СХЕМА БЛОКА АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ
ИБП — источник бесперебойного питания, это устройство или целая система, обеспечивающая постоянный доступ какой-либо схемы к источнику питания, независимо от подачи электроэнергии извне по сети. Такие блоки используются для устройств, питающихся от электросети на случай сбоя питания или отключения его по другим причинам.
Простая схема резервного питания
Принципиальная схема показывает очень простой ИБП. На его примере легко понять принцип работы этого устройства. Схема питается от переменного напряжения через трансформатор TR1. На выходе блока питания есть два напряжения: нестабилизированное 12 В (с аккумулятора) и стабилизированное 5 В (через LM7805).
Первичная сторона трансформатора подключена к электросети 220 В. Напряжение на вторичной обмотке может достигать 15 В за выпрямителем, состоящим из четырех диодов 1N4001. Предохранитель на 2 А (F1) служит для защиты в случае отказа батареи или короткого замыкания на выходе устройства. Когда к схеме подключено питание, загорится светодиод 1. Когда напряжение в сети отключается и питание переходит на аккумуляторную батарею, светодиод выключится.
Вышеуказанное устройство разработано таким образом, чтобы его легко было преобразовать в другое напряжение, заменив стабилизатор напряжения или аккумулятор на другой. Например, можно последовательно подключить две батареи 12 В и заменить стабилизатор на LM7815, чтобы источник аварийного питания обеспечивал стабилизированное питание 15 В.
Второй вариант — поставить пару литиевых аккумуляторов, подобрав резисторы под оптимальный зарядный ток. Естественно простые решения имеют некоторые недостатки. Вот некоторые из них:
- Получение 5 В с линейным стабилизатором от 12 В — заметные потери.
- Зарядный ток ограничен обычным резистором R1. Зарядка займет много времени, иначе аккумулятор будет перезаряжен.
- Питание в аварийном режиме с кремниевым диодом D2 — потери, лучше ставить диод Шоттки с малым падением U.
Выбор резистора для батареи
Возьмем допустим свинцово-кислотную батарею 12 В, емкость 10 А/ч
- Напряжение заряженного аккумулятора = 6 х 2,4 В = 14,4 В
- Напряжение разряженной батареи = 10,8 В
То есть чтобы зарядить аккумулятор необходимо, чтобы напряжение за этим ограничивающим резистором было больше 14,4 В. Резистор равен 220 Ом — во время зарядки на этом резисторе произойдет большое падение напряжения — очень низкий зарядный ток или придется подавать намного более высокое напряжение перед резистором, то есть повышается вторичное напряжение. Обращайте внимание и на мощность токоограничивающего резистора, потому что здесь это имеет значение.
Аналогичный аварийный источник питания показан на другой схеме, здесь между диодным мостом и аккумулятором стоит лампочка (как резистор с переменным сопротивлением). С разряженной батареей — ограничение тока до разумного значения (горячая нить колбы), и в то же время не создает большого сопротивления (холодная нить) в конце зарядки. Очень простое и удобное решение как для бесперебойного светодиодного освещения, так и любого другого низковольтного устройства.
Источник
Добавляем резервный аккумуляторный источник питания в небольшие электронные устройства
В данной статье мы рассмотрим, как создать резервный аккумуляторный источник питания для небольших электронных устройств, чтобы на них никогда не пропадало питание.
Резервный аккумуляторный источник питания
Существует множество электронных устройств, на которые должно подаваться питание постоянно и без перебоев. Хорошим примером таких устройств являются будильники. Если посреди ночи питание пропадет, и будильник вовремя не сработает, вы можете пропустить важную встречу. Самым простым решением этой проблемы является резервная аккумуляторная система питания. Таким образом, если питание от внешнего источника падает ниже определенного порогового значения, аккумуляторы автоматически нагрузку на себя и продолжают всё питать, пока не восстановится внешнее питание.
Компоненты для резервного аккумуляторного источника питания
Компоненты
- источник питания постоянного тока;
- аккумуляторы;
- батарейный отсек;
- стабилизатор напряжения (необязательно);
- резистор 1 кОм;
- 2 диода (с допустимым прямым током, превышающим ток от источника питания);
- разъем «папа» для постоянного напряжения;
- разъем «мама» для постоянного напряжения.
Принципиальная схема резервного аккумуляторного источника питания
Принципиальная схема
Существует множество различных видов аккумуляторных систем резервного питания, и выбор типа системы в значительной степени зависит от того, что именно вы питаете. Для данного проекта я разработал простую схему, которую можно использовать для питания маломощной электроники, которая работает от 12 вольт или ниже.
Во-первых, нам нужен источник питания постоянного тока. Такие источники очень распространены и бывают различных напряжений и номинальных токов. Блок питания подключается к схеме через разъем питания постоянного тока. Затем он подключается к блокирующему диоду. Блокирующий диод предотвращает протекание тока из резервной аккумуляторной системы обратно в источник питания. Далее, через резистор и еще один диод подключается аккумуляторная батарея. Резистор позволяет батарее медленно заряжаться от источника питания, а диод обеспечивает низкое сопротивление пути протекания тока между батареей и конечной схемой, таким образом, аккумулятор может питать конечную схему, если выходное напряжение источника питания упадет слишком низко. Если схема, которую вы питаете, требует стабилизированный источник питания, то вы можете просто добавить в конце стабилизатор напряжения.
Принципиальная схема резервного аккумуляторного источника питания
Если вы питаете Arduino или аналогичный микроконтроллер, то вы должны учесть, что вывод Vin уже подключен к встроенному стабилизатору напряжения на плате. Таким образом, вы можете подать на вывод Vin любое напряжение в диапазоне от 7 до 12 вольт.
Выбор номинала резистора
Выбор номинала резистора должен быть сделан с осторожностью, чтобы вдруг не перезарядить аккумулятор. Чтобы выяснить, с каким номиналом надо использовать резистор, необходимо в первую очередь рассмотреть источник питания. Когда вы работаете с нестабилизированным источником питания, выходное напряжение не неизменно. Когда схема, которая питается от него, выключается или отключается, напряжение на выходных клеммах источника увеличивается. Это напряжение холостого хода может достигать значения в полтора раза выше, чем то напряжение, которое указано на корпусе блока питания. Чтобы проверить это, возьмите мультиметр и измерьте напряжение на выходных клеммах источника питания, когда к нему ничего не подключено. Это и будет максимальное напряжение источника питания.
NiMH аккумулятор может безопасно заряжаться при токе заряда C/10, или одна десятая емкости аккумулятора в час. Однако прикладывание тока такой же величины после того, как аккумулятор был полностью заряжен, может привести к его повреждению. Если предполагается, что аккумулятор будет непрерывно заряжаться в течение неопределенного периода времени (как, например, в аккумуляторной системе резервного питания), то ток заряда должен быть очень низким. В идеале, ток заряда должен быть равен C/300 или еще меньше.
В моем случае, я буду использовать аккумуляторный отсек размера AA с аккумуляторами емкостью 2500 мАч. В целях безопасности мне нужен ток заряда 8 мА или меньше. Исходя из этого, можно рассчитать, резистор какого номинала нам нужен.
Чтобы рассчитать необходимое сопротивление вашего резистора, начните с определения напряжения холостого хода источника питания, затем вычтите из него напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи. Это даст вам напряжение на резисторе. Чтобы определить сопротивление, разделите разность напряжений на значение максимального тока. В моем случае, напряжение холостого хода источника питания равно 9В, а напряжение на аккумуляторной батарее равно около 6В. Это дает разность напряжений 3В. Деление этих 3 вольт на ток 0,008 ампер дает значение сопротивления 375 Ом. Поэтому номинал нашего резистора должен быть не менее 375 Ом. Для дополнительной безопасности я использовал резистор 1 кОм. Однако имейте в виду, что использование резистора с большим сопротивлением значительно замедлит заряд аккумулятора. Но это не проблема, если система резервного питания используется очень редко.
Резервный аккумуляторный источник питания
При использовании данной схемы резервного питания вы можете подключить к ней ваш блок питания через разъем питания «папа». Этот разъем подключен к схеме резервного питания от аккумулятора. Тогда на выходе схемы резервного питания устанавливается разъем «мама», в который может быть подключено электронное устройство, которое вы хотите запитать. Этот простой встраиваемый дизайн избавит вас от необходимости модифицировать источник питания или ваше устройство.
Источник
Аварийный блок питания от 1.2В аккумулятора, второй вариант
Я уже изготовил и установил новый, более усовершенствованный аварийный блок питания (далее — АБП) в «Музыкальные часы с термометрами на PIC16F873A» (фото 1). Планировал всего лишь добавить схему, плату и прошивку к первой статье.
Но интерес радиолюбителей к моей статье и вопросы по ней напомнили мне, что в интернете и радиолюбительской литературе я ничего подобного не нашел. И кроме того я не учел, что радиолюбители (и не только опытные) будут «примерять» мой блок к своим конструкциям с другими напряжениями и с другими токами. В этой статье я постараюсь поделится своим опытом создания блока и, возможно, это подскажет пути решения Вашей конкретной задачи. Более полугода выходные дни и все свободное время было потрачено на создание недорогого, но надежного и годами работающего без какого-либо вмешательства АБП. Все нюансы, которые остались в памяти, постараюсь изложить.
Кто интересуется только новой конструкцией может сразу перейти к 3-му разделу.
Аварийный блок питания предназначен для устройств, питающихся от сети и которые, в случае отключения сети: потеряют или не зарегистрируют необходимые данные, не включат или не выключат какое-либо исполнительное устройство, и т.п. Насколько необходим этот блок решать конструктору. Радиолюбитель Panther26 конструирует дозиметр, но с его вопросов не ясно: это регистрирующий в течение длительного срока (дни-месяца-годы) прибор, или это автономный прибор — измерил и положил в ящик. К первому случаю необходим АБП, а во втором случае сделать питание прибора можно использовав аккумулятор и одну из ниже приведенных схем преобразователей рис. 4,5. Зарядное же устройство сделать отдельное, схем в интернете тысячи.
В большинстве случаев АБП требуется микроконтроллерным устройствам.
Первым делом нужно определиться, какие элементы схемы должны и далее получать питание при отключении сети, а которые временно можно обесточить. Ведь закон сохранения энергии никто не отменял. Чем большая мощность нужна на выходе, тем большей емкости должен быть аккумулятор. На рис.1 блок-схема подключения АБП к любому микроконтроллерному устройству.
Рис. 1
А теперь на примере «Музыкальных часов. » разберемся конкретно с подключением. На рис.2 фрагмент схемы этих часов с уже подключенным АБП.
Рис. 2
Из прежней схемы удаляются стабилизатор напряжения, аккумуляторы и их обвязка. От АБП при отключении сети будут питаться +а 5v: микроконтроллер п20, MCLR — п1, кнопки — п5 и п6. Если на 5 и 6 пины не подать +, то МК «подумает», что кнопки нажаты, и следовательно будет накручивать часы и минуты. На коллекторы транзисторов питание подаваться не будет, следовательно индикаторы светиться не будут. Мелодий не будет, так как УНЧ очень «прожорлив». Термодатчики без всяких проблем запустятся при появлении сети. Следовательно микроконтроллер будет исправно выполнять свои задачи и, при появлении сети, всё устройство перейдет в нормальный режим без будь-какого вмешательства извне.
Посчитать точно мощность нагрузки сложно. Я исходил из того, что практически все PICи среднего семейства с отключенной периферией потребляют ток 0,6 — 4 мА при 5 В. В часах МК остался практически «голый», а в АБП работает в поте лица: измеряет, преобразовывает, переключает.
Конечно, к часам не обязательно изготавливать АБП. Можно использовать специализированную микросхему часов реального времени DS1307 с двумя батарейками.
2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Самое простейшее решение аварийного питания было в этих часах рис.3. Здесь зарядное устройство — это последовательно соединенные диод и резистор.
Рис. 3
Я называю это «ползучей подзарядкой». Почти 2 года проработали часы исправно, выдерживали отсутствие сети до 5 часов, но при установке нового АБП замерил напряжения на аккумуляторах: 1,29 — 1,21 — 1,24 — 1,27 вольт. Это уже ненормально.
Если же использовать батарейки, то не потребуется зарядное устройство, но требуется контрольно-сигнальное устройство, чтобы своевременно заменить элементы или почистить контакты. Вывод: АБП нужно делать на аккумуляторах с хорошим зарядным устройством. Но какое бы зарядное Вы не выбрали, в батарее из 4 аккумуляторов со временем проявится «слабое звено», которое подведет в самый неподходящий момент. Надежный АБП нужно делать на одном аккумуляторе.
На рис.4 представлены схемы преобразователей (в равной степени их можно назвать: инверторы, генераторы, автогенераторы, DC-DC преобразователи и т.д.).
Рис. 4
Все эти схемы я собирал, экспериментировал с ними. Каждая из них имеет свои недостатки и достоинства, но больше всего мне подошла схема (рис.5) на германиевом транзисторе. Можно попробовать приспособить вместо генератора какую нибудь специализированную микросхему из серии МАХ или NCP.
Рис. 5
Дело в том, что преобразователь должен включаться только тогда, когда исчезнет сетевое напряжение. Значит нужен ключ. Конечно на транзисторе. Но полевые надежно работают при напряжении 2 вольта и выше. Может и есть такие, но из моих с р-каналом (штук 30 разных типов) только один попался IRF9Z34N из 8, который включался при напряжении 1 вольт. С n-каналом многие полевики работали даже при 0,8 вольтах, но это требовало усложнения конструкции. Поэтому ключ я сделал на КТ3107. На переходе э-к будет падать до 0,2В. Следовательно при разряде аккумулятора от 1,32 до 1 вольта на преобразователе будет 1,12 — 0,8 вольт. Инвертор на германиевом транзисторе нормально работал при напряжении на эмиттере всего 0,6 вольт.
С преобразователем и ключем определились, переходим к зарядному устройству. На рис.6 фрагмент схемы АБП, в котором зарядное устройство выполнено на операционном усилителе.
Рис. 6
Еще я делал на LM311. Схема рабочая. Один АБП я изготовил и установил. Но полного удовлетворения не получил. Много времени уходит на настройку петли включения — выключения заряда и на узел контроля наличия сети. Получилось. Но все это с каким-то малым запасом устойчивости. Призвал на помощь микроконтроллер, тогда появился первый вариант АБП.
3. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ВАРИАНТ АВАРИЙНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ.
На рис.7 схема несколько улучшенного, по сравнению с //cxem.net/pitanie/5-280.php АБП. А фото в начале статьи.
Рис. 7
То, что я объяснял в предыдущей статье, повторять не буду.
- узел включения — выключения заряда аккумулятора выполнен на полевом транзисторе. Подойдет любой с р-каналом. Когда на затвор подается 1 — транзистор закрыт, а когда порт RC0 включен на вход (Z) — транзистор открыт.
- пришлось пожертвовать одним портом для ввода стабильного опорного напряжения (от VR2). В прежней схеме опорным напряжением для всех измерений служило напряжение питания микроконтроллера. Но в случае питания устройства от преобразователя, напряжение питания меняется в рамках 5 — 4 вольта. Это приходилось учитывать в программе. Теперь стабильно 2,495 вольта.
- узел включения генератора немного изменен, но принцип работы остался тот-же (рис.8).
Рис. 8
В момент исчезновения сети t0 микроконтроллер мгновенно выставляет 0 на порту С1, что приводит к полному отпиранию транзистора VT1 и запуску генератора. Превышение напряжения будет гасится стабилитроном VD4. После переходных процессов 0,025 сек МК занимается только измерением выходного напряжения и перебором ступеней RC1 — RC4 включения транзистора. Сначала увеличив сопротивление в базовой цепи до максимума, если аккумулятор в этот момент полностью заряжен, а потом уменьшая его при снижении выходного напряжения до 4,1 вольта. Когда дойдет опять до С1, то каждые две минуты будет подаваться кратковременный звуковой сигнал. Для привлечения внимания.
Все это время проводится мониторинг наличия сетевого напряжения, которое может появится в любой момент. Но выключение преобразователя произойдет с задержкой 0,5 сек. Это сделано для защиты от сетевых помех и провалов напряжения.
Назначение резистора R9: для надежного определения микроконтроллером отсутствия или внутреннего обрыва аккумулятора.
Емкость конденсатора С9 влияет на готовность генератора к повторному запуску. Чем больше емкость, тем дольше генератор не сможет запустится.
VD2 любой выпрямительный.
Печатная плата 70х60мм из одностороннего фольгированного текстолита выглядит так:
Источник