RU223926U1

RU223926U1 - Устройство накопления энергии

Info

Publication number: RU223926U1
Application number: RU2023124640U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Цыбин
Original assignee: Юрий Николаевич Цыбин
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Полезная модель относится к области электронной техники, преимущественно может быть использована в специальной технике, например в системах управления и приборах (абонентах) космических аппаратов (КА) для устранения однократного пускового импульса тока приборов. В частности, где в цепях первичного источника питания КА с целью повышения помехоустойчивости системы недопустим пусковой ток абонента с амплитудой много больше амплитуды тока абонента в штатном режиме его работы. Техническим результатом является устранение ВЧ-помех при включении абонента в цепях первичного источника питания постоянного тока. Особое значение устранения помех имеет в технике специального применения, например в аппаратуре КА. Использование вместо индуктивности в качестве накопителя энергии конденсатора позволяет сократить ГМХ устройства. При этом электронная часть может быть исполнена в виде в виде кристалла ИМС аналогично СБИС, ГМХ которого по сравнению с ГМХ конденсатора при токе его разряда порядка 10…20 А пренебрежимо малы. Энергопотребление устройства определяется практически величиной запасенной энергии W. В режиме хранения W энергопотребление отсутствует. Окончание процесса накопления энергии W фиксируется специальным сигналом. Величина напряжения U_вых заряда последовательного соединения двух конденсаторов может быть реализована в диапазоне напряжений от 0 < U_вых <2 ⋅ U_вх. При этом величина накопленного заряда не зависит от изменения входного напряжения U_вх. Величина постоянного тока накопителя энергии в режиме накопления W может быть установлена равной или менее тока потребления нагрузки в штатном режиме ее работы. Время хранения энергии W определяется утечками, заряда конденсаторов - их качеством.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области электронной техники, преимущественно может быть использована в специальной технике. Например, в системах управления и приборах (абонентах) космических аппаратов (КА) для устранения однократного импульса тока апериодической формы абонента в режиме включения. В частности, где в цепях первичного источника питания КА с целью повышения помехоустойчивости системы недопустим их пусковой ток с амплитудой много больше амплитуды тока абонента в штатном режиме его работы.

Уровень техники

Известен накопитель энергии в индуктивности [1]. Устройство состоит из источника питания постоянного тока, первый вывод которого соединен с последовательной цепью, состоящей из первого и второго ключей, а также первого вывода нагрузки, второй вывод которой соединен с вторым выводом источника питания постоянного тока. Между вторым выводом нагрузки и точкой соединения ключей включена индуктивность.

Способ накопления энергии состоит в том, что замыкают первый ключ. По достижении в индуктивности требуемого запаса энергии источник питания отключают первым ключом. Вторым ключом к индуктивности подключают нагрузку.

Недостаток устройства состоит в том, что он не обеспечивает необходимый постоянный уровень запасенной энергии при изменении напряжения источника питания постоянного тока. Например, в системах бортового питания КА (24…32В). Другим недостатком являются большие габаритно массовые характеристики (ГМХ) индуктивности (недопустимые, например, в КА) для обеспечения пусковых токов нагрузки порядка 10…20А (заданного уровня запасенной энергии). Также, недостатком является отсутствие информации (сигнала) о достижении заданного уровня запасенной энергии.

Прототип

Из известных аналогов наиболее близкими по технической сущности является устройство для его осуществления, представленное в работе [2]. Структурно-принципиальная схема прототипа приведена в Приложении - фиг. 0. Устройство состоит из источника питания постоянного тока, первого и второго ключей, индуктивности, конденсатора, генератора, порогового устройства, диода. Первый вывод источника питания постоянного тока соединен с последовательной цепью, состоящей из первого ключа, индуктивности, первого вывода конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом источника питания постоянного тока. Параллельно источнику питания постоянного тока подключен генератор, выход которого через второй ключ соединен с входом управления первым ключом. Вход управления вторым ключом соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, общий вывод соединен с вторым выводом конденсатора, вход питания соединен с первым выводом источника питания постоянного тока. Второй вывод конденсатора соединен с анодом диода, катод которого соединен с точкой соединения первого ключа и индуктивности.

Способ накопления энергии состоит в том, что контролируют по напряжению уровень запасенной энергии W_c = C⋅U_c ²/2 в конденсаторе с емкостью С, где W_c определена по формуле (15) работы [3]. При обнаружении U_c<U₀, где U₀ - заданный уровень, к источнику питания постоянного тока подключают и отключают с заданной частотой зарядно - разрядную цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности и конденсатора. При обнаружении U_c<U₀ отключают зарядно-разрядную цепь от источника питания постоянного тока.

Устройство обеспечивает заданный уровень запасенной в конденсаторе энергии W_c. Частота (которая может быть более 65 кГц) коммутации зарядно-разрядной цепи позволяет использовать приемлемую величину индуктивности в аппаратуре специального применения. Информацией (сигнала) о достижении заданного уровня запасенной энергии может служить первый импульс сигнала управления вторым ключом устройства после подачи входного напряжения.

Недостаток устройства состоит в том, что после подачи напряжения от источника питания постоянного тока процесс установления заданного уровня запасенной энергии W₀ в конденсаторе сопровождается наличием ВЧ спектра помех в цепях источника питания постоянного тока. При этом длительность этого переходного процесса для обеспечения W₀ при требуемых пусковых токах нагрузки накопителя энергии - порядка 10…20 А может достигать 1…10 с - множество циклов заряд-разряд с приемлемо малой величиной индуктивности. При этом процесс накопления энергии сопровождается помехами в цепи первичного источника питания. Для обеспечения достижения W₀ за один цикл заряда-разряда цепи из индуктивности и конденсатора величина индуктивности будет соответствовать недопустимым ГМХ равноценных описанному выше аналогу [1]. Также недостатком устройства при его использовании в качестве накопителя заряда является неограниченное продолжение циклов заряд - разряд цепи из индуктивности и конденсатора после достижения W₀. Тем самым имеем излишнее энергопотребление устройства, снижение его ресурса и надежности. Другим недостатком являются малые функциональные возможности. Это следует из обеспечения устройством запаса энергии (U_c) конденсатора W₀, в диапазоне ограниченном нижним значением U_c< U_{вх_мин} ≤ U_{вх_max}, где U_{вх_мин} - минимальное, а U_{вх_max} - максимальное значение напряжения источника питания постоянного тока. При этом накопитель заряда для функционирования его нагрузки в диапазоне (например, 24 … 32В) должен обеспечивать значение W₀ источника питания постоянного тока с уровнем напряжения накопительного конденсатора во всем указанном выше диапазоне напряжений.

Цель полезной модели

Целью полезной модели является устранение ВЧ спектра помех в цепях источника питания постоянного тока, оптимизация ГМХ устройства, ограничение двумя циклами заряда конденсатора накопителя заряда, повышение ресурса и надежности, снижение энергопотребления, расширение функциональных возможностей.

Сущность полезной модели

Устройство иллюстрируется фиг.1, которое содержит источник 1 напряжения, генератор 2 тока, ключ 3, конденсаторы 4 и 5, ключи 6 и 7, устройство 8 управления, выходные шины 9 и 10, шину 11 включения.

Первый вывод источника 1 напряжения соединен последовательно с генератором 2 тока, ключом 3, конденсатором 4, конденсатором 5, вторым выводом источника 1 напряжения. Ключ 6 включен между соединением генератора 2 тока с ключом 3 и точкой соединения конденсаторов 4 и 5.

Ключ 7 включен параллельно конденсатору 5. Вывод питания устройства 8 управления соединен с первым выводом источника 1 напряжения. Общий вывод устройства 8 управления соединен с вторым выводом источника 1 напряжения. Входы управления ключа 3 и ключа 7 соединены с первым сигнальным выходом S₁ устройства 8 управления. Вход управления ключа 6 соединен с вторым сигнальным выходом S₂ устройства 8 управления, третий сигнальный выход U_упр которого соединен с входом выключения источника 1 напряжения. Первый информационный вход устройства 8 управления соединен с точкой соединения ключа 3 и конденсатора 4, а также с выходной шиной 9. Второй информационный вход устройства 8 управления соединен с точкой соединения конденсаторов 4 и 5. Шина 11 включения соединена с входом включения источника 1 напряжения и с входом включения устройства 8 управления. Второй вывод источника 1 напряжения соединен с выходной шиной 10.

В источнике 1 напряжения второй его выход соединен последовательно с генератором 18 постоянного напряжения, коммутатором 19 напряжения, вход включения которого соединен с входом включения источника 1 напряжения, а вход выключения соединен с входом выключения источника 1 напряжения, а выход соединен с первым выходом источника 1 напряжения. Коммутатор 19 напряжения может быть выполнен, например, по работе [4].

Устройство 8 управления содержит пороговое устройство 12, триггер 13, пороговое устройство 14, элемент 15 И, триггер 16, элемент 17 задержки.

Первый информационный вход устройства 8 управления соединен с входом порогового устройства 12, выход которого соединен с входом установки R триггера 13, прямой выход которого соединен с первым сигнальным выходом S₁ устройства 8 управления. Второй информационный вход устройства 8 управления соединен с входом порогового устройства 14. Вход питания и вход «Общ.» устройства 8 управления подключены к выводам питания элементов устройства 8 управления и на фиг.1 не показаны так как не являются существенными признаками полезной модели. Инверсный выход триггера 13 соединен с одним входом элемента 15 И, другой вход которого соединен с прямым выходом триггера 16. Выход элемента 15 И соединен со вторым сигнальным выходом S₂ устройства 8 управления. Выход порогового устройства 14 соединен с входом установки R триггера 16 и через элемент 17 задержки - с третьим сигнальным выходом U_упр устройства 8 управления. Вход включения (Вкл.) устройства 8 управления соединен с входами установки в S триггеров 13 и 16.

Работа полезной модели

Исходное состояние источника 1 напряжения - отсутствие напряжения на входе генератора 2 тока. Подают сигнал включения в виде импульса напряжения на шину 11 включения. Этим сигналом коммутатор 19 напряжения переводится в открытое состояние и на его выходе появляется напряжение U_n. Одновременно устанавливаются триггеры 13 и 16 в состояние логической 1 по их прямому выходу. Триггер 13 формирует сигнал Si, которым открываются ключи 3 и 7. Сигнал S₂ при этом равен нулю и ключ 6 закрыт. Соответственно током генератора 2 тока заряжается конденсатор 4. Заряд продолжается до обнаружения пороговым устройством 12 заданного уровня напряжения на конденсаторе 4.

Рекомендуется в диапазоне допустимого изменения напряжения генератора 18 постоянного напряжения устанавливать этот уровень по значению

где - максимальное и минимальное значения напряжений источника 1 напряжения и, например, обычно принятого в технике.

По достижении заряда конденсатора 4 заданного уровня с напряжением (1) пороговым устройством 12 вырабатывается сигнал в виде импульса или постоянного уровня логической 1. При этом триггер 13 устанавливается в состояние 0 по прямому выходу и на обоих входах элемента 15 И уровни напряжений логической 1, а уровень сигнала S₁ равен 0. Соответственно закрываются ключи 3 и 7, а сигналом S₂ открывается ключ 6, через который осуществляется заряд конденсатора 5. Заряд его продолжается аналогично заряду конденсатора 4 с рекомендуемым уровнем срабатывания порогового устройства 14 по напряжению (1). Появление сигнала порогового устройства 14 вызывает срабатывание триггера 16 с установкой его в логическое состояние 0. При этом оба сигнала Si и S2 равны нулю и ключи 3, 6, 7 закрыты. Одновременно на сигнальном выходе устройства 8 управления формируется информационный выходной сигнал U_yпp, который через элемент 17 задержки также выключает коммутатор 19.

Таким образом, устройство 8 управления обесточено, ключи 3, 6, 7 закрыты, конденсаторы 4 и 5 заряжены и на выходных шинах 9-10 сформировано напряжение - напряжения на конденсаторах 4 и 5. Величина задержки сигнала рекомендуется не менее 1 мкс для надежного срабатывания элементов устройства.

Техническим результатом является устранение ВЧ спектра помех в цепях первичного источника питания постоянного тока. Особое значение устранения помех имеет в технике специального применения, например, в аппаратуре КА. Замена индуктивности - накопителя W [1] на конденсатор позволяет сократить ГМХ устройства. При этом электронная часть может быть исполнена в виде в виде кристалла ИМС аналогично СБИС, ГМХ которого по сравнению с ГМХ конденсатора при токе его разряда порядка 10…20 А пренебрежимо малы. Энергопотребление устройства при КМОП элементной базе определяется практически величиной запасенной энергии W. В режиме хранения W энергопотребление отсутствует. Окончание процесса накопления энергии W фиксируется специальным сигналом требуемой длительности. Величина напряжения заряда последовательного соединения конденсаторов может быть реализована в диапазоне напряжений от 0 < U_вых = const ≤ 2 ⋅ U_{вх_мин} во всем диапазоне изменения При этом величина накопленного заряда не зависит от изменения входного напряжения

Источники информации

1. Лекция 11. Индуктивные накопители энергии,

https://studopedia.su/9_29203_lektsiya-induktivnie-nakopiteli-energii.html?ysclid=llkm9hngls58310284

2. Elektrolife. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока, рисунок - «Маломощный импульсный стабилизатор на +5В», https://elektrolife.ru/teoriya/impulsnye-stabilizatory-i-preobrazovateli-postojannogo-toka/?ysclid=lls71suu45211792858

3. ФИЗИКА. Исследование процессов заряда и разряда конденсатора, С.С. Прошкин, В.В. Фицак, М.О. Силиванов. «Санкт-Петербургский горный университет». СПб, 2019 г.

4. Резервированный коммутатор напряжения питания. Патент RU №218 650, МПК НОЗК 17/687, 2023 г.

Claims

Устройство накопления энергии, содержащее источник напряжения, два ключа, конденсатор, устройство управления, первую и вторую выходные шины, причем один вывод источника напряжения соединен с первым выводом конденсатора, общим выводом питания устройства управления и с одной выходной шиной, другой вывод питания устройства управления соединен с другим выводом источника напряжения, вход управления первого ключа соединен с одним выходом устройства управления, один информационный вход устройства управления соединен с вторым выводом конденсатора, характеризующееся тем, что в него введены генератор тока, третий ключ, второй конденсатор и шина включения, причем генератор тока включен между выводом питания устройства управления и силовыми входами первого и второго ключей, выход первого ключа соединен с другим информационным входом устройства управления и через второй конденсатор с вторым выводом первого конденсатора и также с другой выходной шиной, силовой выход второго ключа соединен с точкой соединения конденсаторов, третий ключ включен параллельно первому конденсатору, шина включения соединена с входом включения источника напряжения, входом включения устройства управления, вход управления третьего ключа соединен с входом управления первого ключа, вход управления второго ключа соединен с другим выходом устройства управления, третий сигнальный выход устройства управления соединен с входом выключения источника напряжения.