Схемы бесперебойного питания для устройств на микроконтроллерах. Да будет свет! Система резервного питания в загородном доме

Часть 2. Изготовление простого контроллера для свинцово-кислотного аккумулятора.

Начнем с определения параметров контроллера.

Так как, был нужен достаточно простой вариант контроллера заряда/разряда, то и серьезных требований к параметрам не предъявлялось.

1. Нужно защитить аккумулятор от перезаряда. В моем случае ток с СП не превышает 1,4а, поэтому не требуется его ограничивать. А вот конечное напряжение при зарядке нужно ограничить в связи с тем, что СП может давать до 20в (см. расчеты выше).

2. Нужно защитить от разряда. Например, отключать всю нагрузку, когда напряжение на нем снизится до выставленного нами уровня.

3. Сделать светодиодную индикацию для наглядности.

Для ограничения конечного напряжения зарядки я использовал стандартное включение стабилизатора напряжения LM317, который ограничивает напряжение до 13,6в.

Для исключения возможности разряда аккумулятора воспользуемся операционным усилителем LM358, который будет отслеживать напряжение на нашем аккумуляторе и, при снижении его до 10в, отключать всю нагрузку.

Кроме того, LM358 является «сдвоенным» операционным усилителем, поэтому и индикацию на светодиоде мы также реализуем на этой микросхеме.

Кратко по схеме. КН1 – кнопка без фиксации, является запуском для включения нагрузки (например резервного освещения). КН2 – принудительное отключение нагрузки. Реле должно быть с напряжением питания 12в. Ток реле выбирается исходя из нагрузки.

Работа схемы заключается в отслеживании напряжения на аккумуляторе микросхемой и, при снижении напряжения до уровня, настроенного подстроечным резистором, на выводе 1 микросхемы исчезает напряжение для питания реле и реле отключается. При этом обесточивается вся схема, то есть отключается нагрузка.

А вот вторая часть микросхемы, отвечающая за индикацию, работает наоборот. При снижении напряжения до настроенного уровня вторым подстроечным резистором, на выводе 7 появляется ток и, соответственно, загорается светодиод.

Наладка схемы сводится к установке напряжений срабатывания.

Для этого нам понадобиться блок питания с плавной регулировкой напряжения.

БП мы подключаем ко «входу 12-15в с аккумулятора» (имитируем аккумулятор) и подаем напряжение 12в. Далее нажимаем КН1 и слышим как сработало реле.

Плавно снижаем напряжение питания до 10в. После вращаем подстроечный резистор на 3-ем выводе микросхемы и добиваемся отключения схемы. Таким образом, при разрядке аккумулятора до 10в, наша схема сама отключится и защитит аккумулятор от глубокого разряда.

Аналогично настраиваем напряжение срабатывания светодиода. Он должен загораться при 11в на БП.

В итоге: при падении напряжения до 11в, включается светодиод, сообщающий о скором отключении всей схемы. А при падении напряжения на аккумуляторе 10в вся схема отключится.

Печатные платы разведены в lay и, при использования метода ЛУТ, протравлены в хлорном железе.

Блок ограничения напряжения заряда.

Блок контроля разряда аккумулятора.

В качестве корпуса для контроллера я использовал короб от старого CD-ROM.

В процессе эксплуатации, мне понадобилась дополнительная индикация тока зарядки, тока потребления нагрузкой и напряжения на аккумуляторе. Для этого я заказал уже готовые индикаторы на «АЛИ» и подключил в соответствующие цепи.

Для обеспечения надежной работы многих стационарных устройств необходимо применять резервное питание. Чаще всего для этих целей устанавливают аккумулятор, но за ним надо следить, не допуская сильного разряда и вовремя ставить на подза- ряд. Удобнее эту обязанность поручить автоматике.

Для подзаряда аккумулятора необходимо соответствующее устройство (внутреннее или внешнее). Зарядное устройство можно выполнить в составе системы бесперебойного питания и полностью автоматизировать процесс, т. е. оно может включаться при снижении напряжения на аккумуляторе ниже порогового уровня , или же применить «плавающий» подзаряд . Под плавающим зарядом подразумевают подключение аккумулятора параллельно с нагрузкой (рис. 2.18), когда источник питания служит только для компенсации токов саморазряда в элементах питания. В этом случае схема получается наиболее простой.

В этих схемах поступающее напряжение с трансформатора выбирается таким, чтобы зарядный ток, проходящий через аккумулятор, компенсировал ток естественного саморазряда. Нужное напряжение после выпрямителя можно подобрать экспериментально установкой дополнительных диодов или с помощью отводов от вторичной обмотки трансформатора (у некоторых унифицированных трансформаторов, например из серии TH, ТПП и др., есть возможность немного изменить напряжение во вторичной цепи за счет переключения отводов в первичной обмотке). При этом контролируем ток в цепи аккумулятора по амперметру. Обычно значение тока «плавающего» подзаряда не должно превышать 0,005…0,01 номинального для аккумулятора. Уменьшение тока заряда приводит только к увеличению продолжительности процесса (в данном применении время заряда значения не имеет - оно всегда будет достаточным).

Такие схемы можно применять, если ваша сеть достаточно стабильна и питающее напряжение не выходит за рамки допуска

Рис. 2.18. Схемы, обеспечивающиеплавающийподзаряд аккумулятора резервного питания

(в крупных городах за этим следят). В противном случае между трансформатором и аккумулятором устанавливается стабилизатор напряжения и диод, препятствующий прохождению тока аккумулятора в стабилизатор, когда трансформатор не включен (рис. 2.19). Микросхема KP142EH12 может быть заменена аналогичной импортной LM317.

Рис. 2.19. Схема зарядного устройства со стабилизатором напряжения

Более совершенная схема зарядного устройства приведена на рис. 2.20. Она не только поддерживает стабильное напряжение на

аккумуляторе, но и имеет настраиваемую токовую защиту, которая предотвращает повреждение элементов в случае короткого замыкания на выходе (или неисправности аккумулятора). Ограничение тока полезно и в тех случаях, когда подключается новый аккумулятор (еще не заряженный или сильно разряженный ранее). В этом случае ограничение тока на нужном уровне предотвращает перегрузку питающего сетевого трансформатора (он может быть маломощным - 14…30 Вт, так как в режиме «Тревога» необходимый ток вполне может обеспечить сам аккумулятор). Кроме того, внутри микросхемы есть температурная защита, отключающая ее выход при перегреве, что исключает повреждение компонентов.

Для сборки устройства можно воспользоваться односторонней печатной платой из стеклотекстолита, показанной на рис. 2.21, ее внешний вид приведен на рис. 2.22.

При монтаже применялись детали C1 - любой оксидный, С2-С4 - из серии K10. Подстроечный резистор R4 - многооборотный СП5-2В. В качестве микросхемы можно использовать любые из серии K142EH3 или K142EH4 - они имеют планарные выводы. Для установки микросхемы со стороны печатных проводников, в плате сделано окно размером 15 x 10 мм и отверстия для ее крепления. Между пластиной теплоотвода микросхемы и платой подкладываются диэлектрические шайбы так, чтобы выводы легли прямо на токопроводящие дорожки. Это позволит ко всей плоскости микросхемы закрепить отводящую тепло пластину.

Рис. 2.21. Топология печатной платы и расположение элементов

Рис. 2.22. Внешний вид монтажа элементов на плате

Трансформатор (T1) можно заменить на ТП115-K9 - он имеет 2 обмотки по 12 В с допустимым током до 0,8 А. В холостом ходу на обмотке будет напряжение 16 В, а после выпрямления и сглаживания конденсатором - 19 В, что вполне достаточно для работы стабилизатора (основную часть времени схема будет работать как раз в режиме хрлостого хода).

Работающая аналогично еще одна схема приведена на рис. 2.2,3- Основой ее является микросхема L200 (отечественных аналогов нет), имеющая выводы (2 и 5) для контроля тока в нагрузке. Приреденное включение микросхемы является типовым: от номинала резистора В2 зависит максимальный ток в цепи нагрузки (Lax = 0,45/R2), а нужное напряжение выставляется резистором R3. Стабилизатор может обеспечить выходной ток от 0,1 до 2 А и имеет внутреннюю защиту от перегрева.

Рис. 2.23. Второй вариант схемы зарядного устройства с ограничением тока

Для монтажа элементов второй схемы зарядного устройства можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 2.24.

О настройке всех схем со стабилизацией. Вам потребуется миллиамперметр, вольтметр (лучше цифровой) и имитирующий нагрузку мощный резистор. Все это соединяется no схеме, показанной на рис. 2.25.

Сначала при отключенном аккумуляторе соответствующим подстроечным резистором выставляем на выходе стабилизатора напряжение 13 В, После этого переключателем S1 включаем резистор RH и проверяем ток ограничения. Его можно установить любым при помощи подбора резистора токовой обратной связи - R3 в схеме рис. 2.20 (например, для тока 220 мА - R3 = 3,9 Ом; для 300 мА - R3 = 3,3 Ом) или R2 в схеме на рис. 2.23.

Рис. 2.24. Топология печатной платы и внешний вид монтажа

Рис. 2.25. Стенддля настройки и проверки зарядногоустройства

Теперь вместо резистора RH подключаем аккумулятор GB1. Необходимый ток в цепи заряда (для энергоемкости конкрегного аккумулятора) устанавливаем подстройкой выходного напряжения. Окончательную установку следует делать уже после того, как аккумулятор полностью зарядится - этот ток должен компенсировать саморазрядОВ1.

Дополнительная литература

1. Кадино Э. Электронные системы охраны. Пер. с франц. - M.: ДМК Пресс, 2001,c. 11.

2. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 1. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 84.

3. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 3. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 133.

4. Сайт фирмы: http://www.dart.ru/index5.shtml?/cataloguenew/acoustics/oscillator.shtml

5. ХрусталевД. А. Аккумуляторы. - M.: Изумруд, 2003.

Источником аварийного питания во многих объектах является аккумуляторная батарея. Для длительного использования батареи ее необходимо регулярно заряжать, сделать это можно с помощью предложенной схемы.

Устройство работает от сетевого напряжения 220В. Во время зарядки аккумулятора тиристор Т1 открыт. При этом напряжение на С1 (R4) ниже порогового напряжения 12-14В стабилитрона Д7, и тиристор Т2 закрыт. Когда напряжение батареи приближается к значению полного заряда, отпирается тиристор Т2, и через делитель напряжения R6-R7 на управляющий электрод Т1 подается запирающее напряжение отрицательной полярности. Т1 закрывается, батарея разряжается и переходит в режим дозарядки малым током, определяемым величиной сопротивления резисторов R1 R2 R3.

Величину зарядного тока можно контролировать амперметром. Повторный заряд батареи начинается автоматически, когда ее напряжение упадет настолько, что тиристор Т2 закроется.

При первом включении схему следует настроить. Это достигается изменением сопротивления R4 до такого значения пока в цепи батареи не появится ток и не откроется тиристор Т1.

В дальнейшем схема в подстройке не нуждается и работает автоматически. Амперметр необходим только для контроля тока подзарядки в момент настройки, после чего его можно заменить на перемычку.

Литература - Бастанов В.Г. 300 практических советов. Москва: Издательство «Московский рабочий», 1982

• Похожие статьи

В данной статье мы рассмотрим, как создать резервный аккумуляторный источник питания для небольших электронных устройств, чтобы на них никогда не пропадало питание.

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

• 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

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.

Если вы питаете Arduino или аналогичный микроконтроллер, то вы должны учесть, что вывод V in уже подключен к встроенному стабилизатору напряжения на плате. Таким образом, вы можете подать на вывод V in 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.

И так - как-то в одно время потихоньку на нашем предприятии (фирма очень бедная: как и большинство ТЕПЛОЕНЕРГО в Украине) начали выходить из строя, т.е. выгорать "по горячей стороне" импульсные БП которые в последствии были заменены.
Пришлось сообразить, т.е. сделать 6шт. источников питания для питания некоторых приборов (имеют отношение к метрологии, КИПиА).
Требования к ним были такими:
1) стабилизированное питание датчика - 20:28В/0.1А
2) стабилизированное питание самого прибора - 10:14В/0.2А
3) гальваническая развязка между каналами питания
4) резервное питание прибора (датчика нет) от АКБ 12В (дальше перечислять не буду)
Решил велосипед не изобретать, а использовать уже наработанные схемные решения, тем более надо было, чтоб получилось дешево и качественно. Да и как то сильно не заморачивался с выбором схемотехники - в голове сами по себе вырисовывались примеры реализации БП.
Ну вот и вся история а теперь - к делу.
Схема устройства:

Как видно из схемы, БП состоит из двух независимых каналов 24В и 12В построенных на "кренках". По 12В к LM7812 установлен диод VD5, что поднимает напряжение до 12.7В для компенсации падения на VD12. Больше по стабилизаторам нечего сказать, так как это общеизвестная схемотехника и описана в любом справочнике и конечно, все это есть в "Обучалке".
Для обеспечения бесперебойного питания используется аккумуляторная батарея (в моем случае - это "GEMBIRD 12V4.5A").
Схема, показанная на рисунке, исключает повреждение аккумуляторов из-за получения ими избыточного заряда. Она автоматически отключает процесс заряда при повышении напряжения на элементах выше допустимой величины и состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT3, усилителя VT2, детектора уровня напряжения на VT1 .
Индикатором процесса заряда является свечение светодиода VD4, который при его окончании гаснет.
Настройку устройства начинаем со стабилизатора тока. Для этого временно замыкаем вывод базы транзистора VT3 на общий провод, а вместо аккумуляторов подключаем эквивалентную нагрузку с миллиамперметром 0...500 мА. Контролируя прибором ток в нагрузке, подбором резистора R3 устанавливаем номинальный ток заряда для конкретного типа аккумуляторов.
Вторым этапом настройки является установка уровня ограничения выходного напряжения с помощью подстроечного резистора R4. Для этого, контролируя напряжение на нагрузке, увеличиваем сопротивление нагрузки до момента появления максимально допустимого напряжения (13.8 В для АКБ 12В/4.5А). Резистором R5 добиваемся отключения тока в нагрузке (погаснет светодиод).
Трансформатор подойдет любой малогабаритный с напряжением на вторичных обмотках 15...18 В; для 24В-го канала - 25..28В.
Транзистор VT3 крепится к теплорассеивающей пластине. Для удобства настройки в качестве R4 желательно использовать многооборотный резистор типа СП5-2 или аналогичный, остальные резисторы подойдут любого типа.
Для осуществления резервного питания по 12В от АКБ используются цепи схемы на элементах VD7, VT4, VT5 и реле (импортное 12В) с одной группой контактов переключения. При наличии сетевого питания а значит и +U на конденсаторах С4, С5 , транзистор VT4 открыт и реле обесточено, через замкнутые контакты происходит заряд АКБ. При пропадании напряжения в сети, транзистор VT4 закрывается - VT5 открывается и срабатывает реле - своими контактами подключая "+" АКБ через VD11 к нагрузке.
Теперь немного об использованных деталях:
- диоды - любые..исходя из токов и напряжений, я применил самые дешевые импортные 1N4007;
- транзисторы VT1, VT2, VT4 - КТ3102, можно КТ315 или импортные аналоги.
- транзистор VT3 можно применить КТ814 или КТ816 - зависит от емкости АКБ и тока которым будет заряжаться;

Теперь немного в фотографиях - процесс изготовления:

Печатная плата. Впаял "релюху" - потом вспомнил, что надо для истории сфотографировать. Дорожки не залуживал, т.к. сам текстолит оказался плохого качества - отслаивались дорожки даже при мин. температуре паяльника. После пайки покрыл всю плату лаком.