Устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов Российский патент 2024 года по МПК H02J7/10 

Изобретение относится к электротехнической области техники, а именно к устройствам заряда аккумуляторов асимметричным током и может быть использовано во всех областях народного хозяйства.

Известно устройство для заряда аккумуляторной батареи асимметричным током [SU №1167684, кл. H02J/10, опубл. 15.07.1985], содержащее две входные клеммы для подключения источника питания и две выходные клеммы для подключения к аккумулятору, мультивибратор, выполненный на биполярных транзисторах, зарядную и разрядную цепи, а также полевые транзисторы для регулирования периода и скважности импульсов асимметричного тока. Заряд аккумулятора происходит за счет автоматического переключения устройства в режимы заряда и разряда с определенным отношением времени протекания импульса тока в прямом и обратном направлении.

Однако в указанном устройстве используют блок фазоимпульсного управления тиристорным выпрямителем тока заряда, работающий от сети переменного напряжения, что не позволяет устройству работать от источников постоянного напряжения и поэтому исключает использование альтернативных источников энергии.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов асимметричным током [RU №2721006, кл. H02J/7, опубл. 15.05.2020], содержащее две входные клеммы для подключения источника питания и две выходные клеммы для подключения к аккумулятору, мультивибратор, зарядную цепь, включенную между источником питания и выходными клеммами, разрядную цепь, одним выводом соединенную с выходной клеммой, а другим с линией входа аккумулятора. Также устройство содержит параллельно мультивибратору блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения, выполненный на основе электромагнитного реле с использованием в качестве индикатора светодиода. При этом мультивибратор включает блок силового коммутатора, содержащий реле и диод, для осуществления коммутации постоянного и переменного напряжения, а также в мультивибратор включены времязадающие цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов, для регулировки частоты и скважности колебаний и интегрирующие цепи для стабилизации частоты колебаний. Кроме того, зарядная цепь через зарядные резисторы связана с аккумулятором, при этом содержит переключатель для реализации регулировки амплитуды зарядного тока; разрядная цепь содержит RC-цепь для формирования амплитуды. А также в устройство включены термопредохранители, один из которых последовательно включен во входную цепь, а другой - в выходную.

Однако из-за включения силового коммутатора в правую часть мультивибратора происходит изменение частоты колебаний во времени при увеличении напряжения на аккумуляторе, а также снижение точности регулировки частоты и скважности асимметричного тока. Кроме того, не предусмотрена возможность поочередного подключения источников переменного и постоянного напряжения.

Проблемой изобретения является создание устройства для заряда и десульфатации аккумуляторов от различных источников напряжения со стабильными параметрами частоты и скважности асимметричного тока.

Техническим результатом является улучшение стабилизации параметров асимметричного тока и реализация возможности чередования источников переменного и постоянного напряжения.

Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов асимметричным током содержит две входные клеммы для подключения источника питания и две выходные клеммы, для подключения к аккумулятору, мультивибратор, силовой коммутатор для осуществления коммутации постоянного и переменного напряжения, зарядную и разрядную цепи, блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения, включенный параллельно мультивибратору, а также входящие в мультивибратор времязадающие цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов, для регулировки частоты и скважности колебаний. Согласно изобретению устройство дополнительно включает усилитель напряжения на одном биполярном транзисторе для управления силовым коммутатором, расположенным отдельно от мультивибратора, с целью стабилизации параметров асимметричного тока, кроме того, в блок мультивибратора дополнительно включены логарифмирующие цепи для сокращения длительности фронтов импульсов и диод - для уменьшения помех на мультивибраторе; а также устройство для реализации возможности чередования источников переменного и постоянного напряжения дополнительно включает две входные клеммы для подсоединения солнечной батареи и блоки стабилизации напряжения - для дополнительной защиты при заряде от солнечной батареи, кроме того в зарядную цепь дополнительно включены переключатель и резистор для выбора источника питания: сети переменного напряжения или солнечной батареи.

Дополнительное включение в устройство усилителя напряжения на одном биполярном транзисторе позволяет осуществлять управление силовым коммутатором с целью обеспечения стабилизации частоты колебаний и повышения точности регулировки скважности асимметричного тока. В результате отдельно расположенный от мультивибратора блок коммутатора, для осуществления коммутации постоянного и переменного напряжения, реализует поочередность подключения зарядной и разрядной цепи, но при этом мультивибратор не зависит от напряжения на аккумуляторе, что позволяет задавать необходимые параметры частоты и скважности асимметричного тока.

Дополнительное включение в блок мультивибратора логарифмирующих цепей способствует сокращению длительности фронтов импульсов, а включение диода - уменьшению помех на мультивибраторе, что, соответственно, положительно влияет на стабилизацию параметров асимметричного тока.

Две дополнительные входные клеммы для подключения солнечной батареи реализуют поочередность использования источников переменного и постоянного напряжения при осуществлении заряда и десульфатации аккумуляторов.

Дополнительное включение в устройство блока стабилизации напряжения на основе DC/DC преобразователя позволяет защитить мультивибратор при подключении в качестве источника питания солнечной батареи, поскольку в процессе заряда могут происходить колебания напряжения на входе устройства.

Дополнительное включение в устройство линейного регулируемого стабилизатора напряжения требуется в связи с тем, что блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения выполнен на основе электромагнитного реле, защита которого необходима при заряде от солнечной батареи из-за нестабильности ее ЭДС.

Введение в зарядную цепь дополнительных переключателя и резистора необходимо для осуществления выбора источника питания: сети переменного напряжения или солнечной батареи.

На фиг. представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит входные клеммы 1, 2 для сети переменного напряжения, или 3, 4 - для подключения солнечной батареи, выходные клеммы 5, 6 для подключения к аккумулятору, мультивибратор 7 и силовой коммутатор 8, расположенный отдельно от мультивибратора 7, зарядную цепь 9, включенную между источником питания и выходными клеммами, разрядную цепь 10, одним выводом соединенную с выходной клеммой, а другим с линией входа аккумулятора, блок стабилизации напряжения 11, включенный последовательно с мультивибратором 7, и блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения 12, подключенный параллельно мультивибратору 7.

Мультивибратор 7 содержит два биполярных транзистора 13 и 14 для формирования электрических колебаний. Для регулировки частоты и скважности колебаний мультивибратор 7 содержит времязадающие цепи, состоящие из резисторов 15, 16 и конденсаторов 17-19. Логарифмирующие цепи, состоящие из резисторов 20, 21 и диодов 22, 23, дополнительно включены для сокращения длительности фронтов импульсов, а диод 24 дополнительно введен для уменьшения помех на мультивибраторе. Для стабилизации частоты колебаний необходимы интегрирующие конденсаторы 25, 26, а резисторы 27, 28 - для формирования положительной обратной связи. Для индикации зарядного и разрядного импульсов нужны светодиоды 29, 30, для их защиты необходимы резисторы 31, 32.

Дополнительно включенный усилитель напряжения на одном биполярном транзисторе 33 необходим для управления силовым коммутатором 8, расположенным отдельно от мультивибратора, с целью стабилизации параметров асимметричного тока. Резистор 34 дополнительно включен для определения рабочей точки биполярного транзистора 33, диод 35 введен для уменьшения длительности заднего фронта импульса с целью обеспечения быстрого закрывания транзистора 33, а резистор 36 введен для ограничения тока базового перехода транзистора 33.

Силовой коммутатор 8 состоит из электромагнитного реле 37 для формирования импульсов зарядного и разрядного тока и контакта 38 для подключения зарядной и разрядной цепей 9 и 10, диод 39 нужен для защиты устройства от ЭДС самоиндукции.

Зарядная цепь 9 необходима для подачи зарядного импульса на аккумулятор через зарядные резисторы 40-41 и содержит переключатель 42 для регулировки амплитуды зарядного тока. Введение в зарядную цепь дополнительных переключателя 43 и резистора 44 требуется для осуществления выбора солнечной батареи в качестве источника питания.

Разрядная цепь 10 необходима для подачи разрядного импульса с аккумулятора. Она содержит RC-цепь из резистора 45 и конденсатора 46 для регулировки амплитуды и резисторы 47, 48 для формирования разрядной составляющей асимметричного тока.

Дополнительно включенный в устройство блок стабилизации напряжения 11 на основе DC/DC преобразователя 49 необходим для защиты мультивибратора 7 при подключении солнечной батареи в качестве источника питания. Введение дополнительных варисторов 50, 51 требуется для защиты DC/DC преобразователя 49 от воздействия электростатических помех, дополнительных конденсаторов 52-55 - для защиты от электромагнитных помех, а диода 56 - от воздействия обратных токов.

Блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения 12 представляет собой релейную защиту для отключения аккумулятора от нагрузок на основе реле 57 и его контакта 58, которая исключает разряд аккумулятора на внутреннее сопротивление устройства при перебоях питания. Диод 59 нужен для защиты устройства от ЭДС самоиндукции. Для индикации срабатывания защиты необходим светодиод 60, а резистор 61 - для защиты светодиода.

Дополнительное включение линейного регулируемого стабилизатора напряжения 62 требуется в связи с тем, что блок защиты 12 выполнен на основе электромагнитного реле 57, защита которого от перенапряжения необходима при заряде от солнечной батареи. Введение дополнительных диодов 63, 64 требуется для защиты стабилизатора от воздействия обратных токов, а диод 65 и конденсаторы 66-70 - от электромагнитных помех. Дополнительные резисторы 71, 72 необходимы для определения напряжения стабилизации.

Во многих зарядных устройствах защита от переполюсовки и короткого замыкания срабатывает после того, как событие произошло. В разработанном устройстве принято схемотехническое решение, ориентированное на предупреждение возникновения перегрузки в выходных цепях: схема силовой части устройства разделена на две части - мультивибратор 7 подключен к источнику питания, а усилитель напряжения 33 и коммутатор 8 подключены к аккумулятору - это необходимо для осуществления защиты от короткого замыкания и переполюсовки полярности выходных проводов.

Диоды 73-78 нужны для защиты блоков устройства от переполюсовок.

Для повышения надежности работы устройства служит защита от перегрева, обеспечивающая противопожарную безопасность. Она выполнена на термопредохранителе 79, который подсоединен последовательно с блоком защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения 12.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение подается с источника питания - сети переменного напряжения или солнечной батареи - через блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения 12 на мультивибратор 7 и силовой коммутатор 8. При подаче питания в схему мультивибратора 7 возникают автоколебания. Мультивибратор 7 на трех биполярных транзисторах управляет силовым коммутатором 8 с целью генерации асимметричного тока. Управление осуществляется следующим образом.

При подключении аккумулятора к выходным клеммам 5, 6 возбуждается мультивибратор 7. Во время прохождения импульса через правую часть мультивибратора 7 включается реле 37 силового коммутатора 8, его контакт 38 соединяет аккумулятор с источником питания через зарядную цепь 9, и на аккумулятор поступает зарядный импульс через зарядные резисторы 40, 41 или 44 - при заряде от солнечной батареи. Мощный резистор 40 исключает большой ток, нагрев и выделение водорода при заряде и десульфатации аккумулятора. Для регулировки амплитуды зарядного тока в зависимости от емкости заряжаемого аккумулятора служит переключатель 42. Индикация заряда осуществляется посредством светодиода 29.

При переходе мультивибратора 7 в другое состояние в момент отсутствия импульса в правой части - контакт 38 реле 37 силового коммутатора 8 соединяет аккумулятор с разрядной цепью 10 и от аккумулятора поступает разрядный импульс. Регулировка амплитуды разрядного тока осуществляется резистором 47, RC-цепь второго рода 45-46 и резистор 48 служат для ее ограничения. Индикация разряда осуществляется посредством светодиода 30.

Контакт 38 реле 37 для заряда-разряда управляется усилителем напряжения на биполярном транзисторе 33. Данные процессы чередуются с частотой работы мультивибратора 7 около 1 Гц. Формирование импульсов происходит за счет переключения блоков в режимы заряда и разряда с определенным соотношением времени протекания импульса тока в прямом и обратном направлении. Это осуществляется посредством времязадающих и логарифмирующих цепей в правой и левой частях мультивибратора 7, реализованных на резисторах 15, 16, 20, 21 и конденсаторах 17-19.

С целью повышения надежности эксплуатации устройства необходима стабильность частоты генератора импульсов асимметричного тока в диапазоне напряжений от 9 до 15 вольт.

Для стабилизации частоты колебаний мультивибратора 7 в широких пределах периода и скважности при малых значениях хронирующих конденсаторов 17-19, в схеме мультивибратора 7 служат интегрирующие конденсаторы 24 и 25, предназначенные для подавления дифференциальных токов.

В процессе работы над устройством было установлено, что для гарантии стабильности частоты колебаний необходимо дополнительное включение в схему устройства усилителя напряжения на биполярном транзисторе 33 для обеспечения независимости работы мультивибратора 7 от изменения напряжения на аккумуляторе. Резистор 34 определяет рабочую точку биполярного транзистора 33. Диод 35 служит для уменьшения длительности заднего фронта импульса с целью обеспечения быстрого закрывания транзистора 33, а резистор 36 ограничивает ток базового перехода транзистора 33.

При заряде аккумулятора от солнечной батареи могут происходить колебания напряжения на входе устройства, вследствие чего возможен выход из строя мультивибратора 7. Для предотвращения данной ситуации в устройство дополнительно включен блок стабилизации напряжения 11 на основе DC/DC преобразователя 49, который удерживает выходное напряжение на заданном уровне при входном напряжении как выше выходного, так и ниже. Варисторы 50, 51 защищают DC/DC преобразователь 49 от воздействия электростатических помех, конденсаторы 52-55 - от электромагнитных помех, диод 56 - от воздействия обратных токов.

Блок защиты от отключения питающего напряжения 12, представляет собой релейную защиту из реле 57 и контакта 58, исключающую разряд аккумулятора на внутреннее сопротивление устройства при перебоях питания, в случае длительной эксплуатации устройства в автоматическом режиме.

Работает следующим образом. В случае несанкционированного отключения сети, отключается реле 57, отсоединяя аккумулятор от всех нагрузок. Диод 59 реализует защиту устройства от импульсов ЭДС самоиндукции. Светодиод 60, подсоединенный параллельно обмотке электромагнитного реле 57, погаснет, просигнализировав о возникновении нештатной ситуации. В случае возобновления поступления на вход устройства питающего напряжения - реле 57, входящее в блок защиты, сработает, подключив аккумулятор. Функционирование устройства продолжиться в штатном режиме, засветится светодиод 60.

Дополнительно введенный в устройство линейный стабилизатор напряжения 62 защищает реле 57 от перенапряжения, возникающего из-за нестабильности ЭДС солнечной батареи. При подключении солнечной батареи к контактам 3,4 включается реле 57, которое контролирует наличие напряжения на аккумуляторе. Диоды 63, 64 защищают стабилизатор от воздействия обратных токов, диод 65 и конденсаторы 66-70 - от электромагнитных помех. Резисторы 71, 72 определяют напряжение стабилизации.

Защита устройства от короткого замыкания и от переполюсовки полярности выходных проводов осуществляется следующим образом.

В случае отключения устройства от аккумулятора - напряжение перестает подаваться на биполярный транзистор 33 и реле 37 силового коммутатора 8, в результате коммутатор 8 выключается, обесточивая выходные провода, предотвращая опасность. При правильном подключении - возобновляется подача напряжения от аккумулятора на биполярный транзистор 33 и силовой коммутатор 8 и работа устройства возобновляется.

Диоды 73-78 служат для защиты блоков устройства от переполюсовок.

Диоды 73 и 74, включенные последовательно с блоком защиты 12, защищают его от переполюсовки источников напряжения. Диод 75, включенный последовательно с разрядной цепью 10, защищает ее от переполюсовки аккумулятора. Диод 76, включенный последовательно с блоком стабилизации напряжения 11, защищает его и левую часть мультивибратора 7 от переполюсовки источников напряжения. Диоды 77 и 78, включенные последовательно с правой частью мультивибратора 7, защищают ее от переполюсовки аккумулятора.

Защиту от перегрева обеспечивает термопредохранитель 79, включенный последовательно с блоком защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения 12. В случае если температура внутри корпуса устройства превысит безопасный предел - термопредохранитель 79 сработает. Это приведет к отключению блока защиты 12 и его реле 57, а контакт реле 58 отключит аккумулятор, обеспечив защиту устройства.

Изобретение находится на стадии лабораторных исследований.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам заряда аккумуляторов асимметричным током. Техническим результатом является улучшение стабилизации параметров асимметричного тока и реализация возможности чередования источников переменного и постоянного напряжения. Для этого устройство дополнительно включает усилитель напряжения на одном биполярном транзисторе для управления силовым коммутатором, расположенным отдельно от мультивибратора, с целью стабилизации параметров асимметричного тока, кроме того, в блок мультивибратора дополнительно включены логарифмирующие цепи для сокращения длительности фронтов импульсов и диод - для уменьшения помех на мультивибраторе; а также устройство для реализации возможности чередования источников переменного и постоянного напряжения дополнительно включает две входные клеммы для подсоединения солнечной батареи и блоки стабилизации напряжения - для дополнительной защиты при заряде от солнечной батареи, кроме того, в зарядную цепь дополнительно включены переключатель и резистор для выбора источника питания: сети переменного напряжения или солнечной батареи. 1 ил.

Устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов асимметричным током, содержащее две входные клеммы для подключения источника питания и две выходные клеммы для подключения к аккумулятору, мультивибратор, силовой коммутатор для осуществления коммутации постоянного и переменного напряжения, зарядную и разрядную цепи, блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения, включенный параллельно мультивибратору, а также входящие в мультивибратор времязадающие цепи, состоящие из резисторов и конденсаторов, для регулировки частоты и скважности колебаний, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает усилитель напряжения на одном биполярном транзисторе, расположенный отдельно от мультивибратора, а также дополнительно содержит две входные клеммы для подсоединения солнечной батареи, при этом устройство включает последовательно с мультивибратором блок стабилизации напряжения на основе DC/DC преобразователя для защиты мультивибратора при подключении солнечной батареи, содержащий варисторы, диод и конденсаторы, причем блок защиты от несанкционированного отключения питающего напряжения дополнительно содержит линейный стабилизатор напряжения для защиты электромагнитного реле при заряде от солнечной батареи, резисторы, диоды и конденсаторы, при этом мультивибратор содержит логарифмирующие цепи с целью сокращения длительности фронтов импульсов и диод для уменьшения помех на мультивибраторе, кроме того, зарядная цепь дополнительно содержит переключатель и резистор для реализации выбора источника питания: сети переменного напряжения или солнечной батареи.