CC BY
4
Список использованной литературы:
1. Современные системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций / под. общ. ред. В.А. Пучкова / МЧС России. М.: ФКУ ЦСИ ГЗ МЧС России, 2013. - 352 с.
2. Актуальные проблемы мониторинга рисков чрезвычайных ситуаций: науч.-метод, конф., 11 окт. 2006 г.: сб. материалов / Акад. гражд. защиты МЧС России. - Химки, 2007. - 152 с.: ил.
3. Резников, В. М. Повышение эффективности дистанционного мониторинга в снижении рисков чрезвычайных ситуаций / В. М. Резников // Технологии гражданской безопасности. - 2008. - № 1-2. - С. 61-67. - Библиогр.: с. 67.
4. Рейхов, Ю. Н. Организация мониторинга, прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их последствий / Ю. Н. Рейхов // Оперативное управление мероприятиями РСЧС. - М., 2004. - Кн. 1. - С. 269-282.
© Скоробогатая А.С., Овчинников В.В., Курбатов М.Ю., 2022
УДК 621.3.031.8
Хабузов В.А.
Канд. техн. наук.
Гарютин И.А.
ст. преподаватель СПбГУАП
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ» ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА АКБ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ НА МИКРОСХЕМАХ СЕМЕЙСТВА INNOSWITCH-3 КОМПАНИИ
POWER INTEGRATIONS
Аннотация
Обеспечение качественного заряда АКБ является сложной и актуальной задачей. В статье рассматриваются способы решения этой задачи с использованием специализированных интегральных микросхем фирмы PI. Также на основе полученных результатов предлагается практическое схемотехническое решение.
Ключевые слова
Вольт-амперная характеристика, резервное питание, интеллектуальны зарядные устройства.
Многие виды электронной техники требуют наличия в своем составе устройств резервного питания с использованием АКБ. Эксплуатационные характеристики и надежность устройств гарантийного питания находятся в прямой взаимосвязи с качеством режима заряда и поддержания в заряженном состоянии АКБ. В силу своей простоты и лаконичности популярно схемотехническое решение с использованием токоограничивающего резистора, обратного диода и зарядного источника напряжения с установленным значением выходного напряжения соответствующего значению максимального допустимого для АКБ в конце цикла заряда. Постоянное присутствие на клеммах полностью заряженного АКБ значения соответствующего максимально допустимому напряжению зарядного режима обеспечивает, с одной стороны, гарантию поддержания АКБ в состоянии соответствующему полному заряду но, с другой стороны, ускоряет процесс деградации электродной группы и приводит к быстрому снижению ёмкости АКБ в процессе эксплуатации. Выбор значения напряжения зарядного источника ниже значения соответствующего максимально допустимому для АКБ приводит к его хроническому недозаряду, снижению времени автономной работы системы резервного питания и также отрицательно сказывается
на долговечности АКБ в следствии повышения скорости сульфатации пластин. Существующие специализированные адаптивные зарядные устройства сложны, требуют существенных аппаратных затрат, тщательной настройки, как правило, предназначены для работы с конкретными типономиналами АКБ конкретных производителей, что накладывает ограничения на их взаимозаменяемость при эксплуатации.
Некоторые особенности построения микросхем питания нового семейства InnoSwitch-3 компании Р1 позволяют по новому, экономично и надежно решать указанную проблему. Кроме других достоинств семейство InnoSwitch-3 содержит встроенные функции поддержки режима стабилизации выходного тока и функции формирования режима отрицательного выходного сопротивления источника в режиме стабилизации напряжения. При возрастании выходного тока источника пропорционально на заданную величину повышается значение его выходного напряжения. Основное назначение данного режима -компенсация омических потерь на длинных выходных проводниках источника выполненного в виде выносного адаптера. Т.е обеспечивается возможность без дополнительных аппаратных затрат получать т.н. восходящую вольт-амперную выходную характеристику (ВАХ) источника на участке стабилизации напряжения. Уровень компенсации задается на этапе изготовления микросхем, обозначается в маркировке изделия и указывается при заказе в виде дополнительного индекса. Для работы с широко распространенными свинцовыми АКБ 12,6 В интересны микросхемы InnoSw¡tch-3 с индексом Н102 обеспечивающие уровень компенсации +7,6%. При указанном значении компенсации для полностью заряженного аккумулятора с током в цепи заряда определяемым лишь токами поддержания для компенсации токов утечек и в целом близких к нулевым, значение напряжения зарядного источника составит оптимальные 12,8 ... 13,0 В. При токе заряда равного максимальному заданному, напряжение зарядного источника повысится и будет иметь значение 13,8 ... 14 В, что обеспечивает быстрый полноценный заряд АКБ без риска его перезаряда с последующим автоматическим плавным уходом в область поддержания заряда.
Работа системы источник-АКБ реализующей указанный саморегулирующийся механизм зарядного цикла проиллюстрирован на рисунке 1.
I з.тах
Рисунок 1 - Траектория изменения параметров рабочей точки источника в процессе заряда АКБ
Ниже в качестве примера приведена схема преобразовательной части (без стандартных цепей входного выпрямителя и фильтра) зарядного источника AC/DC 15 Вт для свинцовой АКБ номинальным напряжением 12,6 Вольт, ёмкостью от 2 до 12 А/час на микросхеме INN3164C-H102.
DJ 2M002 jpg
Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная преобразовательной части интеллектуального зарядного устройства на микросхеме INN3164C-H102.
Микросхема INN3164C-H102 компании Power Integrations реализует все необходимые функции источника с гальваническим разделением сетей (встроенная высоковольтная опторазвязка) выполненного по схеме обратноходового преобразователя с поддержкой функции синхронного выходного выпрямителя (для удешевления устройства МОП ключ VT1 может быть заменен диодом). Максимальный ток заряда АКБ устанавливается выбором значения датчика тока R8 (значение 0, 028 Ом соответствует току 1,2 А). Точная настройка значения напряжения поддержания устанавливается подстроечным резистором R40. Источник, кроме функции заряда АКБ, позволяет использовать его как обычный источник питания нагрузки с током потребления соизмеримым с током заряда аккумулятора (выводы GND, UCC +13 V). При этом надо иметь в виду, что выходное напряжение источника может колебаться в зависимости от состояния АКБ в больших, чем у обычного стабилизированного источника питания пределах (типовое значение 11,5 ... 13,4 В). При необходимости более высоких значений стабильности выходного напряжения источника, а также дополнительной защиты цепей нагрузки от токов короткого замыкания на выходе источника, вместо блокирующего диода D7 может быть применён линейный трёхвыводной стабилизатор напряжения с низким значением падения напряжения.
На рисунке 3 представлены эпюры значений тока и напряжения АКБ для различных этапов цикла разряд-заряд обеспечиваемых источником выполненным по схеме Рис. 2 и используемом в составе устройства тревожной сигнализации. Эпюры сняты при следующих исходных условиях:
- Паспортные значения параметров АКБ: номинальная ёмкость 2,2 A/час., номинальное напряжение 12,6 В, номинальный рекомендуемый изготовителем ток заряда I з.ном. = 0,67 А, максимально допустимое напряжение на клеммах АКБ 14,5 В.
- Пиковый ток разряда АКБ в режиме «Тревога» 3 А.
- Установленное значение тока заряда АКБ на выходах источника +ACU. -ACU 1,5* I з.ном. = 1,0 А (обеспечивается при значении сопротивления токозадающего резистора R8 0.033 Ом).
- Максимальное значение напряжения генерируемого источником на клеммах АКБ в режиме заряда
14 В.
- Установленное значение напряжения поддерживаемое источником на клеммах полностью заряженного АКБ 12,9 В (устанавливается переменным резистором R40 Рис.2).
Разряд Заряд Доза ряд Поддержка
ИтОпОЛОЛОЛОИОЙОАйМОЮСиАОЛОАОЛОНОЛйЙВ!')
■J'JdmnNHHOOmOlffllBNNgJiOin^"} i ff М N
Время цикла, сек.
Рисунок 3 - Типовая циклограмма процесса разряд-заряд свинцовой кислотной АКБ «интеллектуальным» зарядным устройством выполненном на базе микросхем семейства InnoSwitch-3 компании Power Integrations со встроенной функцией компенсации паразитного сопротивления
токоподводящих цепи нагрузки
Описываемый «интеллектуальный» зарядный источник автоматически, естественным путем, без привлечения дополнительных аппаратных средств, за счет внутренних особенностей построения цепей обратной связи микросхемы управления обеспечивает зарядный цикл АКБ состоящий из трёх участков. После окончания цикла разряда источник переходит к этапу заряда АКБ в режиме стабилизации тока. Выполнение условия стабильного тока заряда, при одновременном контроле и ограничении значения напряжения на клеммах АКБ в пределах допустимых значений, позволяет без снижения долговечности АКБ устанавливать зарядный ток в 1,3 .... 1,5 раза выше номинального и осуществлять ускоренный режим восстановления заряда АКБ. Ускоренный режим заряда позволяет быстро восстановить заряд АКБ до практически значимого для резервных источников питания уровня 0,7 ... 0,9, однако полной зарядки ускоренный режим не обеспечивает. Для полного заряда АКБ необходим режим дозарядки малым током. Режим дозарядки в рассматриваемом устройстве обеспечивается за счет наличия в ВАХ источника участка стабилизации напряжения с отрицательным значением выходного сопротивления (функция компенсации паразитного сопротивления цепей нагрузки). Наличие участка отрицательного выходного сопротивления приводит к переходу системы источник-АКБ к низкочастотному автоколебательному режиму с частотой колебаний лежащей, как правило, в пределах 0,02 ... 0,2 Гц и с плавно увеличивающейся скважностью по мере дозаряда АКБ. Средние значения тока дозаряда и напряжения на клеммах АКБ при этом плавно снижаются. При полном заряде АКБ и снижении уровня напряжения до заданного для режима поддержания заряда АКБ цикл заряда заканчивается, система источник-АКБ переходит в режим поддержания заряда. В режиме поддержания заряда на клеммах АКБ поддерживается оптимальный для сохранения долговременного ресурса АКБ уровень напряжения и обеспечивается ток компенсации саморазряда АКБ.
Также следует отметить, что приведённый выше механизм перехода системы источник - АКБ в автоколебательный режим на стадиях дозаряда и поддержания заряда позволяет дополнительно
достаточно простым образом в режиме real-time получать информацию о текущем состоянии и степени деградации АКБ. Частота и скважность возникающих колебаний прямо коррлерированы со значением внутреннего сопротивления АКБ являющегося основным параметром определяющим его работоспособность и пригодность к дальнейшей эксплуатации.
Таким образом, используя особенности формы выходной вольт-амперной характеристики, а именно наличие восходящего участка стабилизации напряжения с отрицательным значением выходного эквивалентного сопротивления формируемого некоторыми типами микросхем управления импульсных источников питания серийно производимых компанией Power Electronics, возможно построение высококачественных и при этом простых и надёжных зарядных источников обеспечивающих повышенную функциональную надежность систем резервного питания. Кроме кислотных свинцовых АКБ рассмотренные принципы построения системы источник-аккумулятор применимы и для других электрохимических пар, в том числе для литий-ионных АКБ.
© Хабузов В.А., Гарютин И.А., 2022
