Електроніка для початківців

Пролог

Було розглянуто постановку завдання на розробку малопотужного резервного джерела живлення на потужність 60 Вт із синусом на виході для циркуляційного насоса системи опалення. Було обрано концепцію реалізації даного пристрою. У цій статті йтиметься про розробку електричної схеми пристрою, необхідними розрахункамидля вибору номіналів компонентів, що входять до складу пристрою.

Озброївшись САПРами та підручниками чернетками, олівцем та GOOGLE приступимо до проектування. Почнемо із простого – система живлення пристрою.

Організація питання

Для живлення елементів схеми нам знадобиться три типи шини постійної напругио 12, 5 та 3,3 Вольта.

Дванадцяти вольтна шина – основна. Вона є живленням моста, що здійснює закачування струму в низьковольтну обмотку лінійного мережевого трансформатора. З неї живимо драйвера транзисторів, що входять у міст. Реле, що комутують мережу, теж будуть харчуватися з даної шини.

П'ятивольтна шина необхідна для живлення струмової мікросхеми ACS712, мікросхеми логіки, символьного РКІ і т.д.

Три вольтна шина живитиме «мозки» пристрою – МК STM32F100C8T6B.

Ліричний відступ

Для наочності шматки схеми малювались у Proteuse v 7.7. У його бібліотеках є не всі використані компоненти, тому деякі компоненти замінені на аналоги. Остаточна, повна схема буде у форматі САПР Dip Trace. З усіма затвердженими компонентами. Але це вже у наступній статті.

Народилася така схема:

Картинка клікабельна.

Формувачі шини 5 та 3,3 Вольта організовані на 1% LDO стабілізаторах типу NCP1117STхх. Аналогове живлення модуля АЦП береться з шини 3,3 Вольта через індуктивність, конденсатори, що згладжують і блокують. Аналогову землю теж варто було б поділити. Але в цій схемі цього немає, тому що виміри не критичні, і похибка в пару розрядів не призведе до розладу пристрою. Застосуємо програмний фільтр - ковзне середнє і може навіть похибки в один розряд досягнемо.

Вимірювання струму та захист від перевантаження

Датчик струму ACS712ELCTR-05B-T є інтегральною мікросхемою. Детектування струму відбувається на ефект Холла. Даний датчикдозволяє МК вимірювати як прямий, і зворотний струм. З рештою характеристик можна ознайомитися з його pdf . Вихід датчика аналоговий. Середня точка, що відповідає нульовому струму = 2,5 Ст. Посилення 185мВ на 1 Ампер. Хоча датчик реєструє великі струми, тільки лінійність спотворюється, і за певному струмі входить у насичення. Так що для узгодження виходу датчика з МК поставимо дільник напруги. І поділимо шкалу навпіл. Розрядності АЦП МК вистачить для прийнятної точності.

Для швидкодіючого захисту від перевантаження або короткого замиканняв низьковольтній обмотці лінійного трансформатора, встановимо струмовий шунт. Сигнал з шунта зусиль на ОУ і компараторе зберемо схему порівняння з клямкою. Дані про перевантаження заганятимемо в МК, а також за цим сигналом закриватимемо ВСІключі мосту.

Невелике відео, симуляція роботи струмового захисту, представлена ​​нижче.

Силова частина

Силова частина РІПу представлена ​​на малюнку.

Картинка клікабельна.

Міст транзисторів «спирається» на струмовий шунт для забезпечення швидкодіючого захисту. Вихід моста через LC фільтр, розрахований на частоту зрізу ~ 1 кГц, подається на низьковольтну обмотку трансформатора. Про фільтр і трансформатор варто поговорити докладніше.

Розрахунок фільтра проводився у програмі «Калькулятор РЛ» на так званий офф. сайту вже не знайду. Тому архів із калькулятором виклав сюди. Ось скрін розрахунку.

Отримана індуктивність в 10 мілігенрі досить значна. Але й ємність вийшла пристойною. Так як у нас на виході з фільтра зміна, то полярним конденсаторомне обійдешся. У схему заклав два керамічні конденсатори в паралель - 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).

Розрахунок дроселя за отриманими даними робив у програмі Coil32. Ось посилання на архів із програмою. Феритове кільце для такого дроселя вибрав з наступними параметрами: Кільце N87 R25x15x10. Ось скрін розрахунку у програмі.

Вийшло 70 витків дроту діаметром 1 мм для забезпечення потрібної індуктивності. Цілком прийнятно для ручного намотування.

Вибір трансформатора впав на тороїдальний трансформатортипу ТТП-60, з вторинною напругою 9 Вольт. Розрахунок простий. Змінна напругао 9 Вольт дає в амплітуді 12,7 Вольт. Напруга зарядженого АКБ порядку 13 Вольт. Так що зможемо на виході отримати 220 вольт. Для заряду АКБ звичайно обмаль. Тому є пропозиція домотати вторинку витків на 5-6. Тобто вийшла низьковольтна обмотка із відведенням. З крайніх висновків обмотки знімаємо підвищену напругу заряду АКБ, під час роботи від мережі. А на крайній та середній висновок подаємо напругу з мосту, коли працюємо від АКБ. За напругою, що знімається з крайніх висновків обмотки, судимо про напругу у високовольтній обмотці під час роботи від АКБ, Зворотній зв'язокдля регулювання.

Транзистори моста управляються від МК через драйвери напівмостів IRS2101S. Управління верхніми ключамиздійснюється за бутстрепною схемою. Управління P-канальним зарядним транзистором здійснюється звичайним біполярником. Зарядний дросель, що згладжує, має ті ж габарити і розрахункові величинищо дросель в LC фільтрі після мосту.

Детектування наявності мережі та комутація

Для детектування мережі застосовуються конденсаторна схемаживлення. Напруга заводиться на оптопару. Вихід оптопари заганяємо в МК контролю наявності мережі. Схему показано нижче.

Картинка клікабельна.

Мережева напруга через конденсатор, що гасить, діоди, стабілітрон, конденсатори, що згладжують, струмообмежуючий резистор подається на світлодіод оптопари. Вихід йде до МК.

Управління реле, що комутують мережу на навантаження, здійснюється від МК.

Струмовий захист реалізований на ОУ та компараторі. Вихід компаратора розходиться на два транзистори. Один для введення сигналу МК, другий для закривання всіхтранзисторів мосту.

Нижче наведено схеми включення драйверів для мосту.

Картинка клікабельна.

Все типове, згідно з даташитом на драйвер IRS2101S.

Схема формування імпульсів моста

Щоб не навантажувати МК марною роботою, формування сигналів імпульсів моста зібрано на логіці І. Від МК потрібно три сигнали. Один синусоїдальний ШІМ за період, а також два дискретний сигнал, перша напівхвиля та друга. Реалізація такого підходу зображено малюнку.

Картинка клікабельна.

Перевантаження струмом, заведена в МК і продубльована світлодіодом. Управління зарядним P-канальним транзистором організовано на біполярному транзисторі NPN.

Логіка роботи мосту полягатиме в наступному. 20 кГц ШІМ модулюватиметься таблицею синуса в кількості 400 значень. Передача значень у регістр ШІМ буде організовано через ДМА. Після завантаження половини буфера, тобто 200 значень одного напівперіоду, ДМА викликає переривання, де сигнали MCU_P_1 і MCU_P_2 будуть взаємно інвертуватися. Після завантаження всього буфера, у перериванні від ДМА відбуватиметься зворотне інвертування сигналів MCU_P_1 та MCU_P_2. І далі у циклічному режимі. Постійний рівень напівхвилі подаватиметься на верхній транзистор плеча, а синусоїдальний ШІМ на нижній ключ протилежного плеча. Наступний напівперіод – це інша пара транзисторів.

Під час перевантаження струмом, NPN транзистор Q7 забезпечить на вході логіки низький рівень, що в свою чергу призведе до низькому рівнюна виході логіки і як наслідок – замиканню ВСІХ транзисторів мосту.

Апаратна платформа

Три вольтна шина живитиме «мозки» пристрою – МК STM32F100C8T6B.

Як згадувалося вище, МК буде від ST сімейства STM32. Чим зумовлюється такий вибір?

• МК має невисоку вартість. Аналоги за можливостями від ATMEL чи PIC мають навіть більше високі ціни, при розрядності 8 біт.
• Наявність на борту 12-бітного АЦП, ЦАП, контролера ДМА.
• 32 біт розрядність ядра.
• Збільшена ємність пам'яті програм і даних.

Одним словом виграє за багатьма позиціями.

Для індикації роботи пристрою та виведення необхідних даних у схемі використовуватиметься знакосинтезуючий РКІ з керуючим контролером KS0066 (HD44780). Бібліотек для роботи з таким дисплеєм у рунеті повно.

Схема підключення дисплея до контролера виглядає так.

Картинка клікабельна.

Підключення відбувається безпосередньо. Порти МК безпосередньо підключені до монітора. Поєднання 3 вольтової та 5 вольтової логіки не проводилося. Тут можливо з'являться проблеми, і доведеться висновки МК налаштувати як виходи з відкритим колектором, і підтягнути лінії до 5 вольт, а самі виходи МК використовувати толерантні до 5 вольт. Як то кажуть, життя покаже, але при розробці друкованої плати, необхідно закласти даний «апдейт».

Користувацькі кнопки необхідні для організації навігації за меню та параметрами, що відображаються на дисплеї.

Додаткові розрахунки

Для розрахунку бутстрепного конденсатора скористаємося методом, запропонованим у цій статті. Наприкінці опису є приклад розрахунку необхідної ємності бутстрепного конденсатора. Візьмемо його за основу та перерахуємо для наших реалій.

Визначимося з параметрами схеми:

• V IN,MAX = 15V максимальна вхідна напруга,
• V DRV = 12V напруги живлення драйвера та амплітуда керуючого сигналу,
• dV BST = 0.5V пульсація напруги на конденсаторі C BST в режимі,
• dV BST,MAX = 3V максимальне падіння напруги на C BST перед тим як спрацює схема захисту від зниженої напруги або амплітуда сигналу керуючого стане недостатньою,
• f DRV = 100 Hz частота перетворення, оскільки наш конденсатор працює у проміжку 10 мс,
• D MAX = 1 максимальний коефіцієнт заповнення за мінімальної вхідної напруги.

Характеристики застосовуваних компонентів:

• Q G = 24 nC загальний заряд перемикання IRLZ44ZS при V DRV = 5V та V DS = 44V,
• R GS = 10К величина резистора R GS
• I R = 10uA струм витоку діода D BST при максимальній вхідній напрузі та температурі його переходу TJ = 80°C,
• V F = 0.6V падіння напруги на діоді D BST при струмі 0.1A та температурі переходу TJ = 80°C,
• I LK = 0.13mA струм витоку схеми зсуву рівня при максимальній вхідній напрузі та температурі кристала TJ = 100°C,
• I QBS = 1mA струм, споживаний драйвером верхнього рівня.

Розраховане значення підберемо зі стандартного ряду. Тип конденсатора візьмемо танталовий, зменшення струму витоку самого конденсатора. Разом виходить 47 мкФ x 25, тип D.

Розрахуємо струм заряду конденсатора, тим самим підберемо діод.

Так що діод розрахований на прямий струм 1 А, впорається з цим завданням.

Висновок

У цій статті розробили електричну схемуРІПу. Тепер усі шматки схеми зберемо воєдино. І на основі вже затвердженої схеми розробимо топологію друкованої плати. Розведення друкованої плати та узагальнену електричну схему зі специфікацією за компонентами подаю у наступній статті.

Програмну реалізаціюфункціоналу устрою розпишу в окремій статті. Є задум реалізувати в програмі багато цікавих рішень, наприклад, ПІД регулювання вихідної напруги під час роботи від АКБ.

Епілог

Цією статтею, хотів винести на суд громадськості та досвідчених радіоаматорів і не любителів теж, схематичні рішення. Можливо, уважний читач знайде будь-які критичні помилкиу схемотехніки або запропонує більш правильне виконання окремих вузлів. Знайдеться якесь простіше рішення вузлів або для підвищення надійності внести додаткові схемотехнічні рішення.

Принципова схема пристрою автоматичного перемикання, Показана тут, побудована на інтегральній мікросхемі LTC4412 від Linear Technologies. Ця схема може бути використана для автоматичного перемикання навантаження між батареєю та мережним адаптером (блоком живлення). Мікросхема LTC4412 керує зовнішнім P-канальним MOSFET транзистором, щоб створити подібність діода Шоттки, що функціонує як вимикач живлення для розподілу навантаження. Це робить LT4412 ідеальною заміною у джерелах живлення. Широкий спектр МОП польових транзисторів може керуватися за допомогою інтегральної мікросхеми, і це дає велику гнучкість у плані вибору струму навантаження.

Принципова схема перемикача живлення

LT4412 також має купу хороших функцій, таких як захист акумулятора від переплюсування, ручне керування, захист затвора у транзисторі та інші. Власний струм споживання схеми становить лише 11 мкA. Діод D1 запобігає зворотному протіканню струму до мережному адаптеру, коли немає мережі живлення. Конденсатор С1 – конденсатор вихідного фільтра. Висновок 4 інтегральної мікросхеми називається виведенням стану. Деякі функції мікросхеми не показано на схемі.

Транзистор FDN306P не рекомендується при використанні брати руками, польові транзистори дуже часто виходять з ладу саме через статичної напруги, що є на тілі кожної людини. При паянні його на друковану плату було б непогано заземлити себе спеціальним браслетом і заземлити сам паяльник, але якщо використовуєте паяльну станцію, цього не треба. Основні параметри польового транзисторатакі (з даташита):

• 1) Максимальний довготривалий струм-2.6А;
• 2) Максимальна напруга VDSS 12В;
• 3) Швидка швидкістьперемикання;
• 4) Висока продуктивністьтехнології;

Робоча температура транзистора становить від -55 до +150 градусів за Цельсієм. Робоча температурамікросхеми від -40 до +80, температура при пайці становить 300 градусів, протягом не більше 10 секунд. Розпинування висновків можна побачити в датасіті за посиланням вище або на картинці.

• 1) Схему збирайте на друкованій платівисокої якості;
• 2) Вхідна напруга адаптера може бути від 3 до 28В;
• 3) Напруга батареї може лежати в межах від 2.5V до 28V;
• 4) Не підключайте навантаження, яке споживають більше 2А;
• 5) D1 (1N5819)-діод Шоттки, розхитаний на 1А;
• 6) Q1 (FDN306P) – P-канальний MOSFET транзистор.

Застосування цієї схеми – різні джерела резервного харчування, де потрібна економічність та стабільність.

Могла спрацювати лише тоді, коли зникала напруга основного джерела, від зниження чи підвищення напруги захистити навантаження не могло. У новому варіанті пристрою були виправлені ці недоліки, а саме:

1. Пристрій не перемкне навантаження на резервне джерело живлення за наявності навіть зниженої напруги основного джерела.

Пристрій не здатний працювати при напрузі менше 6 вольт.

Пристрій не захистить навантаження при підвищенні напруги понад допустиму величину.

Новий варіант пристрою має значно покращені характеристики.

Здібно працювати при вхідній напрузі основного джерела від 6 до 15 ст.

Захист навантаження від зниженої чи підвищеної напруги. Для контролю напруги основного джерела використовуються два компаратори. При відключенні основного джерела напруги робота пристрою аналогічна його попередньої версії.

Струм споживаний навантаженням обмежений тільки максимальним струмом, який можуть витримати контакти застосовуваного електромагнітного реле.

Живиться пристрій від резервного джерела живлення на 12 і споживає струм близько 100 ма, у разі якщо напруга основного джерела менше 12 вольт, потрібно застосувати стабілізатор і включити його в розрив показаний на схемі, а також встановити пороги спрацьовування захисту будівельними резисторами.

Робота пристрою

Напруга основного джерела надходить на резистори R6 і R12 з яких напруга надходить на входи компараторів, де порівнюється з напругою, що надходить зі стабілізатора VR1. Окремий стабілізатор VR1 застосований для того, щоб за зміни величини напруги резервного джерела живлення не змінювалися пороги спрацьовування захисту. Коротко опишу навіщо призначені ці підстроювальні резистори. Резистор R12 відповідає за спрацювання захисту при падінні напруги нижче за мінімальний поріг, який цим резистором виставляється. У моєму випадку цей поріг 10.5 вольт і для того, щоб його виставити, потрібно при вхідній напрузі 10.5 вольт за допомогою цього резистора виставити на виведенні 7 компаратора напруга 1.3в, що нижче порога спрацьовування компаратора, так як на 6 нозі мікросхеми напруга 1.65 вольта відразу ж спрацює захист. Резистор R6 відповідає за спрацювання захисту у разі критичного підвищення напруги основного джерела. У моєму випадку величина максимальної напругивстановлена ​​на рівні 13 вольт. При цьому напрузі резистором R6 необхідно виставити на 5-й нозі мікросхеми напруга 4 вольта, що призведе до спрацьовування захисту та перемикання навантаження на резервне джерело. Завдяки цим резисторам захист спрацьовує при зниженні напруги до 10.5 вольт або підвищенні до 13.

Найцікавішою частиною схеми є вузол зібраний на мікросхемах DD1 та DD2. Він і є схемою захисту. Два входи цього вузла підключені до компараторів, але для того, щоб на виведенні мікросхеми 8 DD1 з'явився рівень логічної 1 і спрацював захист повинні бути створені певні умови. Даний вузол цікавий ще й тим, що логічна одиниця на виході 8 DD1.1 з'явиться за наявності однакових логічних станів на входах або два 0 або дві 1. Якщо на одному вході буде 1, а на іншому 0, то захист не спрацює.

Працює схема захисту в такий спосіб. При нормальній вхідній напрузі основного джерела працює тільки компаратор DA1.2, так як напруга вище мінімального порогу відключення і, отже, вихідний транзистора компаратора DA1.2 замикає висновки 4 і 5 елемента DD2.4 на масу, що аналогічно стану логічного 0, а на входах 1 і 2 елементи DD2.3 діє напруга близько 4.5 - 5 вольт, що аналогічно стану логічної 1, так як напруга не досягає 13 вольт і DA1.1 компаратор не працює. За такої умови захист не спрацює. При підвищенні напруги основного джерела до 13 вольт починає працювати компаратор DA1.1, відкривається вихідний транзистор і замикаючи входи 1 і DD2.2 на масу примусово створює рівень логічного 0, тим самим на обох входах примусово з'являється рівень логічного 0 і спрацьовує захист. Якщо напруга впала нижче мінімального порогу, то напруга, що підводиться до 7-ї ноги компаратора падає до рівня нижче 1.65 вольта, вихідний транзистор закриється і перестане замикати входи 4 і 5 елемента DD2.4 на масу, що призведе до встановлення на входах 4 і 5 напруги 4.5 - 5 вольт (рівень 1). Оскільки DA1.1 вже не працює і DA1.2 перестав, то створюється умова, за якої рівень логічної одиниці з'явиться на обох входах вузла захисту і вона спрацює. Докладніше робота вузла показана в таблиці. У таблиці показані логічні стани усім висновках мікросхем.

Таблиця логічних станів елементів вузла.

Налагодження пристрою

Правильно зібраний пристрійвимагає мінімального налагодження, а саме встановлення порогів спрацьовування захисту. Для цього необхідно замість основного джерела напруги підключити до пристрою регульований блок живлення та за допомогою підстроювальних резисторів виставити пороги спрацьовування захисту.

Зовнішній вигляд пристрою

Розташування деталей на платі пристрою.

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Примітка	Магазин	Мій блокнот
DD1, DD2	Логічна ІС	К155ЛА3	2			До блокноту
DA1	Компаратор	LM339-N	1			До блокноту
VR1, VR2	Лінійний регулятор	LM7805	2			До блокноту
VT1	Біполярний транзистор	КТ819А	1			До блокноту
Rel 1	Реле	RTE24012	1			До блокноту
R1	Резистор	3.3 ком	1			До блокноту
R2, R3	Резистор	1 ком	2

Увага! Порядок додавання тегів має значення! Починайте додавати з найважливішого. По можливості користуйтеся існуючими тегами

І так - якось одночасно потихеньку на нашому підприємстві (фірма дуже бідна: як і більшість ТЕПЛОЕНЕРГО в Україні) почали виходити з ладу, тобто. вигоряти "по гарячій стороні" імпульсні БП, які згодом були замінені.
Довелося збагнути, тобто. зробити 6шт. джерел живлення для живлення деяких приладів (мають відношення до метрології, КВП).
Вимоги до них були такими:
1) стабілізоване живлення датчика – 20:28В/0.1А
2) стабілізоване харчування самого приладу – 10:14В/0.2А
3) гальванічна розв'язка між каналами живлення
4) резервне живлення приладу (датчика немає) від АКБ 12В (далі перераховувати не буду)
Вирішив велосипед не винаходити, а використовувати вже напрацьовані схемні рішення, тим більше треба було, щоби вийшло дешево і якісно. Та й якось сильно не морочився з вибором схемотехніки - в голові самі по собі вимальовувалися приклади реалізації БП.
Ну от і вся історія, а тепер - до діла.
Схема пристрою:

Як видно зі схеми, БП складається з двох незалежних каналів 24В і 12В, побудованих на "кренках". По 12В LM7812 встановлений діод VD5, що піднімає напругу до 12.7В для компенсації падіння на VD12. Більше по стабілізаторам нема чого сказати, так як це загальновідома схемотехніка і описана в будь-якому довіднику і звичайно, все це є в "Обучалке".
Для забезпечення безперебійного живленнявикористовується акумуляторна батарея(У моєму випадку - це "GEMBIRD 12V4.5A").
Схема, показана малюнку, виключає пошкодження акумуляторів через отримання ними надлишкового заряду. Вона автоматично відключає процес заряду при підвищенні напруги на елементах вище за допустиму величину і складається зі стабілізатора струму на транзисторі VT3, підсилювача VT2, детектора рівня напруги на VT1 .
Індикатором процесу заряду є свічення світлодіода VD4, який при його закінченні гасне.
Налаштування пристрою починаємо зі стабілізатора струму. Для цього тимчасово замикаємо виведення бази транзистора VT3 на загальний дріт, а замість акумуляторів підключаємо еквівалентне навантаження з міліамперметром 0...500 мА. Контролюючи приладом струм у навантаженні, підбором резистора R3 встановлюємо номінальний струм заряду конкретного типуакумуляторів.
Другим етапом налаштування є встановлення рівня обмеження вихідної напруги за допомогою підстроювального резистора R4. Для цього, контролюючи напругу на навантаженні, збільшуємо опір навантаження до моменту появи максимально допустимої напруги(13.8 для АКБ 12В/4.5А). Резистором R5 домагаємося відключення струму в навантаженні (погасне світлодіод).
Трансформатор підійде будь-якиймалогабаритний з напругою на вторинних обмотках 15...18; для 24В-го каналу – 25..28В.
Транзистор VT3 кріпиться до теплорозсіюючої пластини. Для зручності налаштування як R4 бажано використовувати багатооборотний резистор типу СП5-2 або аналогічний, інші резистори підійдуть будь-якого типу.
Для здійснення резервного живлення по 12В від АКБ використовуються ланцюги схеми на елементах VD7, VT4, VT5 та реле (імпортне 12В) з однією групою контактів перемикання. За наявності мережевого живлення, а значить і +U на конденсаторах С4, С5, транзистор VT4 відкритий і реле знеструмлено, через замкнуті контактивідбувається заряд АКБ. При зникненні напруги в мережі транзистор VT4 закривається - VT5 відкривається і спрацьовує реле - своїми контактами підключаючи "+" АКБ через VD11 до навантаження.
Тепер трохи про використані деталі:
- діоди - будь-які..виходячи з струмів і напруг, я застосував найдешевші імпортні 1N4007;
- транзистори VT1, VT2, VT4 - КТ3102, можна КТ315 або імпортні аналоги.
- транзистор VT3 можна застосувати КТ814 або КТ816 - залежить від ємності АКБ і струму, яким буде заряджатися;

Тепер трохи у фотографіях - процес виготовлення:

Друкована плата. Впаяв "релюху" - потім згадав, що треба для історії сфотографувати. Доріжки не залужував, т.к. сам текстоліт виявився поганої якості- відшаровувалися доріжки навіть за мін. температурі паяльника. Після паяння покрив усю плату лаком.

Для резервування харчування відповідальних енергоспоживачів використовують паралельне з'єднаннякількох джерел живлення, виключаючи при цьому взаємний вплив одного джерела на інше.
При пошкодженні або вимкненні одного з кількох пристроїв живлення навантаження автоматично і без розриву ланцюга живлення підключиться до джерела живлення, напруга якого вище інших. Зазвичай у ланцюгах постійного струмудля поділу живильних ланцюгів використовують напівпровідникові діоди. Ці діоди перешкоджають впливу одного джерела живлення на інший. У той самий час цих діодах нераціонально витрачається деяка частка енергії джерела питания. У зв'язку з цим у схемах резервування варто використовувати діоди з мінімальним падінням напруги на переході. Зазвичай це германієві діоди.
Насамперед живлення навантаження подають з основного джерела, що має зазвичай (для реалізації функції самоперемикання на резервне харчування) вищу напругу. Як таке джерело найчастіше використовують мережну напругу (через блок живлення). В якості джерела резервного живлення зазвичай використовують батарею або акумулятор, що мають напругу значно менше, ніж у основного джерела живлення.
Найпростіші та очевидні схеми резервування джерел постійного струму показані на рис. 10.1 та 10.2. Подібним чиномможна підключити необмежену кількість джерел живлення до відповідального радіоелектронного обладнання.
Схема резервування джерел живлення (рис. 10.2) відрізняється тим, що роль діодів, що розділяють джерела живлення, виконують світлодіоди. Світіння світлодіода індикує задіяне джерело живлення (який зазвичай має вищу напругу). Недоліком подібного схемного рішенняє те, що максимальний струм, споживаний навантаженням, невеликий і не перевищує максимально допустимого прямого струму через світлодіод.

Мал. 10.1. Основна схема резервування джерел живлення

Мал. 10.2. Схема резервування джерел живлення з використанням світлодіодів

Мал. 10.3. Схема резервування джерела живлення охоронного пристрою

Крім того, на світлодіоді падає близько двох вольт, необхідних для роботи. Світлова індикаціянестійка при несуттєвій різниці напруги харчування.
Схема авторезервування джерела живлення для відповідального обладнання – охоронного пристрою – наведена на рис. 10.3. На схемі умовно показаний основний - мережне джерело живлення. На його виході - навантаженні RH та конденсаторі С2 - формується стабільна напруга 12 6 або більше! Батарея резервного живлення GB1 підключена до опору навантаження через ланцюжок діодів VD1 та VD2. Оскільки різниця напруги цих діодах мінімальна, струм через діоди в навантаження не протікає. Однак, варто вимкнутись основному
джерелу напруги живлення, як діоди відкриються. Таким чином, харчування подається на навантаження без перебоїв.
Світлодіод HL1 індикує справний стан резервного джерела живлення, а діод VD2 не допускає живлення світлодіода від джерела основного живлення.
Схему можна змінити таким чином, щоб два світлодіоди незалежно один від одного індикували робочий станобох джерел живлення. Для цього достатньо схеми (рис. 10.3) доповнити елементами індикації.
Пристрій для автоматичного включення резервної батареї живлення описано в патенті НДР № 271600 а його схема показана на рис. 10.4.

Мал. 10.4. Схема пристрою для автоматичного увімкнення резервної батареї живлення

У вихідному (штатному) режимі струм від джерела основного живлення Еа через світлодіод-індикатор струму навантаження надходить у навантаження. Транзистор VT1 відкритий, транзистор VT2 закритий, резервна батарея живлення відключена. Як тільки відключиться основне джерело живлення, світлодіод HL1 згасне, закриється транзистор VT1 і, відповідно, відкриється транзистор VT2. Батарея Еь підключиться до навантаження.
Недоліком пристрою є те, що максимальний струм через навантаження не може перевищувати максимально допустимого струмучерез світлодіод. Крім того, на світлодіоді втрачається до 2 В. Якщо пожертвувати функцією індикації і замінити світлодіод на германієвий діод, розрахований на підвищений струм, це обмеження зніметься.
Для нормальної роботителефонних автоматичних визначників номера (АВН) необхідною умовоює
використання резервного джерела живлення. Схема однієї з них показано на рис. 10.5.
Коли джерело живлення включають до мережі, спрацьовує реле К1, яке одночасно є датчиком розряду акумулятора GB1. Через резистор R2 протікає зарядний струм 5... 10 мА. При відключенні мережевої напругипристрій отримує живлення від акумулятора GB1, проте, якщо напруга на акумуляторі впаде нижче 6,5 В, реле відключиться. Контакти реле розімкнуть ланцюг живлення та захистять акумулятор від подальшого розряду.

Мал. 10.5. Схема автоматичного включення резервного джерела живлення для АВН

Акумуляторна батарея складається із шести елементів Д-0,55. Її ресурсу вистачає для автономної роботителефону протягом години.
У схемі використано реле РЕМ-64А РС4.569.724.
Налагоджують пристрій підбором резистора R1, яким встановлюють напругу відпускання реле К1. Підбором R2 встановлюють величину зарядного струму. Для виключення перезаряджання акумулятора рекомендується знизити величину зарядного струму до 0,2 мА.
Автоматичний перекладживлення навантаження, наприклад радіоприймача, на резервне батарейне живлення при відключенні мережного джерела живлення дозволяє здійснити пристрій за схемою на рис. 10.6. Режим роботи пристрою відображається світлодіодом: зелений колір-- робота в штатному режимі; червоний – в аварійному (на батареях).
Особливістю індикатора є те, що при роботі від батареї її розряд через підключений основний блок живлення виключено за рахунок використання діода в затворі ланцюга польового транзистора.
Для того щоб при роботі пристрою від блока живлення не відбувалося підживлення навантаження від батареї, вихідна напругаблоку живлення повинне на 0, 7... 0, 8 перевищувати напругу батареї.

Мал. 10.6. Схема автоматичного перемикання навантаження на резервне живлення з індикацією

Мал. 10.7. Схема автоматичного комутатора живлення

Подальшим розвитком попереднього пристроює автоматичний комутатор живлення (рис. 10.7). Пристрій призначений для установки в будь-які переносні та переносні пристрої (приймачі, плеєри, магнітофони), що мають внутрішні джерелаживлення. Автоматичний комутатор живлення дозволяє автоматично переходити від внутрішнього до зовнішньому живленнюі назад.
У вихідний стан, коли зовнішнє джерело живлення вимкнено, реле К1 знеструмлено, і через його нормально замкнуті контакти напруга подається з батареї GB1 на навантаження RH і через діод VD1 на нижній за схемою (червоний) діод HL1. При підключенні зовнішнього джерелаживлення реле К1 спрацьовує, його контакти К1.1 встановлюються в нижнє за схемою положення і живлення навантаження подається від зовнішнього джерела. Так як на анод верхнього за схемою діода HL1 (зеленого кольору) подається напруга на 2 В більше, ніж на анод нижнього діода HL1 (червоного кольору), двоколірний двоанодний світлодіод HL1 світиться зеленим кольоромвказуючи на режим роботи від мережі. При зникненні напруги обмотка реле К1 знеструмлюється, і навантаження автоматично перемикається на роботу від батареї GB1. Про це сигналізує індикатор HL1, змінюючи колір свічення із зеленого на червоний. Діод VD1 слід взяти типу КД503, КД521 чи КД510. Падіння напруги на ньому в прямому включенні повинно бути не менше 0,7 байт.
Резистором R2 встановлюють струм через HL1, що дорівнює 20 мА. Реле К1 типу РЕМ-15 (паспорт РС4.591.005) або інше з робочою напругою не більше 5 В. Зазвичай спрацьовування реле відбувається при напрузі, на 30...40% меншій за його робочу напругу.
При налаштуванні пристрою резистор R1 підбирають такої величини, щоб реле К1 надійно спрацьовувало при напрузі 4 В. При використанні реле К1 інших типів з напругою спрацьовування, близьким до 4,5, резистор R1 можна виключити.
При мережному харчуванніелектронно-механічного годинника спостерігається неприємний ефект: при відключенні мережної напруги відбувається зупинка ходу годинника.
Більш надійними та зручними в експлуатації є комбіновані блоки живлення - мережеві блоки живлення у поєднанні з нікель-кадмієвими акумуляторами Д-0,1 або Д-0,125 (рис. 10.8).
Тут конденсатори С1 і С2 виконують функцію баластних реактивних елементів, що гасять надмірну напругу мережі. Резистор R2 служить для розрядки конденсаторів С1 та С2 при відключенні пристрою від мережі.
Якщо контакти вимикача SA1 замкнуті, то при негативній напівхвилі напруги на верхньому (за схемою) дроті діод VD2 відкриється, і через нього будуть заряджатися конденсатори С1 і С2. При позитивних напівхвилях конденсатори стануть перезаряджатися, струм потече, в першу чергу, через відкритий діод VD3 і почне заряджатися акумулятор GB1 і конденсатор СЗ. Напруга на повністю зарядженому акумуляторі буде не менше 1,35 В, на світлодіоді HL1 - близько 2 В. Тому світлодіод почне відкриватися і тим самим обмежувати зарядний струм акумулятора. Отже, акумулятор постійно буде у зарядженому стані.

Мал. 10.8. Комбінований блок живлення електронно-механічного годинника

За наявності напруги в мережі годинник живиться від неї під час позитивних напівперіодів, а під час негативних напівперіодів - енергією, запасеною акумулятором GB1 та конденсатором СЗ. При зникненні напруги живлення джерелом живлення стає акумулятор.
Освітлення циферблата включають розмикання контактів вимикача SA1. В цьому випадку струм зарядки та розрядки конденсаторів С1 і С2 протікає через нитки розжарювання ламп EL1 та EL2, і вони починають світитися. А раніше замкнутий двоанодний стабілітрон VD1 тепер виконує дві функції: обмежує напругу на лампах до значення, при якому вони світяться з невеликим недокалом, а у разі перегорання нитки розжарювання однієї з ламп пропускає через себе зарядно-розрядний струм конденсаторів, що запобігає порушенню роботи блоку живлення в цілому.
Двоханодний стабілітрон VD1 типу КС213Б можна замінити на два включені зустрічно-послідовно стабілітрони Д814Д, КС213Ж, КС512А. Світлодіод HL1 - АЛ341 з прямим падінням напруги при струмі 10 мА - 1,9...2,1 В. Лампи розжарювання EL1 та EL2 типу СМН6,3-20 (на напругу 6,3 В і струм і м/год; або аналогічні корпус вимикача SA1 повинен бути надійно ізольований від мережі.
У блоці живлення для електронного годинника (рис. 10.9) гашення надлишкового мережевого напруги здійснюється резисторами R1 і R2 . Це не найекономічніше вирішення проблеми, але при малих струмах споживання цілком виправдане. Крім того, при випадковому торканні виходу випрямляча максимальний струм через тіло людини не досягне небезпечних значень (не більше 4 мА), оскільки величина резисторів, що обмежують струм, досить велика.

Мал. 10.9. Схема резервованого живлення електронного годинника

З виходу стабілізатора (аналогу стабілітрона і одночасно індикатора включення - світлодіода HL1) напруга живлення через германієвий діод VD5 подається на електронний годинник. У разі відключення мережної напруги годинник отримує живлення від батареї GB1, за наявності мережної напруги струм випрямляча заряджає елемент живлення. У схемі не використано конденсатор фільтра. Роль конденсатора фільтра великої ємностівиконує сам елемент живлення.
Електронно-механічний годинник зазвичай живить від одного гальванічного елемента напругою 1,5 В. Пропонований джерело безперебійного живлення (рис. 10.10) для кварцового електронно-механічного годинника виробляє напругу 1,4 В при середньому струмі навантаження 1 мА. Напруга, що знімається з ємнісного дільника С1 і С2 випрямляє вузол на елементах VD1, VD2, СЗ. Без навантаження напруга на конденсаторі СЗ не перевищує 12 Ст.
Розглянуті раніше пристрої автоматичного переходуна резервне живлення у разі відключення основного джерела використовували як базове (основне) джерело постійного струму. Менш відомі схеми резервування пристроїв, що працюють на змінному струмі. Схема одного з них, здатного працювати в ланцюгах як постійного, так і змінного струмунаведено нижче.

Мал. 10.10. Схема низьковольтного джерела безперебійного живлення

Мал. 10.11. Схема включення джерела резервного живлення з гальванічною розв'язкою

Схема включення джерела резервного живлення з гальванічною розв'язкою (ІР/7) живиться від джерела сигналу керуючого (рис. 10.11), споживаючи при цьому мінімальний струм (долі мА). Керуючий сигнал надходить на резистивний дільник R1, R2. Стабілітрон VD6 та діоди VD1 - VD5 захищають вхід пристрою від перенапруги та неправильного підключенняполярності. ІР/7 вимкнено контактами реле К1.1. Напруга, що знімається з резистора R2 і стабілітрону VD6, надходить через діод VD5 на електролітичний конденсаторС1 великої ємності. Цей конденсатор при першому включенні пристрою заряджається до 9... 10 за 2.. .3 хвилини, після чого схема готова до роботи. Швидкість заряду і струм, що споживається пристроєм, визначаються резистором R1. Транзистор VT1 закритий падінням напруги на VD5.

Через діод VD7 та резистор R4 пристрій підключено до ІР/7.
При відключенні напруги, що управляє, перехід емітер - база вхідного транзисторапристрої більше не шунтують. Транзистори VT1 ​​та VT2 відкриваються. Конденсатор С1 розряджається через реле К1 та транзистор VT2. Контакти К1.1 реле замикаються, включаючи ІРП. Живлення на схему надходить від ІРП. Одночасно контакти реле К1.2 можуть керувати іншим навантаженням. Якщо на вході пристрою знову з'являється напруга, що управляє, транзистор VT1 замикається. Відповідно, замикається і транзистор VT2. Реле К1 знеструмлюється, відключаючи своїми контактами К1.1 ІРП. Напруга на конденсаторі С1 зберігається лише на рівні 9... 10 Б, і схема перетворюється на очікуваний режим роботи.