Простой резервируемый (Backed-UP) источник питания для самодельных устройств

Описана схема самодельного блока бесперебойного питания на основе двух интегральных стабилизаторов, который обеспечит непрерывную работу устройства с низковольтным питанием. Элементом накопления энергии для резервирования служит Ni-MH аккумуляторная батарея.

Содержание:

1. Вступление
2. Характеристики аккумулятора
3. Принципиальная схема
4. Электронные компоненты схемы
5. В завершение

Вступление

Собирая самодельные радиоэлектронные устройства, рано или поздно станет необходимостью обеспечение их бесперебойным питанием.

Есть устройства, которые не требуют постоянного непрерывного питания - их можно отключить, и потом, зарядив аккумулятор, снова включить и использовать.

В этом случае для зарядки не нужен мощный блок питания, поскольку устройство будет питаться преимущественно от накопленной в аккумуляторе энергии. В таких устройствах сейчас зачастую используют батареи из Li-Ion элементов.

В случае необходимости непрерывного питания устройства с применением Li-Ion элементов придется использовать уже достаточно сложную схему, которая:

• Будет контролировать заряд и разряд элементов питания;
• Сумеет балансировать ток заряда для каждой аккумуляторной ячейки;
• Обеспечивать корректное переключение источника напряжения при питании от сети;
• Следить за напряжением и температурой элементов (безопасность);
• и т.д.

Если вашему устройству не очень критичен вес и позволяют габариты, то можно обойтись более безопасным и простым решением на основе Ni-MH аккумуляторов, которые не есть настолько взрывоопасными и требовательными к параметрам заряд/разряд как Li-Ion.

Аккумуляторы Ni-MH не нужно обслуживать так как Li-Ion и на их основе можно смастерить не сложный, не дорогой и безопасный UPS.

По этой причине именно Ni-MH аккумуляторы зачастую используются в источниках бесперебойного питания для компьютеров, серверов, в системах охранной сигнализации и еще много где.

Поэтому, для начинающего конструктора электронных устройств, при сборке самодельного UPS я бы рекомендовал использовать именно Ni-MH или Ni-CD аккумуляторы.

Это безопасно, не дорого, хотя за это и придется расплатиться небольшим увеличением общего веса и габаритов устройства.

Характеристики аккумулятора

Выбирать подходящий аккумулятор нужно исходя из требуемого напряжения и емкости. После покупки аккумулятора (а если есть возможность то лучше еще перед ней) нужно внимательно изучить документацию по его использованию.

Как правило, документацию (даташит, datasheet) на покупаемый аккумулятор можно найти на сайте производителя.

В нашем случае, обращаем особое внимание на:

• максимально допустимый ток заряда;
• напряжение циклической работы с постоянной подзарядкой (Cycle Use Voltage);
• максимально допустимое напряжение разряда.

Каждый аккумулятор с течением времени понемногу теряет свой заряд, поэтому при питании схемы от сети батарея должна иметь постоянный подзаряд до некоторого значения напряжения - это и есть Cycle Use Voltage.

Принципиальная схема

Нам нужно собрать схему, которая обеспечит:

1. Питание устройства от сети и одновременную подзарядку аккумулятора, без потребления тока от последнего;
2. Питание устройства от аккумулятора, в случае пропадания напряжения в сети, не допустив при этом протекания напряжения из батареи обратно в блок питания и другие цепи.

Достаточно простую схему, которая удовлетворяет этим запросам, можно собрать на двух интегральных стабилизаторах с низким падением напряжения на выходе и нескольких дополнительных электронных компонентах.

Вот пример одной интересной схемы, который я взял из даташита на интегральный стабилизатор NCP1117 (On Semiconductor):

Здесь все рассчитано на аккумулятор напряжением 6В и питание нагрузки на +5В.

Диоды Шоттки D1-D2 нужны чтобы не допустить прохождение обратного напряжения с батареи на блок питания, который питается от сети (подключен к входу - Input) и на DA1.

С помощью этих же диодов входы микросхем и батарея защищены от короткого замыкания на выходе блока питания (на входе схемы Input).

Резистор Rchg ограничивает ток заряда батареи. Выходное напряжение интегрального стабилизатора DA1 на ножке 2 немного смещено в большую сторону за счет резистора на 50 Ом, включенного между землей и управляющим выводом 1 (Adj, Adjust).

Таким образом, при питании от сети (на input поступает напряжение 7,2-7,3В), первый стабилизатор (на микросхеме DA1) обеспечивает выходное напряжение +5,3В. В то же время, второй стабилизатор, собранный на микросхеме DA2, обеспечивает на выходе +5В.

Эта разница напряжений на выходах стабилизаторов предотвращает расход тока батареи при наличии напряжения на входе схемы (Input).

Электронные компоненты схемы

Сетевой блок питания должен выдавать постоянное стабильное напряжение 7,2-7,3В (в зависимости от рекомендуемого для аккумулятора напряжения Cycle Use). Обеспечиваемый им ток должен быть достаточен для: питания устройства + заряда аккумулятора.

Такой источник питания можно собрать на основе трансформатора с выпрямителем, добавив к нему схему стабилизации напряжения на микросхеме. Стабилизатор нужен регулируемый и может быть:

• Линейным, собранным на микросхеме LM317 (до 1,5А) или LM338 (до 5А) и других;
• Или импульсным, собранным на популярных микросхемах LM2596 и других, в том числе и готовый модуль.

Также можно изготовить импульсный блок питания или переделать готовый под нужное выходное напряжение.

Электролитические конденсаторы по 10 мкФ желательно ставить с напряжением не менее 16-25В.

Сопротивление резистора Rchg подбирается таким, которое обеспечит достаточный и безопасный ток заряда аккумулятора.

Мощность этого резистора должна быть достаточной чтобы выдержать пиковый ток заряда (когда аккумулятор почти полностью разряжен и течет максимальный зарядный ток).

Например, при батареи на 6В и максимальном токе заряда 1А, мощность резистора должна быть не менее:

P = U * I = 6В * 1А = 6 Вт.

Сопротивление Rchg можно определить экспериментально: нужно разрядить батарею до допустимого минимального значения напряжения, подключая резисторы разного сопротивления (начав с наибольшего) выполнять контроль за током заряда (в разрыв цепи, последовательно с резистором, включить Амперметр) чтобы он не превышал рекомендуемого значения для выбранного аккумулятора.

Интегральные микросхемы NCP1117 - это регулируемые линейные стабилизаторы с низким падением напряжения на выходе (максимум 1,2В при токе 800мА). Максимальный выходной ток - 1А.

В схеме можно попробовать применить и другие подобные интегральные стабилизаторы, обеспечивающие нужные выходные параметры.

Например:

• LM2941 имеет заявленное еще более низкое проседание напряжения на выходе - 500 мВ;
• LT3080 - с проседанием выходного напряжения максимум 350 мВ при токе 1А;
• и другие...

Также, соблюдая принцип "с DA1 получаем напряжение на 0,3 В больше чем с DA2", можно попробовать использовать два импульсных стабилизатора (вместо DA1 и DA2), развязав их выходы с помощью диода Шоттки в выходной цепи стабилизатора "DA2".

Нужно проконтролировать чтобы при максимальном потребляемом устройством токе напряжение на первом стабилизаторе не проседало ниже границы напряжения, выдаваемого вторым стабилизатором, иначе будет исчерпываться заряд из батареи.

Для переделки блока под обеспечение выходного напряжения +12В и для аккумулятора на 12В придется использовать другие микросхемы-стабилизаторы, а также подобрать сопротивление резистора в цепи управляющей ножки микросхемы DA1.

В завершение

Рассматриваемая в статье схема простого блочка UPS позволит питать самодельные устройства с током потребления до 1А.

Если нужны токи побольше, то придется поискать подходящую микросхему для сборки стабилизаторов (DA1, DA2) или же собирать какую-то другую, более сложную схему с управлением и ключами на мощных MOSFET-транзисторах.

Полезные ссылки и ресурсы:

• Даташит на микросхему NCP1117 (7Z 156 КБ, PDF);
• Low-dropout regulator - Wikipedia (en);
• Разработка устройства бесперебойного питания для Raspberry Pi - Habr.