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.
1. НАЗНАЧЕНИЕ.
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.
Изменения:
- 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:
К миниатюризации я не стремился.
Печатка и прошивка прилагается.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Рисунок 4. Преобразователь напряжения вариант №1. | |||||||
| Биполярный транзистор | КТ3107А | 1 | |||||
| Биполярный транзистор | КТ3102А | 1 | |||||
| Диод Шоттки | 1N5819 | 1 | |||||
| Конденсатор | 0.01 мкФ | 1 | |||||
| Конденсатор | 0.022 мкФ | 1 | |||||
| Электролитический конденсатор | 22 мкФ 16 В | 2 | |||||
| Резистор | 10 кОм | 1 | |||||
| Резистор | 100 кОм | 1 | |||||
| Tr | Трансформатор | 1 | |||||
| Bat | Аккумуляторная батарея | 1.2 В | 1 | ||||
| Рисунок 4. Преобразователь напряжения вариант №2. | |||||||
| VT, VT | Биполярный транзистор | КТ602А | 2 | ||||
| Выпрямительный диод | 1N4007 | 2 | |||||
| Электролитический конденсатор | 22 мкФ 16 В | 1 | |||||
| Электролитический конденсатор | 100 мкФ | 1 | |||||
| Трансформатор | 1 | ||||||
| Bat | Аккумуляторная батарея | 1.2 В | 1 | ||||
| Рисунок 4. Преобразователь напряжения вариант №3. | |||||||
| VT | Биполярный транзистор | КТ3107А | 1 | ||||
| VT | Биполярный транзистор | КТ3102А | 1 | ||||
| Диод Шоттки | 1N5819 | 1 | |||||
| Электролитический конденсатор | 470 мкФ 16 В | 1 | |||||
| Резистор | 1 кОм | 1 | |||||
| Резистор | 100 кОм | 1 | |||||
| Резистор | 200 кОм | 1 | |||||
| Дроссель | 100 мкГн | 1 | |||||
| Bat | Аккумуляторная батарея | 1.2 В | 1 | ||||
| Рисунок 5. Преобразователь напряжения. | |||||||
| Биполярный транзистор | ГТ403А | 1 | |||||
| Диод Шоттки | 1N5819 | 1 | |||||
| Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | |||||
| Электролитический конденсатор | 10 мкФ 6.3 В | 1 | |||||
| Электролитический конденсатор | 10 мкФ 16 В | 1 | |||||
| Tr2 | Трансформатор | 1 | |||||
| Аккумуляторная батарея | 1.2 В | 1 | |||||
| Рисунок 6. Зарядное устройство на операционном усилителе. | |||||||
| Операционный усилитель | LM358 | 1 | |||||
| VT5 | Биполярный транзистор | КТ3107А | 1 | ||||
| VT6 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | ||||
| VT7 | Биполярный транзистор | КТ502А | 1 | ||||
| VT8 | Полевой транзистор | КП103К | 1 | ||||
| OC2 | Оптопара | PC120 | 1 | ||||
| VD4 | Стабилитрон | КС139А | 1 | ||||
| VD5 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | ||||
| С8 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ 6.3 В | 1 | ||||
| С9 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | ||||
| С10 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ 16 В | 1 | ||||
| С11 | Конденсатор | 0.01 мкФ | 1 | ||||
| С12 | Электролитический конденсатор | 330 мкФ 16 В | 1 | ||||
| R15 | Резистор | 68 кОм | 1 | ||||
| R16 | Резистор | 10 кОм | 1 | ||||
| R17, R18 | Резистор | 100 Ом | 2 | ||||
| R19 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | ||||
| R20 | Подстроечный резистор | 22 кОм | 1 | ||||
| R21 | Резистор | 100 кОм | 1 | ||||
| R22 | Подстроечный резистор | 2.2 кОм | 1 | ||||
| R23 | Резистор | 330 Ом | 1 | ||||
| R24 | Резистор | 1 кОм | 1 | ||||
| R25 | Резистор | 51 Ом | 1 | 0.5 Вт | |||
| R26 | Резистор | 5.6 кОм | 1 | ||||
| R27 | Резистор | 7.5 кОм | 1 | ||||
| HL2 | Светодиод | 1 | |||||
| Akk2 | Аккумуляторная батарея | 1.32 В | 1 | ||||
| Рисунок 7. Зарядное устройство на микроконтроллере. | |||||||
| МК PIC 8-бит | PIC16F676 | 1 | |||||
| DC/DC импульсный конвертер | LM2575 | 1 | |||||
| VR2 | ИС источника опорного напряжения | TL431 | 1 | ||||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ3107А | 1 | ||||
| VT2 | Биполярный транзистор | ГТ403А | 1 | ||||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRFD9024 | 1 | ||||
| VDS | Диодный мост | 1 | |||||
| VD1, VD3 | Диод Шоттки | 1N5819 | 2 | ||||
| VD2 | Выпрямительный диод | BYV26C | 1 | ||||
| VD4 | Стабилитрон | КС156Г | 1 | ||||
| VD5 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | ||||
| С1, С3, С5, С8, С11 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 5 | ||||
| С2 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 35 В | 1 | ||||
| С4 | Электролитический конденсатор | 330 мкФ | 1 | ||||
| С6 | Конденсатор | 0.022 мкФ | 1 | ||||
| С7 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ 6.3 В | 1 | ||||
| С9 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ 16 В | 1 | ||||
| С10 | Электролитический конденсатор | 330 мкФ 10 В | 1 | ||||
| R1 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | ||||
| R2 | Резистор | 2.7 кОм | 1 | ||||
| R3 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | ||||
| R4 | Резистор | 7.5 кОм | 1 | ||||
| R5, R6 | Резистор | 330 Ом | 2 | ||||
| R7, R9 | Резистор | 100 кОм | 2 | ||||
| R8, R18, R19 | Резистор | 2 кОм | 3 | ||||
| R10 | Резистор | 180 Ом | 1 | ||||
| R11 | Резистор | 51 Ом | 1 | 1 Вт | |||
| R12 | Резистор | 10 кОм | 1 | ||||
| R13 | Резистор | 1.2 кОм | 1 | ||||
| R14 | Резистор | 270 Ом | 1 | ||||
| R15 | Резистор | 1 кОм | 1 | ||||
| R16 | Резистор | 470 Ом | 1 | ||||
| R17 | Резистор | 680 Ом | 1 | ||||
| HL1 | Светодиод | Желтый | 1 | ||||
| HL2 | Светодиод | Зеленый | 1 | ||||
| HL3 | Светодиод | Белый | 1 | ||||
| Бузер | 1 | ||||||
| L1 | Катушка индуктивности | 330 мкГн | 1 | ||||
| Tr1 | Трансформатор | 1 | |||||
| Akk1 | Аккумуляторная батарея | 1.2 В | 1 | ||||