на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Маломощный ИБП с выходным напряжением 5 В

Электропитание
1 год назад

Маломощный ИБП с выходным напряжением 5 В


Маломощный источник бесперебойного питания (ИБП) с напряжением на выходе 5 В предназначен для встраивания в дистанционный указатель расхода воды с микроконтроллером STM32F, описание которого было приведено в журнале "Радио" [1]. Основное назначение этого ИБП - обеспечение надёжного питания устройства при отключении сетевого напряжения. В качестве автономного источника питания был использован один Li-Ion аккумулятор типоразмера 18650 и ёмкостью 2 А·ч.

ИБП выполняет основные функции большого ИБП - обеспечивает правильный режим работы и зарядки аккумулятора, при этом нагрузка всё время питается стабилизированным напряжением 5 В. При разработке этого устройства ставилась задача его максимальной интеграции в дистанционный указатель расхода воды [1] с целью сохранения его работоспособности при пропадании сетевого напряжения.

Технические характеристики

Напряжение питания, В ............5

Выходное напряжение, В ........... 5

Ток нагрузки, мА ..................25

Номинальное напряжение элемента, В ..................3,7

Напряжение зарядки, В...........4,2

Напряжение отключения, В ......... 3

Обратимся к схеме, показанной на рис. 3 на с. 41 из статьи в [1]. В ней электрическая цепь между конденсаторами С2 и С3 была удалена, и входом для разработанного ИБП служит соединение с конденсатором С2. Здесь присутствует напряжение 5 В, которое определяется линейным стабилизатором DA1 (7805). Выход предлагаемого ИБП подключён к конденсатору С3.

Схема ИБП

Рис. 1. Схема ИБП

 

Схема ИБП показана на рис. 1. Он содержит три основных функциональных узла. Микросхема DA1 обеспечивает зарядку Li-Ion аккумулятора G1 до напряжения 4,2 В. Ток зарядки задаёт резистор R1. Режим работы узла зарядки отображается внешним светодиодом (на схеме не показан), подключённым катодом к резистору R2, а анодом - к линии питания +5 В входного напряжения (на схеме не показано). На транзисторах VT1-VT3 и реле К1 собран узел, защищающий аккумулятор G1 от глубокой разрядки при питании нагрузки от него. Порог отключения устанавливается подстречным резистором R3. В качестве третьего узла, обеспечивающего питание нагрузки стабильным напряжение 5 В, использован готовый повышающий преобразователь напряжения A1 (рис. 2). Этот модуль имеет малые размеры (17x25 мм), минимально допустимое входное напряжение 2 В и высокий КПД преобразования.

Повышающий преобразователь напряжения

Рис. 2. Повышающий преобразователь напряжения

 

Входное напряжение поступает на вход Vdd (вывод 4) микросхемы DA1, которая является линейным контроллером, управляющим зарядкой Li-Ion аккумулятора G1. Одновременно входное напряжение через диод VD3 поступает на вход преобразовательного модуля A1. Поэтому при наличии входного напряжения модуль A1 обеспечивает нагрузку напряжением 5 В. Оно снимается с вывода 4 модуля А1 и через контакт 5 разъёма Х1.1 поступает на дистанционный указатель расхода воды [1].

Микросхема MCP73831/2(DA1) включена по типовой схеме. Подробно её параметры приведены в [2]. Максимальное напряжение на выходе Vbat (выводе 3) микросхемы DA1 - 4,2 В. Резистор R1 задаёт зарядный ток аккумулятора G1 110 мА. В устройстве не преследовалась цель максимально быстрой зарядки аккумулятора. По схеме элемент G1 через замкнутые контакты реле К1 подключён к выводу 3 DA1. Сюда же подключён анодным выводом диод с барьером Шоттки VD2. При отсутствии входного напряжения аккумулятор G1 подключён через диод VD2 ко входу модуля преобразователя А1, продолжая питать нагрузку стабильным напряжением. Здесь следует уточнить, что при наличии входного питающего напряжения +5 В на выводе 1 разъёма Х1.1 ток протекает через диод VD3 на вход преобразователя A1. Диод VD2 при этом закрыт. Открывается он только после пропадания входного питающего напряжения, и тогда питание преобразователя A1 осуществляется от аккумулятора.

Как указывалось ранее, узел на транзисторах VT1-VT3 и реле К1 защищает элемент G1 от полной разрядки, что может вызвать его повреждение. Основу составляет пороговый триггер Шмитта, выполненный на транзисторах VT1 и VT2. Работа триггера освещена в [3]. Реле К1 типа РЭС55А управляет транзистор VT3. Этот узел получает стабильное питание 5 В с выхода преобразователя А1. Порог отключения установлен на уровне 3 В, хотя по паспортным данным для Li-Ion аккумулятора нижний порог разрядки равен 2,6 В. Немногим более высокий порог выбран исходя из того, что у применённого преобразователя А1 при снижении входного напряжения до 2,6 В потребляемый ток повышается. То есть в таком режиме падает его КПД, да и такой режим благоприятно сказывается на долговечности аккумулятора.

Модуль преобразователя A1 обеспечивает выходное напряжение 5 В. Его назначение - обеспечение на своём выходе стабильного напряжения как при питании от внешнего источника, так и от аккумулятора G1. Построен применённый преобразователь на основе микросхемы МТ3608 [4]. В сети Интернет довольно широко обсуждается этот преобразователь, даже имеются предложения по его доработке [5].

Теперь рассмотрим работу устройства. Допустим, входное напряжение на контакте 1 разъёма X1.1 отсутствует и контакты реле К1 разомкнуты. Соответственно на контакте 5 разъёма X1.1 напряжения тоже нет и нагрузка обесточена. При подаче входного напряжения на ИБП включается в работу микросхема DA1, а через диод VD3 питающее напряжение поступает на вход преобразователя А1. На его выходе появляется напряжение 5 В, которое поступает на дистанционный указатель расхода воды. Также это напряжение поступает на узел защиты. На верхнем выводе (по схеме) резистора R3 появляется напряжение более 4,5 В, транзистор VT1 открывается, транзистор VT2 закрывается. При этом полевой транзистор VT3 открывается, реле К1 сработает и своими контактами подключает аккумулятор G1, и начинается его зарядка. Диод VD2 закрыт и никакого влияния на процесс зарядки не оказывает.

Если отключилось входное напряжение, прекращается ток через диод VD3, напряжение на входе преобразователя понижается до момента открытия и протекания тока через диод VD2, и вот уже на входе преобразователя А1 присутствует напряжение аккумулятора G1 за вычетом падения напряжения на открытом диоде VD2. Поэтому в качестве VD2 выбран диод Шоттки. Диод VD3 предотвращает поступление напряжения на вход устройства. В результате нагрузка продолжает получать стабильное напряжение 5 В. Далее возможны два сценария развития событий. Первый - появляется входное напряжение. Тогда через диод VD3 модуль преобразователя А1 продолжает получать питание, а микросхема DA1 заряжает аккумулятор G1. А второй - входное напряжение не появляется. Тогда аккумулятор G1 будет разряжаться до напряжения 3 В. Время разрядки зависит от его ёмкости и тока, потребляемого всеми узлами и нагрузкой. Снижение напряжения аккумулятора приведёт к переключению всех транзисторов и обесточиванию реле, которое и отключает аккумулятор. В результате нагрузка тоже будет обесточена. Здесь следует упомянуть о назначении кнопки SB1. Она предназначена для принудительного отключения ИБП. Сделать это представится возможным, только предварительно отключив входное напряжение, т. е. отключив сетевой питающий адаптер дистанционного указателя расхода воды.

Внешний вид на монтаж маломощного ИБП в корпусе указателя расхода воды

Рис. 3. Внешний вид на монтаж маломощного ИБП в корпусе указателя расхода воды

 

Печатная плата не разрабатывалась. Маломощный ИБП смонтирован на макетной плате размерами 70x30 мм, которая закреплена в корпусе дистанционного указателя расхода воды на втулках с помощью болтов и гаек диаметром 3 мм. Аккумулятор закреплён рядом с платой устройства. Внешний вид на монтаж маломощного ИБП в корпусе указателя расхода воды показан на рис. 3. Плата модуля преобразователя напряжения А1 закреплена сверху макетной платы ИБП. Для этого использовались выводы двух оксидных конденсаторов, выводы которых пропущены через отверстия входов-выходов А1 и отверстия в монтажной плате ИБП с последующей их пайкой. Ёмкости этих конденсаторов - 10 мкФ (на схеме эти конденсаторы не показаны). Их применение позволило обеспечить стабильность работы модуля преобразователя А1. Реле К1 - РЭС55 А с паспортом РС4.569.6 07 или другим, надёжно срабатывающим при напряжении 5 В. Диод Шоттки VD2 размещён со стороны печатных проводников монтажной платы устройства. Микросхема DA1 в корпусе SOT-23-5 также размещена с обратной стороны монтажной платы ИБП. Вариант её крепления показан на рис. 4. Аккумулятор G1 с помощью монтажных проводников непосредственно подключён к соответствующим элементам устройства. Кнопка SB1 закреплена на боковой стенке корпуса с помощью термоклея. Остальные проводники с устройства соединены с разъёмом X1.1. На основной плате дистанционного указателя расхода воды дополнительно установлена ответная гнездовая часть разъёма. От него уже выполнены все необходимые подключения к нужным точкам дистанционного указателя расхода воды.

Микросхема DA1

Рис. 4. Микросхема DA1

 

Смонтированная и проверенная плата требует налаживания, которое сводится к установке выходного напряжения преобразователя А1 и порога отключения узла защиты. Разъём X1.1 при этом должен быть установлен на место в гнездовую часть. Сначала отключают один из проводов, идущих от аккумулятора G1. Затем отключают провод от вывода 4 преобразователя А1 и к нему и выводу 3 подключают мультиметр в режиме измерения напряжения. Питающий адаптер дистанционного указателя расхода воды подключают к сети, в этом случае на разъём X1.1 поступит напряжение +5 В. С помощью подстроечного резистора на плате преобразователя А1 устанавливают напряжение 5 В. Отключают питающий адаптер от сети, и восстанавливают ранее разорванную цепь от вывода 4 преобразователя А1.

Установку порога срабатывания узла защиты проводят в следующем порядке. Для этого в любом удобном месте отсоединяют провод, идущий к выводу 4 микросхемы DA1, отключают катод диода VD3 и разрывают цепь, идущую на вывод 1 преобразователя А1. Затем к свободному выводу 1 преобразователя А1 подключают катод диода VD3. Между отключённым ранее проводником от аккумулятора G1 и общим проводом подключают мультиметр в режиме измерения напряжения. После этого питающий адаптер дистанционного указателя расхода воды подключают к сети. Если всё сделано верно, входное напряжение +5 В через диод VD3 должно поступить на вывод 1 преобразователя А1. При этом поступит питание и на схему узла контроля, атакже запустится рабочий режим дистанционного указателя расхода воды. Дополнительно понадобится регулируемый источник питания с контролем выходного напряжения. Предварительно на выходе этого источника питания устанавливают напряжение +3 В и с соблюдением полярности подключают к конденсатору С2. Далее вращением движка подстроечного резистора R3 добиваются срабатывания реле К1, состояние которого можно наблюдать по показаниям ранее подключённого мультиметра. После этого вращением движка подстроеч-ного резистора R3 (вниз по схеме) добиваются отключения К1. Затем проверяют правильность выставленного порога отключения. Для этого устанавливают на источнике питания напряжение 4,2 В, реле К1 должно сработать. Теперь плавно уменьшаем выходное напряжение источника питания, отключение реле должно произойти при напряжении 3 В. Если это не так, повторяют описанные выше операции.

После завершения налаживания отключают сетевой питающий адаптер дистанционного указателя расхода воды и восстанавливают все отключённые ранее цепи. Убеждаются в правильности всех восстановленных соединений и включают питающий адаптер в сеть. Должен включиться индикаторный светодиод, так как идёт процесс зарядки аккумулятора G1, и восстановиться рабочий режим дистанционного указателя расхода воды. Отключение питающего адаптера от сети не должно привести к отключению питания дистанционного указателя. Отключить ИБП и соответственно дистанционный указатель расхода воды при питании от аккумулятора G1 можно, только нажав на кнопку SB1.

К недостаткам предложенного маломощного ИБП следует отнести некоторую сложность налаживания и применение в узле отключения электромеханического реле. Также необходимо учесть, что при питании от аккумулятора подсветка индикатора дистанционного указателя расхода воды не работает.

Несмотря на отмеченные недостатки , это устройство обеспечивает надёжную работу дистанционного указателя расхода воды при довольно длительном отключении питающей сети. При желании реле К1 можно заменить электронным выключателем. Идеальной, с этой точки зрения, была бы возможность включения аккумулятора G1 в цепь стока транзистора VT3, при соответствующем его выборе по допустимому току. Но в этом случае в качестве транзистора VT3 должен быть применён полевой транзистор без внутреннего защитного диода, включённого между стоком и истоком. В наличии такого транзистора не оказалось, поэтому и было применено реле.

При использовании этого ИБП для других целей возможно увеличение выходного тока путём замены диода VD3 более мощным и применение реле с контактами, рассчитанными на работу при большем токе. работающими при большем токе. Следует помнить, что и входной источник питания напряжением 5 В должен обладать соответствующей мощностью. Согласно заявленным характеристикам, на преобразователь А1 его максимальный выходной ток может достигать 2 А. Практически было установлено, что указанный модуль надёжно работает примерно до 1 А, на это значение и следует ориентироваться в своих разработках.

Литература

1. Ткачук М. Дистанционный указатель расхода воды с микроконтроллером STM32F. - Радио, 2020, № 7, с. 40-45.

2. Miniature Single-Cell, Fully Integrated Li-Ion, Li-Polymer Charge Management Controllers. - URL: https://ww1.microchip. com/downloads/en/DeviceDoc/MCP73831-Family-Data-Sheet-DS20001984H.pdf (01.11.2020).

3. Восемь простых схем на транзисторах для начинающих радиолюбителей. Триггер Шмитта. - URL:https://www.qrz.ru/ schemes/contribute/beginners/wosem_ prostyh_shem_na_tranzistorah_ dla_nacinajqih_radioljbitelej.html (01.11.2020).

4. MT3608. 2A, High Efficiency 1.2MHz Current Mode Step-Up Converter. - URL: https://prom-electric.ru/media/MT3608. pdf (01.11.2020).

5. Доработка преобразователя MT3608. - URL:https://vip-cxema.org/index.php/ home/bloki-pitaniya/416-dorabotka-preobrazovatelya-mt3608 (01.11.2020).

 

Автор: М. Ткачук, г. Алматы, Казахстан


Рекомендуем к данному материалу ...

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Поля, обязательные для заполнения

Изготовление печатных плат