CC BY
9
УДК 621.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-526-527
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СРАВНЕНИЕ СХЕМ АВАРИЙНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ НИЗКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ОТ LI-ION-АККУМУЛЯТОРА
Я.С. Малмыгин, А.Е. Гусева, С.О. Гриднев
В статье рассматриваются схемы автоматического разрыва цепи питания низковольтных устройств для применения их в системах экстренного отключения питания оборудования в угольных шахтах. Целью данного исследования является проектирование схем разрыва цепи питания от Li-Ion аккумулятора при поступлении на неё внешнего сигнала разрыва от газоанализатора метана. В результате работы определена оптимальная схема отключения питания, обусловленная особенностями работы электрического оборудования в угольных шахтах.
Ключевые слова: транзистор, МОП-транзистор, плавкий предохранитель, тиристор, Li-ion-аккумулятор, автоматическое отключение питания.
Введение. При эксплуатации технического оборудования в опасных производственных зонах существует необходимость наличия экстренной системы отключения оборудования. На предприятиях по добычи угля есть опасность взрыва устройств в среде с повышенной концентрацией метана [1,2]. Согласно «Правилам безопасности в угольных шахтах» каждое электрическое устройство, которое имеет исполнение РВ, должно автоматически отключаться при концентрации метана в шахте более 1%. Соответственно необходимо, чтобы в случае повышения концентрации опасного вещества электрическое устройство имело функцию мгновенного отключения питания системы для остановки работы оборудования.
Цель исследования заключается в поиске и разработке оптимальной электрической схемы отключения низковольтного устройства от источника питания напряжением не более 4.2 В в условиях эксплуатации устройства во взрывоопасной среде. На текущий момент электрические схемы с питанием не более 4.2 В с автоматическим отключением питания при повышенной концентрации метана не используются на горнодобывающих предприятиях, либо информация не находится в открытом доступе.
В практике автоматического отключения электрических цепей распространены схемы с применением плавких предохранителей, так как они имеют ряд преимуществ, такие как высокая стабильность, разрывная способность и быстродействие, которые остаются непревзойденными другими устройствами защиты (например, автоматическими выключателями с тепловыми и электромагнитными расцепителями). Так же довольно часто в сфере защитного отключения используются различные комбинации полевых и биполярных транзисторов, а также реле и диодов [3]. Однако, в ходе исследования данной тематики не было найдено схем с использованием вышеперечисленных компонент с питанием устройства до 4.2 В.
В ходе литературного обзора были выявлены подобные исследования, которые являются ближайшими аналогами рассматриваемой схемы, однако они работают с более высоким напряжением от 12 В и до нескольких киловольт [4,5].
Научная значимость работы заключается в исследовании и проектировании электрических схем отключения устройства, разработанных для систем с низковольтным питанием в диапазоне от 3.3 В до 4.2 В.
В предложенных схемах пользователю необходимо только запустить устройство с кнопки, а выключение устройства осуществляется по автоматической команде с микроконтроллера.
На рис. 1 представлена схема разрыва цепи с удержанием закрытого состояния цепи. В начальный момент времени, когда было подано питание, транзистор VT2
откроется из-за подтянутой базы к плюсу питания через резистор К1. Когда транзистор УТ2 откроется, он подтянет базу транзистора УТ1 к минусу питания, из-за чего транзистор УТ1 откроется. Когда на симистор Б1 придет сигнал разрыва, симистор перейдет в открытое состояние притянув базу транзистора УТ2 к минусу питания, из-за чего тот закроется. При закрытии транзистора УТ2 база транзистора УТ1 будет подтянута через резистор КЗ к плюсу питания, из-за чего транзистор УТ1 закроется. Симистор не перейдет в закрытое состояние до тех пор, пока не будет сброшено его питание через кнопку
Транзистор УТ1 выбирается исходя из мощности нагрузки, в данном случае мощность нагрузки Кп = 1.2 Вт, напряжение питания ип = 4.2 В, ток потребления 1п = 300 мА. Для обеспечения такого тока потребления при коэффициенте усиления к21 = 100 потребуется ток базы 1б = 3 мА. Так же необходимо поставить токоограничиваю-щий резистор R5 = ип / 1п = 1.4 кОм, так как не существует такого номинала, то для работы схемы был выбран резистор номиналом 1 кОм. Если пересчитать значения исходя из нового резистора, то получаем 1п тах = 420 мА. В случае транзистора УТ2 1п тах = 4.2 мА. К1, КЗ, К4 - подтягивающие резисторы номиналом 10 кОм. К2, Кб - токоограничи-вающие резисторы номиналом 330 Ом.
Транзисторы УТ1 и УТ2 можно легко заменить МОП-транзисторами, как это представлено на рис. 2 [7]. Эта схема предназначена для высокотоковых нагрузок. Транзистор УТ1 выбирается исходя из значения напряжения открытия - чем меньше оно будет, тем больше тока можно будет через него пропустить. Резисторами КЗ и К5 задаётся напряжение на затворе УТ1. Резисторами К1 и К2 задаётся напряжение на затворе УТ2, так же они являются токоограничивающими резисторами для симистора Б1. Так же необходимо обеспечить 41 мВ делителем напряжения КЗ и К5, К1 и К2 на затворах транзисторов.
В схемах, представленных на рис. 1 и 2, подтягивающие резисторы К1, КЗ и К4 должны быть порядка 10 кОм. Токоограничивающие резисторы К2, К5 и Кб должны рассчитываться из параметров транзисторов и симистора, а также должны быть намного меньше по номиналу, чем подтягивающие резисторы.
В схемах 1 и 2 есть общий недостаток - ток постоянно протекает через резисторы К1 и К2, даже если цепь нагрузки уже разорвана. Связано это с тем, что для разрыва цепи нагрузки необходимо закрыть транзистор УТ2, для этого его затвор (или база, если это биполярный транзистор) подтягивают через резистор К2 и симистор Б1 к минусу питания. Так образуется замкнутый контур, по которому протекает ток.
Ш1 [6].
Рис. 1. Электрическая схема отключения устройства с удержанием на биполярных транзисторах
На рис. 1 и 2 вместо симистора D1 можно поставить тиристор, т.к. он дешевле и надежнее. Так схемы с использованием тиристора и симистора являются взаимозаменяемыми. Однако, в практическом применении потребовалось использование схем с симистором по той причине, что в радиотехнических магазинах не было тиристоров, подходящих по характеристикам и размерам.
Для того чтобы ток перестал протекать через замкнутый контур, можно добавить плавкий предохранитель как это показано на рис. 3[8]. На данной схеме для разрыва цепи используется преднамеренное короткое замыкание, из-за которого предохранитель перегорает. При подключении питания ток потечет через предохранитель в нагрузку.
Транзисторы УТ1, УТ2 и УТ3 закрыты в момент подключения питания. При подаче сигнала на транзистор УТ3 он открывается, притягивая базу транзистора УТ2 к минусу питания. Это действие приведет к открытию транзистора УТ2, который в свою очередь подтянет затвор транзистора УТ1 к плюсу питания, таким образом транзистор УТ1 откроется и создаст короткое замыкание, которое выведет из строя предохранитель ¥~и1. Транзисторы выбираются исходя из мощности, необходимой для сгорания предохранителя в случае короткого замыкания.
УТ1
R4
__I__
Рис. 2. Электрическая схема отключения устройства с удержанием на МОП-
транзисторах
В ходе поиска оптимальной схемы был собран макет платы разрыва цепи для низковольтных устройств по схеме, представленной на рис. 3. Данная схема рассчитана на работу от одной Li-Ion батареи, в которой напряжение питание находится в диапазоне от 3.3 В до 4.2 В.
Рис. 3. Электрическая схема отключения устройства с предохранителем
528
Далее предлагается рассмотреть схему на рис. 4, данная схема коммутирует нагрузку и аккумуляторную батарею с помощью полевого р-канального транзистора. В момент запуска схемы транзисторы УТ1 и УТ2 находятся в закрытом состоянии. При нажатии на кнопку ББ1 открывается транзистор УТ2 и затем он открывает УТ1. При открытии УТ1 запускается микроконтроллер и он выставляет высокий уровень сигнала на базе транзистора УТ2. Когда нужно разорвать схему по внешнему сигналу, необходимо на базе транзистора выставить логический ноль, тем самым закроется УТ2, и следом за ним закроется VI I.
_ВыЬпЗ цепи нагрузки ВыБпй схеиы зарнЭки
5 Ы5В
Схемы эпряВки
Сигнал
Рис. 4. Электрическая схема отключения устройства с полевым транзистором
Для зарядки аккумуляторной батареи на схеме предусмотрено реле для коммутации схемы зарядки с аккумулятором в обход платы защиты. Реле активируется при подключенном ^В-кабеле, подключая схему зарядки и аккуммулятор, и разрывая цепь нагрузки.
Для обеспечения ключевового режима работы транзистора УТ1 выбираются его граничные условия работы. Так же в схему ставятся подтягивающие резисторы К2 номиналом 10 кОм и Я3 = 100 Ом, Я5 =10 кОм. Я1 и Я4 - токоограничивающие резисторы номиналом 470 Ом. Функция С1 заключается в фильтрации дребезга кнопки.
Схемы на рис. 3 и 4 различаются только тем, что в первой схеме необходимо менять сгоревший предохранитель, а во второй достаточно включить прибор заново - выбор схемы делается исходя из соответствующих соображений потребителя.
В ходе тестирования схем с транзисторами было выявлено, что силовые полевые транзисторы относительно быстро разрушаются от влияния постоянного тока. С течением времени увеличивается сопротивление перехода сток-исток [9]. Для решения этой проблемы предлагается заменить полевые транзисторы на те, которые способны работать на постоянном токе согласно разрешённой зоне работы транзистора - зависимость тока стока от напряжения сток-исток (рис. 5).
Для того, чтобы пропускать токи больше одного ампера, для исследования была выбрана следующая схема, представленная на рис. 6 [10]. Данная схема проста в изготовлении и содержит мало элементов.
1Ш0
е о
г □
Vds Drain-Source Voilage (V) Рис. 5. Разрешенная зона работы транзистора
SB1
ВыйаВ схемы заряЭкц
ВыЙоЭ цепи нагрузки
+У Батареи
К1
-Kl —«
Сигнал
Рис. 6. Схема защиты с реле
При подаче питания на схему реле разомкнуто. Питание на микроконтроллер и остальную нагрузку не идет. При нажатии на кнопку ББ1, подается питание на микроконтроллер с нагрузкой. Микроконтроллер после запуска выставляет логическую единицу на выводе СИГНАЛ из-за чего открывается транзистор УТ1 и активируется реле, соединяя схему зарядки с цепью нагрузки. После защелкивания реле кнопку 8Б1 можно отпустить. Для отключения питания, необходимо выставить логический ноль на цепи СИГНАЛ, после чего транзистор УТ1 закроется и реле разомкнется.
Данная схема отличается от схем с транзисторами тем, что разрыв цепи происходит механически. Так же стоит отметить недостатки данной схемы:
Время автономной работы устройства уменьшается, потому что идёт постоянное потребление тока управляющей обмоткой реле. Потребление тока реле варьирует от 20 мА до 100 мА в зависимости от типа реле;
Не каждое реле способно замкнуться от напряжения от 3.3 В до 4.2 В, поданного на управляющую обмотку;
При частом использовании реле нарастает вероятность отказа.
Численное моделирование схем происходило в программном пакете LTspice XVII. На рис. 7 представлена схема отключения питания, промоделированная в данном программном пакете. На схеме связка из источника питания V! и реле S1 имитируют симистр. Напряжение на VI линейно увеличивается от 0 до 3.3 В. Порог активации реле S1 задан на уровне 0.9 В.
V 2
Ф
Г зз
-VI-
33
.(к VI 0 33 0.01
' и ; Юк
"V/"
кз
LAлvHvьг
Юк
УЬ1
Ч"
Н4
' 100
УП ВСИ7В
, ч? юо
51
Уп
Рис. 7. Электрическая схема отключения устройства с удержанием на биполярных транзисторах
Рис. 8. Графики зависимости напряжений Ун, УЬ1, УЬ2 от напряжения на VI
На рис. 8 показаны графики зависимостей, характерных для работы схемы на рис. 7. Как видно, напряжение Vn (напряжение на нагрузке) не равно напряжению источника питания, следовательно, эта схема не подходит для коммутации данной нагрузки.
Следующая схема, представленная на рис. 9, собрана на основе предохранителя, роль которого выполняет резистор R1. Связка из источника питания VI и реле S1 имитируют подачу сигнала разрыва цепи.
Из графиков, представленных на рис. 10 для схемы из рис. 9, можно сделать вывод, что напряжение на нагрузке изменяется незначительно, следовательно, влияние схемы отключения минимально. Однако, для того, чтобы отключить питание, источник питания должен на короткое время выдать ток более 10А. Ток нагрузки для отображения на графике увеличен в 50 раз.
Рис. 9. Электрическая схема отключения устройства с предохранителем
Рис.10. Графики зависимости напряжений Ун, Vs и токов Шн, Шн
от напряжения на VI
Схема, представленная на рис. 11, выполнена на основе полевого транзистора. Связка из источников питания V1, V3 и реле S1 имитируют подачу сигнала разрыва цепи.
Л §
Ъ ГЧ
Й 5_ уп
Т11-
6
V*
)
3.3
К1 Шк
\1д
100
VII ВС547В
.(к VI 3.3 0 0.01 .ти1е1 МУ5И1 (Нои 1 НоН- 1Мод №
К4
ЛЛг-100
10м «г'юк
г
(Л
гН £
VI
Рис. 11. Электрическая схема отключения устройства с полевым транзистором
532
-330mA -ЗЮтА -270тА -243т А -21 ОтА -180тА -150тА -123т А
- ЭОтА
- 6 ОтА
- ЗОтА
- ОтА
Рис. 12. Графики зависимости напряжений Vn, Vb, Vg и тока нагрузки IRn
от напряжения на V1
Из графика зависимостей напряжений на рис. 12, относящегося к схеме на рис. 11, видно, что влияние на цепь питания данная схема оказывает минимальное. Однако в ходе натурных испытаний было выявлено, что полевой транзистор постепенно увеличивал свое сопротивление и из-за чего начал сильно влиять на цепь питания.
Заключение. В данной статье были рассмотрены некоторые варианты схемы отключения цепи протекания тока от источника питания до нагрузки. Схема на рис. 6 наиболее оптимальна для отключения питания, так как разрыв цепи происходит механически, имеет малое количество элементов и проста в изготовлении. В результате исследования оптимальная схема отключения будет испытываться на предприятии.
На рис. 3 работоспособность схемы зависит от самого предохранителя. В процессе тестов было выявлено, что не все предохранители способны перегореть от заданных значений аккумулятора. У некоторых предохранителей при разогреве увеличивается сопротивление, из-за этого напряжения одной Li-Ion батареи не хватает для разрыва цепи.
Схемы на рис. 2 и 4 в процессе тестирования начали влиять на питание устройства. Причиной этого влияния стала деградация транзисторов, что является следствием их неполного открытия.
Практическая значимость работы выражается в дальнейшей апробации оптимальной схемы отключения на предприятии и внедрении схем защиты низковольтных устройств на производственное оборудование.
Список литературы
1. Стоян В.Н. Повышение безопасности ведения работ проходческих участков угольных шахт обеспечением бесперебойности электроснабжения систем местного проветривания // Материалы конференции инновационные перспективы донбасса. 2015. С. 84-88.
2. Брейдо И.В., Сичкаренко А.В., Котов Е.С. Системы аварийного контроля технологической среды и режимов работы электрооборудования угольных шахт // Карагандинский государственный технический университет. 2013 г. С 191-197.
3. Доманов В.И., Шириев А.Р. Синтез многофункциональной схемы защиты // Вестник УлГТУ, 2/2013. С. 51-54.
4. Джаншиев С.И., Костин В.Н. Релейная защита и автоматика распределительной сети угольной шахты // Технические науки - от теории к практике. Сер.: 2014. №39. С. 52-62.
5. Бершадский И.А., Иохельсон З.М. искробезопасное электрооборудование рудничных электротехнических комплексов. Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2016. С. 294.
6. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Физматлит, 2008.
488 с.
7. Хоровиц П., Хилл У..Искусство схемотехники: пер. с англ. М.: Издательство «БИНОМ», 2014. 704 с.
8. Андроников Д. Плавкий предохранитель - элемент силовой электронной техники // Силовая электроника. 2007. № 1. С. 10-15.
9. Тягинов С.Э. Моделирование процессов деградации, вызываемых горячими носителями, в современных кремниевых транзисторах. Санкт-Петербург 2022. С. 159 -203.
10. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2017. 1100 с.
Малмыгин Ярослав Сергеевич, аспирант, научный сотрудник, yar.2@mail.ru, Россия, Иркутск, ИРНИТУ,
Гусева Алина Евгеньевна, аспирант, научный сотрудник, gusevaae@irk. ru, Россия, Иркутск, ИРНИТУ,
Гриднев Семён Олегович, канд. техн. наук, доцент, научный сотрудник, gridnevso@irk.ru, Россия, Иркутск, ИРНИТУ
DESIGN AND COMPARISON OF EMERGENCY SHUTDOWN SCHEMES OF LOW-VOLTAGE POWER SUPPLY FROM A LI-ION BATTERY
Ya.S. Malmygin, A.E. Guseva, S.O. Gridnev
The article discusses the schemes of automatic disconnection of the power supply circuit of low-voltage devices _ for their use in emergency power-off systems of equipment in coal mines. The purpose of this study is to design circuits _ for breaking the power supply circuit ^ from a Li-Ion battery when an external break signal_ from a methane gas analyzer arrives at it. As a result of the work, the optimal power-off scheme was determined, due to the peculiarities of the operation of electrical equipment in coal mines.
Key words: transistor, mosfet, fuse, thyristor, Li-ion battery, automatic power off.
Malmygin Yaroslav Sergeevich, postgraduate, researcher, yar.2@mail.ru, Russia, Irkutsk, INRTU,
Guseva Алина Евгеньевна, postgraduate, researcher, gusevaae@irk.ru, Russia, Irkutsk, INRTU,
Gridnev Semyon Olegovich, candidate of technical sciences, docent, researcher, gridnevso@irk.ru, Russia, Irkutsk, INRTU
