Резервное питание на. Эффективный источник питания с батареей резервного электропитания

  • Электроника для начинающих

    • Пролог

    В была рассмотрена постановка задачи на разработку маломощного резервного источника питания на мощность 60 Вт с синусом на выходе для циркуляционного насоса системы отопления. Была выбрана концепция реализации данного устройства. В этой статье пойдет речь о разработке электрической схемы устройства, с необходимыми расчетами для выбора номиналов компонентов, входящие в состав устройства.

    Вооружившись САПРами и учебниками черновиками, карандашом и GOOGLE приступим к проектированию. Начнем с простого – система питания устройства.

    Организация питания

    Для питания элементов схемы нам понадобится три типа шины постоянного напряжения в 12, 5 и 3,3 Вольта.

    Двенадцати вольтная шина – основная. Она является питанием моста, осуществляющего закачку тока в низковольтную обмотку линейного сетевого трансформатора. С нее же питаем драйвера транзисторов, входящих в мост. Коммутирующие сеть реле тоже будут питаться с данной шины.

    Пяти вольтная шина необходима для питания токовой микросхемы ACS712, микросхемы логики, символьного ЖКИ и т.д.

    Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.

    Лирическое отступление

    Для наглядности куски схемы рисовались в Proteuse v 7.7. В его библиотеках есть не все использованные компоненты, так что некоторые компоненты заменены на аналоги. Окончательная, полная схема будет в формате САПРа Dip Trace. Со всеми утвержденными компонентами. Но это уже в следующей статье.


    Родилась вот такая схема:

    Картинка кликабельна.

    Формирователи шины 5 и 3,3 Вольта организованы на 1 % LDO стабилизаторах типа NCP1117STхх. Аналоговое питание модуля АЦП берется с шины 3,3 Вольта через индуктивность, сглаживающие и блокировочные конденсаторы. Аналоговую землю тоже стоило бы разделить. Но в данной схеме этого нет, так как измерения не критичные, и погрешность в пару разрядов не приведет к «расстройству» устройства. Применим программный фильтр – скользящее среднее и может даже погрешности в один разряд добьёмся.

    Измерение тока и защита от перегрузки

    Датчик тока ACS712ELCTR-05B-T представляет собой интегральную микросхему. Детектирование тока происходит на эффекте Холла. Данный датчик позволяет МК измерять как прямой, так и обратный ток. С остальными характеристиками можно ознакомиться из его pdf . Выход датчика аналоговый. Средняя точка, соответствующая нулевому току = 2,5 В. Усиление 185мВ на 1 Ампер. Хотя датчик регистрирует и большие токи, только линейность искажается, и при определенном токе входит в насыщение. Так что для согласования выхода датчика с МК, поставим делитель напряжения. И поделим шкалу пополам. Разрядности АЦП МК хватит для приемлемой точности.

    Для быстродействующей защиты от перегрузки или короткого замыкания в низковольтной обмотке линейного трансформатора, установим токовый шунт. Сигнал с шунта усилим на ОУ и на компараторе соберем схему сравнения с защелкой. Данные о перегрузке будем загонять в МК, а также по этому сигналу будем закрывать ВСЕ ключи моста.

    Небольшое видео, симуляции работы токовой защиты, представлено ниже.

    Силовая часть

    Силовая часть РИПа представлена на рисунке.


    Картинка кликабельна.

    Мост транзисторов «опирается» на токовый шунт, для обеспечения быстродействующей защиты. Выход моста через LC фильтр, рассчитанный на частоту среза в ~ 1 кГц, подается на низковольтную обмотку трансформатора. О фильтре и трансформаторе стоит поговорить более подробно.

    Расчет фильтра производился в программе «Калькулятор РЛ» ссылку на так называемый офф. сайт уже не найду. Поэтому архив с калькулятором выложил сюда . Вот скрин расчета.

    Полученная индуктивность в 10 миллигенри довольна внушительна. Но и емкость получилась приличная. Так как у нас на выходе с фильтра переменка, то полярным конденсатором не обойдешься. В схему заложил два керамических конденсатора в параллель - 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).

    Расчет дросселя по полученным данным производил в программе Coil32. Вот ссылка на архив с программой. Ферритовое кольцо для такого дросселя выбрал со следующими параметрами: Кольцо N87 R25x15x10. Вот скрин расчета в программе.

    Получилось 70 витков провода диаметром 1 мм, для обеспечения нужной индуктивности. Вполне приемлемо для ручной намотки.

    Выбор трансформатора пал на тороидальный трансформатор типа ТТП-60, со вторичным напряжение в 9 Вольт. Расчет прост. Переменное напряжение в 9 Вольт дает в амплитуде 12,7 Вольт. Напряжение заряженного АКБ порядка 13 Вольт. Так что сможем более менее на выходе получить 220 вольт. Для заряда АКБ конечно маловато. Поэтому есть предложение, домотать вторичку витков на 5-6. То есть получилась низковольтная обмотка с отводом. С крайних выводов обмотки снимаем повышенное напряжение для заряда АКБ, во время работы от сети. А на крайний и средний вывод подаем напряжение с моста, когда работаем от АКБ. По напряжению, снимаемому с крайних выводов обмотки, судим о напряжении в высоковольтной обмотке во время работы от АКБ, обратная связь для регулировки.

    Транзисторы моста управляются от МК через драйверы полумостов IRS2101S. Управление верхними ключами осуществляется по бутстрепной схеме. Управление P-канальным зарядным транзистором осуществляется обычным биполярником. Сглаживающий зарядный дроссель имеет те же габариты и расчетные величины, что и дроссель в LC фильтре после моста.

    Детектирование наличия сети и коммутация

    Для детектирование сети применятся конденсаторная схема питания. Напряжение заводится на оптопару. Выход оптопары загоняем в МК для контроля наличия сети. Схема показана ниже.


    Картинка кликабельна.

    Сетевое напряжение через гасящий конденсатор, диоды, стабилитрон, сглаживающие конденсаторы, токоограничивающий резистор подается на светодиод оптопары. Выход идет в МК.

    Управление реле, коммутирующие сеть на нагрузку, осуществляется от МК.

    Токовая защита реализована на ОУ и компараторе. Выход компаратора расходится на два транзистора. Один для ввода сигнала в МК, второй для закрывания всех транзисторов моста.

    На рисунке ниже представлены схемы включения драйверов для моста.


    Картинка кликабельна.

    Все типовое, согласно даташиту на драйвер IRS2101S.

    Схема формирование импульсов моста

    Чтоб не нагружать МК бесполезной работой, формирование сигналов импульсов моста собрано на логике И. От МК требуется три сигнала. Один синусоидальный ШИМ за период, а также два дискретных сигнала, первая полуволна и вторая. Реализация такого подхода изображена на рисунке.


    Картинка кликабельна.

    Перегрузка по току, заведена в МК и продублирована светодиодом. Управление зарядным P-канальным транзистором организованно на биполярном NPN транзисторе.

    Логика работы моста будет заключаться в следующем. 20 кГц ШИМ будет модулироваться таблицей синуса в количестве 400 значений. Передача значений в регистр ШИМ будет организованна через ДМА. После загрузки половины буфера, то есть 200 значений, одного полупериода, ДМА вызовет прерывание, где сигналы MCU_P_1 и MCU_P_2 будут взаимно инвертироваться. После загрузки всего буфера, в прерывании от ДМА будет происходить обратное инвертирование сигналов MCU_P_1 и MCU_P_2. И далее в циклическом режиме. Постоянный уровень полуволны, будет подаваться на верхний транзистор плеча, а синусоидальный ШИМ на нижний ключ противоположного плеча. Следующий полупериод – это другая пара транзисторов.

    Во время перегрузки по току, NPN транзистор Q7 обеспечит на входе логики низкий уровень, что в свою очередь приведет к низкому уровню на выходе логике и как следствие – запиранию ВСЕХ транзисторов моста.

    Аппаратная платформа

    Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.

    Как уже упоминалось выше, МК будет от ST семейства STM32. Чем обуславливается такой выбор?
    • МК имеет невысокую стоимость. Аналоги по возможностям от ATMEL или PIC имеют даже более высокие цены, при разрядности в 8 бит.
    • Наличие на борту 12 битного АЦП, ЦАП, контроллера ДМА.
    • 32 бит разрядность ядра.
    • Увеличенную емкость память программ и данных.
    Одним словом выигрывает по многим позициям.

    Для индикации работы устройства и вывода необходимых данных в схеме будет использоваться знакосинтезирующий ЖКИ с управляющим контролером KS0066 (HD44780). Библиотек для работы с таким дисплеем в рунете полно.

    Схема подключения дисплея к контроллеру выглядит следующим образом.


    Картинка кликабельна.

    Подключение происходит напрямую. Порты МК непосредственно подключены к дисплею. Сопряжение 3 вольтовой и 5 вольтовой логики не производилось. Здесь возможно появятся проблемы, и придется выводы МК настроить как выходы с открытым коллектором, и подтянуть линии к 5 вольтам, а сами выходы МК использовать толерантные к 5 вольтам. Как говорится жизнь покажет, но при разработке печатной платы, необходимо заложить данный «апдейт».

    Пользовательские кнопки необходимы для организации навигации по меню и параметрам, отображаемым на дисплее.

    Дополнительные расчеты

    Для расчета бутстрепного конденсатора воспользуемся методом, предложенным в данной статье . В конце описания есть пример расчета необходимой емкости бутстрепного конденсатора. Возьмем его за основу и пересчитаем для наших реалий.

    Определимся с параметрами схемы:

    • V IN,MAX = 15V максимальное входное напряжение,
    • V DRV = 12V напряжения питания драйвера и амплитуда управляющего сигнала,
    • dV BST = 0.5V пульсация напряжения на конденсаторе C BST в установившемся режиме,
    • dV BST,MAX = 3V максимальное падение напряжения на C BST перед тем как сработает схема защиты от пониженного напряжения или амплитуда управляющего сигнала станет недостаточной,
    • f DRV = 100 Hz частота преобразования, так как наш конденсатор работает в промежутке 10 мс,
    • D MAX = 1 максимальный коэффициент заполнения при минимальном входном напряжении.
    Характеристики применяемых компонентов:
    • Q G = 24 nC общий заряд переключения IRLZ44ZS при V DRV = 5V и V DS = 44V,
    • R GS = 10К величина резистора R GS ,
    • I R = 10uA ток утечки диода D BST при максимальном входном напряжении и температуре его перехода TJ = 80°C,
    • V F = 0.6V падение напряжения на диоде D BST при токе 0.1A и температуре перехода TJ = 80°C,
    • I LK = 0.13mA ток утечки схемы сдвига уровня при максимальном входном напряжении и температуре кристалла TJ = 100°C,
    • I QBS = 1mA ток, потребляемый драйвером верхнего уровня.

    Рассчитанное значение подберем из стандартного ряда. Тип конденсатора возьмем танталовый, для уменьшения тока утечки самого конденсатора. Итого получается 47 мкФ x 25 В, тип D.

    Рассчитаем ток заряда конденсатора, тем самым подберем диод.

    Так что диод рассчитанный на прямой ток в 1 А, справится с этой задачей.

    Заключение

    В этой статье разработали электрическую схему РИПа. Теперь все куски схемы соберем воедино. И на основе уже утвержденной схемы разработаем топологию печатной платы. Разводку печатной платы и обобщенную электрическую схему со спецификацией по компонентам представлю в следующей статье.

    Программную реализацию функционала устройства распишу в отдельной статье. Есть задумка реализовать в программе много интересных решений, например, ПИД регулирование выходного напряжения при работе от АКБ.

    Эпилог

    Этой статьей, хотел вынести на суд общественности и опытных радиолюбителей и не любителей тоже, схематические решения. Быть может, внимательный читатель найдет какие-либо критические ошибки в схемотехники или предложит более правильное исполнение отдельных узлов. Найдется какое-нибудь более простое решение узлов или для повышения надежности внести дополнительные схемотехнические решения.

    Принципиальная схема устройства автоматического переключения, показанная здесь, построена на интегральной микросхеме LTC4412 от Linear Technologies. Эта схема может быть использована для автоматического переключения нагрузки между батареей и сетевым адаптером (блоком питания). Микросхема LTC4412 управляет внешним P-канальным MOSFET транзистором, чтобы создать подобие диода Шоттки, функционируещего как выключатель питания для распределения нагрузки. Это делает LT4412 идеальной заменой в источниках питания. Широкий спектр МОП полевых транзисторов может управляться с помощью интегральной микросхемы, и это дает большую гибкость в плане выбора тока нагрузки.

    Принципиальная схема переключателя питания

    LT4412 также имеет кучу хороших функций, таких как защита аккумулятора от переплюсовки, ручное управление, защита затвора в транзисторе и другие. Собственный ток потребления схемы составляет всего 11 мкA. Диод D1 предотвращает обратное протекание тока к сетевому адаптеру, когда нет питающей сети. Конденсатор С1 – конденсатор выходного фильтра. Вывод 4 интегральной микросхемы называется выводом состояния. Некоторых функций микросхемы не показано на схеме.

    Транзистор FDN306P не рекомендуется при использовании брать руками, полевые транзисторы очень часто выходят из строя именно по причине статического напряжения, которое есть на теле каждого человека. При пайке его на печатную плату было бы не плохо заземлить себя специальном браслетом, и заземлить сам паяльник, но если используете паяльную станцию, этого делать не надо. Основные параметры полевого транзистора таковы (из даташита):

    Рабочая температура транзистора составляет от -55 до +150 градусов Цельсия. Рабочая температуры микросхемы от -40 до +80, температура при пайке составляет 300 градусов, в течении не более 10 секунд. Распиновку выводов можно увидеть в даташите по ссылке выше или на картинке.

    • 1) Схему собирайте на печатной плате высокого качества;
    • 2) Входное напряжение адаптера может быть от 3 до 28В;
    • 3) Напряжение батареи может лежать в пределах от 2.5V к 28V;
    • 4) Не подключайте нагрузку, которая потребляют более 2А;
    • 5) D1 (1N5819) -диод Шоттки, ращитаный на 1А;
    • 6) Q1 (FDN306P) – P-канальный MOSFET транзистор.

    Применение данной схемы – различные источники резервного питания, где нужна экономичность и стабильность.

    Могла сработать только тогда, когда пропадало напряжение основного источника, от понижение или повышения напряжения защитить нагрузку не могло. В новом варианте устройства были исправлены эти недочёты, а именно:

    1. Устройство не переключит нагрузку на резервный источник питания при наличии даже пониженного напряжения основного источника.

      2. Устройство не способно работать при напряжении менее 6-ти вольт.

      Устройство не защитит нагрузку при повышении напряжения сверх допустимой величины.

    Новый вариант устройства обладает значительно улучшенными характеристиками.

      Способно работать при входном напряжении основного источника от 6 до 15 в.

      Защита нагрузки от пониженного или повышенного напряжения. Для контроля напряжения основного источника используются два компаратора. При отключении основного источника напряжения, работа устройства аналогична его предыдущей версии.

      Ток потребляемый нагрузкой ограничен только максимальным током, который могут выдержать контакты применяемого электромагнитного реле.

    Питается устройство от резервного источника питания на 12 в и потребляет ток около 100 ма, в случае если напряжение основного источника меньше 12-ти вольт, нужно применить стабилизатор и включить его в разрыв показанный на схеме, а также установить пороги срабатывания защиты построечными резисторами.

    Работа устройства

    Напряжение основного источника поступает на резисторы R6 и R12 с которых напряжение поступает на входы компараторов, где сравнивается с напряжением поступающим со стабилизатора VR1. Отдельный стабилизатор VR1 применён для того, чтобы при изменении величины напряжения резервного источника питания не менялись пороги срабатывания защиты. Кратко опишу для чего предназначены эти подстроечные резисторы. Резистор R12 отвечает за срабатывание защиты при падении напряжения ниже минимального порога, который этим резистором выставляется. В моём случае этот порог 10.5 вольт и для того, чтобы его выставить, нужно при входном напряжении 10.5 вольт с помощью этого резистора выставить на выводе 7 компаратора напряжение 1.3в, что ниже порога срабатывания компаратора, так как на 6 ноге микросхемы напряжение 1.65 вольта, сразу же сработает защита. Резистор R6 отвечает за срабатывание защиты в случае критического повышения напряжения основного источника. В моём случае величина максимального напряжения установлена на уровне 13 вольт. При этом напряжении резистором R6 необходимо выставить на 5-й ноге микросхемы напряжение 4 вольта, что приведёт к срабатыванию защиты и переключению нагрузки на резервный источник. Благодаря этим резисторам защита срабатывает при понижении напряжения до 10.5 вольт, или повышении до 13.

    Самой интересной частью схемы является узел собранный на микросхемах DD1 и DD2. Он собственно и является схемой защиты. Два входа этого узла подключены к компараторам, но для того, чтобы на выводе 8 микросхемы DD1 появился уровень логической 1 и сработала защита должны быть созданы определённые условия. Данный узел интересен ещё и тем, что логическая единица на выходе 8 DD1.1 появится при наличии одинаковых логических состояний на входах, либо два 0 , либо две 1. Если на одном входе будет 1, а на другом 0, то защита не сработает.

    Работает схема защиты следующим образом. При нормальном входном напряжении основного источника работает только компаратор DA1.2, так как напряжение выше минимального порога отключения и следовательно открытый выходной транзистора компаратора DA1.2 замыкает выводы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что аналогично состоянию логического 0, а на входах 1 и 2 элемента DD2.3 действует напряжение около 4.5 - 5 вольт, что аналогично состоянию логической 1, так как напряжение не достигает 13 вольт и компаратор DA1.1 не работает. При таком условии защита не сработает. При повышении напряжения основного источника до 13 вольт начинает работать компаратор DA1.1, открывается выходной транзистор и замыкая входы 1 и 2 DD2.3 на массу принудительно создаёт уровень логического 0, тем самым на обоих входах принудительно появляется уровень логического 0 и срабатывает защита. Если напряжение упало ниже минимального порога, то напряжение подводимое к 7-й ноге компаратора падает до уровня ниже 1.65 вольта, выходной транзистор закроется и перестанет замыкать входы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что приведёт к установлению на входах 4 и 5 напряжения 4.5 - 5 вольт(уровень 1). Поскольку DA1.1 уже не работает и DA1.2перестал, то создаётся условие при котором уровень логической единицы появится на обоих входах узла защиты и она сработает. Подробнее работа узла показана в таблице. В таблице показаны логические состояния на всех выводах микросхем.

    Таблица логических состояний элементов узла.

    Налаживание устройства

    Правильно собранное устройство требует минимальной наладки, а именно установки порогов срабатывания защиты. Для этого необходимо вместо основного источника напряжения подключить к устройству регулируемый блок питания и с помощью подстроечных резисторов выставить пороги срабатывания защиты.

    Внешний вид устройства

    Расположение деталей на плате устройства.

    Список радиоэлементов

    Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
    DD1, DD2 Логическая ИС

    К155ЛА3

    		2 В блокнот
    DA1 Компаратор

    LM339-N

    		1 В блокнот
    VR1, VR2 Линейный регулятор

    LM7805

    		2 В блокнот
    VT1 Биполярный транзистор

    КТ819А

    		1 В блокнот
    Rel 1 Реле RTE24012 1 В блокнот
    R1 Резистор

    3.3 кОм

    		1 В блокнот
    R2, R3 Резистор

    1 кОм

    		2

    И так - как-то в одно время потихоньку на нашем предприятии (фирма очень бедная: как и большинство ТЕПЛОЕНЕРГО в Украине) начали выходить из строя, т.е. выгорать "по горячей стороне" импульсные БП которые в последствии были заменены.
    Пришлось сообразить, т.е. сделать 6шт. источников питания для питания некоторых приборов (имеют отношение к метрологии, КИПиА).
    Требования к ним были такими:
    1) стабилизированное питание датчика - 20:28В/0.1А
    2) стабилизированное питание самого прибора - 10:14В/0.2А
    3) гальваническая развязка между каналами питания
    4) резервное питание прибора (датчика нет) от АКБ 12В (дальше перечислять не буду)
    Решил велосипед не изобретать, а использовать уже наработанные схемные решения, тем более надо было, чтоб получилось дешево и качественно. Да и как то сильно не заморачивался с выбором схемотехники - в голове сами по себе вырисовывались примеры реализации БП.
    Ну вот и вся история а теперь - к делу.
    Схема устройства:

    Как видно из схемы, БП состоит из двух независимых каналов 24В и 12В построенных на "кренках". По 12В к LM7812 установлен диод VD5, что поднимает напряжение до 12.7В для компенсации падения на VD12. Больше по стабилизаторам нечего сказать, так как это общеизвестная схемотехника и описана в любом справочнике и конечно, все это есть в "Обучалке".
    Для обеспечения бесперебойного питания используется аккумуляторная батарея (в моем случае - это "GEMBIRD 12V4.5A").
    Схема, показанная на рисунке, исключает повреждение аккумуляторов из-за получения ими избыточного заряда. Она автоматически отключает процесс заряда при повышении напряжения на элементах выше допустимой величины и состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT3, усилителя VT2, детектора уровня напряжения на VT1 .
    Индикатором процесса заряда является свечение светодиода VD4, который при его окончании гаснет.
    Настройку устройства начинаем со стабилизатора тока. Для этого временно замыкаем вывод базы транзистора VT3 на общий провод, а вместо аккумуляторов подключаем эквивалентную нагрузку с миллиамперметром 0...500 мА. Контролируя прибором ток в нагрузке, подбором резистора R3 устанавливаем номинальный ток заряда для конкретного типа аккумуляторов.
    Вторым этапом настройки является установка уровня ограничения выходного напряжения с помощью подстроечного резистора R4. Для этого, контролируя напряжение на нагрузке, увеличиваем сопротивление нагрузки до момента появления максимально допустимого напряжения (13.8 В для АКБ 12В/4.5А). Резистором R5 добиваемся отключения тока в нагрузке (погаснет светодиод).
    Трансформатор подойдет любой малогабаритный с напряжением на вторичных обмотках 15...18 В; для 24В-го канала - 25..28В.
    Транзистор VT3 крепится к теплорассеивающей пластине. Для удобства настройки в качестве R4 желательно использовать многооборотный резистор типа СП5-2 или аналогичный, остальные резисторы подойдут любого типа.
    Для осуществления резервного питания по 12В от АКБ используются цепи схемы на элементах VD7, VT4, VT5 и реле (импортное 12В) с одной группой контактов переключения. При наличии сетевого питания а значит и +U на конденсаторах С4, С5 , транзистор VT4 открыт и реле обесточено, через замкнутые контакты происходит заряд АКБ. При пропадании напряжения в сети, транзистор VT4 закрывается - VT5 открывается и срабатывает реле - своими контактами подключая "+" АКБ через VD11 к нагрузке.
    Теперь немного об использованных деталях:
    - диоды - любые..исходя из токов и напряжений, я применил самые дешевые импортные 1N4007;
    - транзисторы VT1, VT2, VT4 - КТ3102, можно КТ315 или импортные аналоги.
    - транзистор VT3 можно применить КТ814 или КТ816 - зависит от емкости АКБ и тока которым будет заряжаться;

    Теперь немного в фотографиях - процесс изготовления:

    Печатная плата. Впаял "релюху" - потом вспомнил, что надо для истории сфотографировать. Дорожки не залуживал, т.к. сам текстолит оказался плохого качества - отслаивались дорожки даже при мин. температуре паяльника. После пайки покрыл всю плату лаком.

    Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
    При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к источнику питания, напряжение которого выше остальных. Обычно в цепях постоянного тока для разделения питающих цепей используют полупроводниковые диоды. Эти диоды препятствуют влиянию одного источника питания на другой. В то же время на этих диодах нерационально расходуется некоторая доля энергии источника питания. В этой связи в схемах резервирования стоит использовать диоды с минимальным падением напряжения на переходе. Обычно это германиевые диоды.
    В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания). В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
    Самые простые и очевидные схемы резервирования источников постоянного тока показаны на рис. 10.1 и 10.2. Подобным образом можно подключить неограниченное количество источников питания к ответственному радиоэлектронному оборудованию.
    Схема резервирования источников питания (рис. 10.2) отличается тем, что роль диодов, разделяющих источники питания, выполняют светодиоды. Свечение светодиода индицирует задействованный источник питания (обычно имеющий более высокое напряжение). Недостатком подобного схемного решения является то, что максимальный ток, потребляемый нагрузкой, невелик и непревышает максимально допустимого прямого тока через свето-диод.

    Рис. 10.1. Основная схема резервирования источников питания

    Рис. 10.2. Схема резервирования источников питания с использованием светодиодов

    Рис. 10.3. Схема резервирования источника питания охранного устройства

    Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
    Схема авторезервирования источника питания для ответственного оборудования - охранного устройства - приведена на рис. 10.3. На схеме условно показан основной - сетевой источник питания. На его выходе - нагрузке RH и конденсаторе С2 - формируется стабильное напряжение 12 6 или более! Батарея резервного питания GB1 подключена к сопротивлению нагрузки через цепочку диодов VD1 и VD2. Поскольку разность напряжения на этих диодах минимальна, ток через диоды в нагрузку не протекает. Однако, стоит отключиться основному
    источнику питающего напряжения, как диоды откроются. Таким образом питание подается на нагрузку без перебоев.
    Светодиод HL1 индицирует исправное состояние резервного источника питания, а диод VD2 не допускает питание светодио-да от источника основного питания.
    Схему можно изменить таким образом, чтобы два светодио-да независимо друг от друга индицировали рабочее состояние обоих источников питания. Для этого достаточно схему (рис. 10.3) дополнить элементами индикации.
    Устройство для автоматического включения резервной батареи питания описано в патенте ГДР № 271600 , а его схема показана на рис. 10.4.

    Рис. 10.4. Схема устройства для автоматического включения резервной батареи питания

    В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
    Недостатком устройства является то, что максимальный ток через нагрузку не может превышать максимально допустимого тока через светодиод. Кроме того, на самом светодиоде теряется до 2 В. Если пожертвовать функцией индикации и заменить светодиод на германиевый диод, рассчитанный на повышенный ток, это ограничение снимется.
    Для нормальной работы телефонных автоматических определителей номера (АОН) необходимым условием является
    использование резервного источника питания. Схема одного из них показана на рис. 10.5.
    Когда источник питания включают в сеть, срабатывает реле К1, которое одновременно является датчиком разряда аккумулятора GB1. Через резистор R2 протекает зарядный ток 5... 10 мА. При отключении сетевого напряжения устройство получает питание от аккумулятора GB1, однако, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже 6,5 В, реле отключится. Контакты реле разомкнут цепь питания и защитят таким образом аккумулятор от дальнейшего разряда.

    Рис. 10.5. Схема автоматического включения резервного источника питания для АОНа

    Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
    В схеме использовано реле РЭС-64А РС4.569.724.
    Налаживают устройство подбором резистора R1, которым устанавливают напряжение отпускания реле К1. Подбором R2 устанавливают величину зарядного тока. Для исключения перезаряда аккумулятора рекомендуется снизить величину зарядного тока до 0,2 мА.
    Автоматический перевод питания нагрузки, например, радиоприемника, на резервное батарейное питание при отключении сетевого источника питания позволяет осуществить устройство по схеме на рис. 10.6 . Режим работы устройства индицируется свечением светодиода: зеленый цвет -- работа в штатном режиме; красный - в аварийном (на батареях).
    Особенностью индикатора является то, что при работе от батареи ее разряд через подключенный основной блок питания исключен за счет использования диода в цепи затвора полевого транзистора.
    Для того чтобы при работе устройства от блока питания не происходила подпитка нагрузки от батареи, выходное напряжение блока питания должно на 0, 7... 0, 8 В превышать напряжение батареи.

    Рис. 10.6. Схема автоматического переключения нагрузки на резервное питание с индикацией

    Рис. 10.7. Схема автоматического коммутатора питания

    Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (рис. 10.7) . Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
    В исходном состоянии, когда внешний источник питания отключен, реле К1 обесточено, и через его нормально замкнутые контакты напряжение подается с батареи GB1 на нагрузку RH и через диод VD1 на нижний по схеме (красный) диод HL1. При подключении внешнего источника питания реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 устанавливаются в нижнее по схеме положение, и питание на нагрузку подается от внешнего источника. Так как на анод верхнего по схеме диода HL1 (зеленого цвета) подается напряжение на 2 В больше, чем на анод нижнего диода HL1 (красного цвета), двухцветный двуханодный светодиод HL1 светится зеленым цветом, указывая на режим работы от сети. При пропадании сетевого напряжения обмотка реле К1 обесточивается, и нагрузка автоматически переключается на работу от батареи GB1. Об этом сигнализирует индикатор HL1, меняя цвет свечения с зеленого на красный. Диод VD1 следует взять типа КД503, КД521 или КД510. Падение напряжения на нем в прямом включении должно быть не менее 0,7 б.-Тогда при свечении зеленого светодиода не будет подсвечиваться красный.
    Резистором R2 устанавливают ток через HL1, равный 20 мА. Реле К1 типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.005) или другое с рабочим напряжением не более 5 В. Обычно срабатывание реле происходит при напряжении, на 30...40% меньшем его рабочего напряжения.
    При настройке устройства резистор R1 подбирают такой величины, чтобы реле К1 надежно срабатывало при напряжении 4 В. При использовании реле К1 других типов с напряжением срабатывания, близким к 4,5 В, резистор R1 можно исключить.
    При сетевом питании электронно-механических часов наблюдается неприятный эффект: при отключении сетевого напряжения происходит остановка хода часов.
    Более надежными и удобными в эксплуатации являются комбинированные блоки питания - сетевые блоки питания в сочетании с никель-кадмиевыми аккумуляторами Д-0,1 или Д-0,125 (рис. 10.8) .
    Здесь конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию балластных реактивных элементов, гасящих избыточное напряжение сети. Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов С1 и С2 при отключении устройства от сети.
    Если контакты выключателя SA1 замкнуты, то при отрицательной полуволне сетевого напряжения на верхнем (по схеме) проводе диод VD2 откроется, и через него будут заряжаться конденсаторы С1 и С2. При положительных же полуволнах конденсаторы станут перезаряжаться, ток потечет, в первую очередь, через открытый диод VD3 и начнет подзаряжаться аккумулятор GB1 и конденсатор СЗ. Напряжение на полностью заряженном аккумуляторе будет не менее 1,35 В, на светодиоде HL1 -- около 2 В. Поэтому светодиод начнет открываться и тем самым ограничивать зарядный ток аккумулятора. Следовательно, аккумулятор постоянно будет в заряженном состоянии.

    Рис. 10.8. Комбинированный блок питания электронно-механических часов

    При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов - энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
    Освещение циферблата включают размыканием контактов выключателя SA1. В этом случае ток зарядки и разрядки конденсаторов С1 и С2 протекает через нити накала ламп EL1 и EL2, и они начинают светиться. А ранее замкнутый двуханодный стабилитрон VD1 теперь выполняет две функции: ограничивает напряжение на лампах до значения, при котором они светятся с небольшим недокалом, а в случае перегорания нити накала одной из ламп пропускает через себя зарядно-разрядный ток конденсаторов, что предотвращает нарушение работы блока питания в целом.
    Двуханодный стабилитрон VD1 типа КС213Б можно заменить на два включенных встречно-последовательно стабилитрона Д814Д, КС213Ж, КС512А. Светодиод HL1 - АЛ341 с прямым падением напряжения при токе 10 мА - 1,9...2,1 В. Лампы накаливания EL1 и EL2 типа СМН6,3-20 (на напряжение 6,3 В и ток и м/ч; или аналогичные, корпус выключателя SA1 должен быть надежно изолирован от сети.
    В блоке питания для электронных часов (рис. 10.9) гашение избыточного сетевого напряжения осуществляется резисторами R1 и R2 . Это не самое экономичное решение проблемы, но при малых токах потребления вполне оправдано. Кроме того, при случайном касании выхода выпрямителя максимальный ток через тело человека не достигнет опасных значений (не более 4 мА), поскольку величина ограничивающих ток резисторов достаточно велика.

    Рис. 10.9. Схема резервированного питания электронных часов

    С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения - светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
    Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник бесперебойного питания (рис. 10.10) для кварцевых электронно-механических часов вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА . Напряжение, снимаемое с емкостного делителя С1 и С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
    Рассмотренные ранее устройства автоматического перехода на резервное питания в случае отключения основного источника использовали в качестве базового (основного) источник постоянного тока. Менее известны схемы резервирования устройств, работающие на переменном токе. Схема одного из них, способного работать в цепях как постоянного, так и переменного тока приведена ниже .

    Рис. 10.10. Схема низковольтного источника бесперебойного питания

    Рис. 10.11. Схема включения источника резервного питания с гальванической развязко й

    Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (рис. 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 - VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5.

    Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7.
    При отключении управляющего напряжения переход эмиттер - база входного транзистора устройства более не шунтируется. Транзисторы VT1 и VT2 открываются. Конденсатор С1 разряжается через реле К1 и транзистор VT2. Контакты К1.1 реле замыкаются, включая ИРП. Питание на схему поступает от ИРП. Одновременно контакты реле К1.2 могут управлять другой нагрузкой. Если на входе устройства вновь появляется управляющее напряжение, транзистор VT1 запирается. Соответственно, запирается и транзистор VT2. Реле К1 обесточивается, отключая своими контактами К1.1 ИРП. Напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 9... 10 Б, и схема переходит в ждущий режим работы.



    СХОЖИЕ СТАТЬИ