нагрузки 22.

В качестве оптореле может быть использовано, например, нормально разомкнутое оптоэлектронное реле переменного тока CPC1918J.

Номинальное сопротивление открытого канала данного оптореле составляет величину порядка 0,04 Ом, номинальный ток цепи управления оптореле - 5 мА.

Допустимый ток открытого канала 5,25 А без теплоотвода и 15 А с теплоотводом, в качестве которого может быть использован, например, корпус имитатора аккумуляторной батареи (корпус УЗП).

При выходном напряжении нештатного аккумулятора 25, равном 12 5, и токе потребления нагрузки 22, равном 1 А, расход мощности по цепи управления оптореле не превысит 60 мВт, а потери мощности за счет конечного сопротивления открытых каналов не превысят 80 мВт для двух открытых оптореле 10 и 11 или 12 и 13.

Снижение питающего нагрузку 22 напряжения, снимаемого с нештатного аккумулятора 25, за счет сопротивления открытых каналов двух открытых оптореле 10 и 11 или 12 и 13 не превысит 80 мВ.

Общие потери мощности при использовании предлагаемого УЗП нагрузки не превысят 120 мВт (при потреблении нагрузки 22 в 12 Вт).

Падение напряжения в цепи управления (на светодиоде) каждого из оптореле 10, 11, 12 и 13 составляет 1,2 В, падение напряжения на любом из диодов 3 и 4, при использовании, например диодов Шоттки, составляет величину порядка 0,4 В, падение напряжения на стабилизаторе 9 тока - порядка 1 В. То есть общее падение напряжения в цепях управления выпрямительного моста, а значит и минимальное рабочее входное напряжение выпрямительного моста, составит 3,8 В.

Максимальное рабочее напряжение ограничивается параметрами оптореле 10, 11, 12 и 13.

Для нормально разомкнутого оптоэлектронного реле переменного тока CPC1918J максимальное напряжение коммутации, а значит и максимальное рабочее входное напряжение выпрямительного моста и устройства защиты от переполюсовки в целом, равно 100 В.

Таким образом, выполнение УЗП нагрузки в соответствии с предложенным техническим решением, позволяет обеспечить подачу широкого диапазона напряжений питания, включая низкие напряжения, на питаемую нагрузку 22 в требуемой полярности с минимальными потерями мощности и величины питающего напряжения при любой комбинации подключения входных шин 5 и 6 устройства к выводам 26 и 27 нештатного аккумулятора 25 (внешнего источника питания).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам подачи питания на переносные приборы, например, тепловизионные, имеющим защиту нагрузки от переполюсовки. Технический результат: обеспечение подачи широкого диапазона напряжений питания в требуемой полярности с минимальными потерями мощности и величины питающего напряжения при любой комбинации подключения входных шин. Устройство содержит первое и второе релейные устройства (РУ 1 и РУ 2), каждое из которых имеет два замыкающих контакта в нормально разомкнутом состоянии и цепи управления, а также первый и второй диоды. Анод первого диода соединен с катодом второго диода, а катод первого диода и анод второго диода подключены ко входам цепей управления РУ 1 и РУ 2 соответственно. Первый замыкающий контакт РУ 1 включен между первой шиной питания и плюсовой шиной нагрузки. Второй замыкающий контакт РУ 1 включен между второй шиной питания и минусовой шиной нагрузки. Первый замыкающий контакт РУ 2 включен между первой шиной питания и минусовой шиной нагрузки. Второй замыкающий контакт РУ 2 включен между второй шиной питания и плюсовой шиной нагрузки. Выходы цепей управления РУ 1 и РУ 2 подключены к второй шине питания. В устройство дополнительно введен стабилизатор тока, вход которого подключен к первой шине питания, а выход - к аноду и катоду соответственно первого и второго диодов. Замыкающие контакты и цепи управления РУ 1 и РУ 2 выполнены в виде двух нормально разомкнутых оптоэлектронных реле переменного тока. Цепь управления РУ 1 состоит из последовательно включенных светодиодов первого и второго оптореле. Анод светодиода первого оптореле является входом цепи управления РУ 1. Катод светодиода второго оптореле является выходом цепи управления РУ 1. Цепь управления РУ 2 состоит из последовательно включенных светодиодов третьего и четвертого оптореле. Катод светодиода третьего оптореле является входом цепи управления РУ 2. Анод светодиода четвертого оптореле является выходом цепи управления РУ 2. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство защиты от переполюсовки нагрузки, содержащее первое и второе релейные устройства, каждое из которых имеет два замыкающих контакта в нормально разомкнутом состоянии и цепи управления, а также первый и второй диоды, при этом анод первого диода соединен с катодом второго диода, а катод первого и анод второго диодов подключены ко входам цепей управления первого и второго релейных устройств соответственно, первый замыкающий контакт первого релейного устройства включен между первой шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, второй замыкающий контакт первого релейного устройства включен между второй шиной питания и минусовой шиной нагрузки, первый замыкающий контакт второго релейного устройства включен между первой шиной питания и минусовой шиной нагрузки, а второй замыкающий контакт второго релейного устройства включен между второй шиной питания и плюсовой шиной нагрузки, выходы цепей управления первого и второго релейных устройств подключены к второй шине питания, отличающееся тем, что дополнительно введен стабилизатор тока, вход которого подключен к первой шине питания, а выход - к аноду и катоду соответственно первого и второго диодов, замыкающие контакты и цепи управления каждого релейного устройства выполнены в виде двух нормально разомкнутых оптоэлектронных реле переменного тока, причем цепь управления первого релейного устройства состоит из последовательно включенных светодиодов первого и второго оптоэлектронных реле, при этом анод светодиода первого оптоэлектронного реле является входом цепи управления первого релейного устройства, а катод светодиода второго оптоэлектронного реле является выходом цепи управления первого релейного устройства, цепь управления второго релейного устройства состоит из последовательно включенных светодиодов третьего и четвертого оптоэлектронных реле, при этом катод светодиода третьего оптоэлектронного реле является входом цепи управления второго релейного устройства, а анод светодиода четвертого оптоэлектронного реле является выходом цепи управления второго релейного устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конструктивно оно выполнено в виде имитатора штатной аккумуляторной батареи с замком крепления к корпусу питаемой нагрузки, имеющего первую и вторую шины питания, плюсовую и минусовую шины подключения к нагрузке.