Модуль управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів

Реферат: Модуль управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів включає пристрій порівняння, виконаний на компараторі, і силовий ключ. Він містить блок визначення "зарядрозряд" суперконденсатора (СК), фіксатор "заряд-розряд" СК, блок формування заряду СК, блок формування розряду СК, ключ заряду СК, ключ розряду СК і два силові ключі заряду і розряду СК. UA 79318 U (54) МОДУЛЬ УПРАВЛІННЯ АКУМУЛЮЮЧИМ ПРИСТРОЄМ НА БАЗІ СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ UA 79318 U UA 79318 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки, зокрема до пристроїв управління накопичувачами електричної енергії, і може бути використана при створенні акумулюючих джерел вторинного електроживлення на базі суперконденсаторів. В даний час широке застосування знаходять суперконденсатори - високопотужні електричні конденсатори, здатні приймати підзаряд дуже швидко і також швидко вивільняти накопичену енергію. Основні переваги суперконденсаторів (далі по тексту - СК) полягають у великій електроємності при малих габаритах, а також в украй малому значенні еквівалентного послідовного опору. В результаті при великих імпульсних розрядних струмах основну роль грає резистивна складова загального опору конденсаторів, а при малих імпульсних струмах великої тривалості ємкісна складова. Тому при роботі з великими імпульсами струму слід застосовувати суперконденсатори з малим еквівалентним послідовним опором (ЕПО), а при роботі з малими струмами конденсатори великої ємкості. При розряді СК на навантаження первинна напруга падає на величину Ur (вплив ЕПО), після чого розрядна крива приймає вид експоненти. При з'єднанні акумуляторної батареї (далі по тексту - АБ) з СК акумулятор запасає набагато більше енергії, чим конденсатор, його послідовний опір втрат також набагато вище. СК бере на себе частину навантаження, обмежуючи максимальний струм і продовжуючи тим самим життя АБ. Відомий "Пристрій управління імпульсним стабілізатором" (Патент України № 63727, МПК-7 G 05 F 1/56, Н 02 М 3/335, Н 02 М 7/00, Бюл. № 1, 2004 p.), недоліком якого є складна схемотехніка пристрою, що не дозволяє, до того ж реалізувати необхідний алгоритм роботи пристрою. Відомий також "Пристрій управління багатофункціонального перетворювача напруги" (Патент України № 9031, МПК-7 G 05 F 1/56, Н 02 М 3/335, Н 02 М 7/00, БІ-9-2005 p.), недоліком якої є складна схема пристрою. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, і вибраним як прототип є "Модуль управління комутатором навантажень сонячних батарей" (Патент Україні № 45368, МПК-8 G 05 F 1/56, H 02 M 3/335, Н 02 М 7/00, БІ-21-2009 p.), що включає пристрій порівняння (ПП), виконаний на компараторі і перший попередній підсилювач (ППУ), при цьому додатково введень другий попередній підсилювач (ВПУ) і блок комутації (БК), при цьому обидва попередні підсилювачі і перший і другий вихідні ключі виконані у вигляді блока попередніх підсилювачів з вихідними ключами, а БК виконаний у вигляді транзисторної логічної схеми, входь якої підключені в плюсовим виводам сонячної батареї (СБ) і акумуляторної батареї (АБ), а вихід підключений до навантаження, крім того, БППзВК виконаний на транзисторах, при цьому на базу ППУ подається сигнал "заряд АБ", а на базу ВПУ подається сигнал "Імпульсний стабілізатор напруги" ("ІСН"), причому в колекторні ланцюги ППУ і ВПУ включені відповідно дільники напруги на двох резисторах, а базові ланцюги вихідних ключів підключені до середніх точок відповідних дільників резисторів напруги, крім того, емітер першого вихідного ключа підключений до входу "ІСН", а колектор іншого вихідного ключа через розв'язуючий діод подає «+» СБ на силовий ключ БК, а прямий вхід компаратора ВУС через дільника на резисторі і стабілітроні підключений до «+» АБ, а інверсний вхід компаратора через дільника напруги підключений в «+» СБ, при цьому вихід ВУС підключений до входу БК, що управляє, при цьому БК виконаний на чотирьох транзисторах і логічному інверторі і чотирьох розв'язуючих діодах, вхід БК, що при цьому управляє, підключений до виходу компаратора ВУС, сигнал з якого надходить на базу першого транзистора, що управляє, колектор якого сполучений з базою першого комутатора, що підключає «+» ІСН через розв'язуючий діод до навантаження, крім того, сигнал з виходу компаратора ПП через логічний інвертор надходить на базу іншого транзистора, що управляє, колектор якого сполучений з базою іншого комутатора, що підключає «+» СБ або АБ через розв'язуючий діод до навантаження. Недоліками прототипу є складні функціональна і принципова схеми пристрою. Задачею корисної моделі є розробка нової схемотехніки модуля управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів з досягненням технічного результату - спрощення схемотехніки пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в "Модулі управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів", що включає пристрій порівняння, виконаний на компараторі, і силовий ключ, є блок визначення "заряд-розряд" суперконденсатора (СК), фіксатор "заряд-розряд" СК, блок формування заряду СК, блок формування розряду СК, ключ заряду СК, ключ розряду СК і 1 UA 79318 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 два силові ключі заряду і розряду СК, причому блок визначення "заряд-розряд" СК виконаний на двох компараторах, реалізованих на здвоєному операційному підсилювачі, фіксатор "зарядрозряд" СК виконаний на D-тригері, блок формування заряду СК виконаний на двох логічних елементах "І", блок формування розряду СК виконаний на логічному елементі "І", ключ заряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара, ключ розряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара, а силові ключі заряду і розряду СК виконані на польових транзисторах МОН-структури. Новим в пристрої, що заявляється, є нова схемотехніка побудови модуля управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів за рахунок введення нових елементів і зв'язків між ними, що дозволяє вирішити задачу, поставлену в даній корисній моделі, з досягненням технічного результату - спрощення схемотехніки пристрою. Суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, співпадаючими з прототипом, є наступні ознаки: - пристрій порівняння, виконаний на компараторі; - силовий ключ. Відмітними від прототипу суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - блок визначення "заряд-розряд" СК; - фіксатор "заряд-розряд" СК; - блок формування заряду СК; - блок формування розряду СК; - ключ заряду СК; - ключ розряду СК; - два силові ключі заряду і розряду СК. Приватними відмітними від прототипу суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - блок визначення "заряд-розряд" СК виконаний на двох компараторах, реалізованих на здвоєному операційному підсилювачі; - фіксатор "заряд-розряд" СК виконаний на D-тригері; - блок формування заряду СК виконаний на двох логічних елементах "І"; - блок формування розряду СК виконаний на логічному елементі "І"; - ключ заряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара; - ключ розряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара; - силові ключі заряду і розряду СК виконані на польових транзисторах МОН-структури. Між суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, який досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, нова схемотехніка пропонованого пристрою в порівнянні з прототипом дозволяє значно спростити пристрій і, за рахунок цього, підвищити надійність його роботи і понизити матеріальні витрати при тиражуванні даного пристрою. Проведений заявником аналіз рівня техніки, який включає пошук за патентними і науковотехнічними джерелами інформації, з виявленням джерел, що містять інформацію про аналоги технічного рішення, яке заявляється, дозволяє встановити, що заявником не виявлені повні аналоги, які характеризуються всією сукупністю ознак, ідентичною всім суттєвим ознакам заявленого пристрою, вказаних у формулі корисної моделі. Тому можна стверджувати, що корисна модель, що заявляється, відповідає умові патентоспроможності за критерієм "новизна". Крім того, дана корисна модель промислово застосовна, тому що технічне рішення, що заявляється, дозволяє використовувати його при розробці і виготовленні джерел вторинного електроживлення на базі сонячних батарей (СБ), суперконденсаторів (СК) і акумулярних батарей (АБ). На фіг. 1 показана блок-схема пристрою, що заявляється; на фіг. 2 зображена принципова електрична схема пристрою, що заявляється. Пристрій, що заявляється, складається з наступних основних блоків, безпосередньо зв'язаних один з одним: - блок визначення "заряд-розряд" СК (далі по тексту - БВ "З-Р"); - фіксатор "заряд-розряд" СК (далі по тексту - Ф "З-Р"); - блок формування заряду СК (далі по тексту - БФ "З"); - блок формування розряду СК (далі по тексту - БФ "Р"); - ключ заряду СК (далі по тексту Кл "З"); - ключ розряду СК (далі по тексту Кл "Р"); - силові ключі заряду і розряду СК. 2 UA 79318 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 БВ "З-Р" СК виконаний на двох компараторах DA 1-1 і DA 1-2, реалізованих на здвоєному операційному підсилювачі. Ф "З-Р" СК виконаний на D-тригері DD 1-1. БФ "З" СК виконаний на двох логічних елементах "І": DD 2-1 і DD 2-2. БФ "Р" СК виконаний на логічному елементі "І" DD 2-3. Кл "З" СК виконаний на транзисторі VT 3, навантаженням якого є оптопара АОТ 1-1. Кл "Р" СК виконаний на транзисторі VT 4, навантаженням якого є оптопара АОТ 2-1. Силові ключі заряду VТ2 і розряду VT1 СК виконані на польових транзисторах МОНструктури. Розглянемо докладніше пристрій, що заявляється. Імпульсний стабілізатор напруги (ІСН) стабілізує напругу, яка надходить з сонячних батарей і забезпечує стабільною напругою живлення схему пристрою і СК. БВ "З-Р" містить джерело стабільної опорної напруги параметричного типу, який складається із стабілітрона VD2 (КС 175а) і баластного резистора R9, двох компараторів DA1-1 і DA1-2 на основі операційних підсилювачів, що визначають стан "заряд-розряд" СК. Ф "З-Р" виконаний на D-триггере DD1, що працює в режимі R-S-триггера з початковою установкою по ланцюгу С1, R7, R8. При включенні негативним спадом напруги тригер DD1 встановлюється в стан зарядженого СК. Якщо СК розряджений, то негативним фронтом з виходу компаратора DA1-2 він встановлюється в потрібний стан. Далі стан тригера DD1 залежить від перепадів напруги на виходах компараторів DA1-1 і DA1-2, таким чином тригер DD1 фіксує заряджений СК чи ні. Якщо конденсатор СК3 заряджений, то з виходу "Р" тригера DD1 логічна "1" надходить на БФ "Р". БФ "Р" зібраний на DD2-1, DD2-2 і, під час вступу на його вхід "2" логічною "1" від комутатора навантажень (умовно не показаний), на виході "З" DD2-1 з'являється сигнал логічного "0". Цей сигнал надходить на входи 5 і 6 DD2-2, з виходу "4" якого логічна "1" через базовий дільник R12 і R13 надходить на ключовий транзистор VT3, який через баластний резистор R14 включає світлодіод оптронної пари АОТ-1. При цьому відкривається складений фототранзистор цієї оптопари і на вхід силового ключа розряду VT1 надходить потенціал - 15 В, який відкриває силовий ключ розряду VT1 і СК3 розряджається в навантаження. Опір R11 є навантаженням складеного транзистора оптопари. Коли Ф "З-Р" виконаний на D-тригері DD1, переходить в стан "З", на вході DD2-3 з'являється сигнал логічної "1" і, під час вступу від комутатора навантажень (умовно не показаний) також сигналу логічної "1", по лінії "З" (заряд) на виході DD2-3 ("10") з'являється логічний "0", і на виході "4" DD2-2 також присутній сигнал логічного "0" і ключ VT2 закривається, при цьому транзистор VT4 закривається і через АОТ2 відкривається транзистор VT1, включаючи в режим заряду конденсатор СК3. Пристрій, що заявляється, працює таким чином. Для стабілізації вихідної напруги СБ служить ІСН, з виходу якого в пристрій надходить дві напруги: основна +15 В і допоміжна -15 В для живлення пристрою зарядки СК. На кожному СК присутнє відповідна тільки йому напруга заряду, тому на кожен СК повинна подаватися своя напруга заряду. Отже, кожен СК повинен бути оснащений своїм модулем управління акумулюючим пристроєм, що здійснює контроль "заряд" - "розряд" СК, схема якого наведена на фіг. 2. Пристрій, що заявляється, управляється від комутатора управління виходу сонячних батарей (умовно не показаний). При першому включенні Ф "З-Р" на D-тригері DD1 встановлюється в початковий стан "СК розряджений" по ланцюжку С1, R8, R7, при цьому на "D»-вході DD1 присутній логічний "0". Якщо СК заряджений, то негативним фронтом з виходу DA1-1 він встановлюється в положення готовності до розряду. БВ "З-Р" складається з двох порогових елементів: елемент пороговий зарядженого конденсатора і елемент розрядженого конденсатора на операційних підсилювачах DA1-1 і DA12 відповідно, на один з входів яких подана опорна напруга, на інші входи подана напруга від СК через дільники напруги R1, R2 і R3, R4 відповідно. При рівності цієї напруги, а саме еталонної (опорної) напруги і напруги "зарядів" або "розрядів" СК, на виходах DA1-1 або DA1-2 з'являється негативний перепад напруги. Цей перепад і фіксує Ф "З-Р" на D-триггере DD1, включений в режимі RS-триггера, видаючи команди: заряджений конденсатор (на прямому виході) і конденсатор розряджений (на інверсному виході) сигнал логічної "1" (+15 В). 3 UA 79318 U 5 10 15 20 25 30 Команда СК "заряджений" надходить на вхід логічної схеми DD2-1, що виконує функцію "ІНЕ". Якщо на другому вході DD2-1 також присутня логічна "1" (тобто надійшов сигнал "розряд" від комутатора навантаження сонячної батареї), то на виході DD2-1 з'являється сигнал логічного "0" (тобто напруга загального дроту). На логічному елементі DD1-2 ця напруга інвертується, тобто стає логічною "1" і надходить через дільник на резисторах R12, R13 на базу VT3. Транзистор VT3 відкривається, внаслідок чого світлодіод оптронної пари АОТ 1 через баластний резистор R14 починає світитися, унаслідок цього відкривається складений транзистор оптронної пари АОТ 1, при цьому на затвор силового ключа VT2 подається потенціал -15 В. Силовий ключ на польовому транзисторі VT2 відкривається і починається розряд СК3 на навантаження. СК3 розряджається до нижнього порога і з виходу DA1-2 негативним фронтом перемикає Ф "З-Р" на D-тригері DD1 в інший стійкий стан (на прямому виході з'являється сигнал логічного "0"), який сигналізує про розряд СК3 і передає інформацію на розряд СК наступному осередку. Силовий ключ VT2 закривається. На логічному елементі DD2-3 з'являється сигнал готовності до заряду СК3: на інверсному виході DD1-1 присутня логічна "1" і під час вступу від комутатора навантажень сонячних батарей сигналу "заряд" (логічної "1") на виході DD2-3 з'являється сигнал логічного "0", який через дільника R15, R16 подається на базу транзистора VT4, який закривається. При цьому припиняється струм через світлодіод в оптронній парі АОТ 2 і складений транзистор оптопари АОТ 2 закривається. На затворі VT1 з'являється через буферний резистор R10 потенціал +15 В. Польовий ключ відкривається і починається заряд СК3. Після заряду СК3, Ф "З-Р" на D-тригері DD1 переходить в інший стійкий стан і на прямому виході DD1 з'являється сигнал логічної "1", на інверсному виході DD1- сигнал логічного "0", при цьому інформація про заряджений СК3 передається в наступний осередок, і якщо в ній СК заряджений, то він починає розряджатися. Далі процес повторюється по всьому ланцюжку до повних зарядів всіх СК, а потім при необхідності і розрядів СК на навантаження. На підставі всього вищевикладеного можна зробити вивід, що задача, поставлена в справжній корисній моделі, - розробка нової схемотехніки модуля управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів - виконана з досягненням технічного результату спрощення схемотехніки пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Модуль управління акумулюючим пристроєм на базі суперконденсаторів, що включає пристрій порівняння, виконаний на компараторі, і силовий ключ, який відрізняється тим, що містить блок визначення "заряд-розряд" суперконденсатора (СК), фіксатор "заряд-розряд" СК, блок формування заряду СК, блок формування розряду СК, ключ заряду СК, ключ розряду СК і два силові ключі заряду і розряду СК. 2. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що блок визначення "заряд-розряд" СК виконаний на двох компараторах, реалізованих на здвоєному операційному підсилювачі. 3. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що фіксатор "заряд-розряд" СК виконаний на Dтригері. 4. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що блок формування заряду СК виконаний на двох логічних елементах "І". 5. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що блок формування розряду СК виконаний на логічному елементі "І". 6. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що ключ заряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара. 7. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що ключ розряду СК виконаний на транзисторі, навантаженням якого є оптопара. 8. Модуль по п. 1, який відрізняється тим, що силові ключі заряду і розряду СК виконані на польових транзисторах МОН-структури. 4 UA 79318 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5