Разработка источника питания для энергоемкого портативного устройства

в 12:05, , рубрики: DIY, diy или сделай сам, Песочница, питание, портативная техника, сделай сам, Электроника для начинающих, метки: , , ,

Доброго времени суток всем хабражителям.

Этот пост относится к разделу «Сделай сам» и описывает простой (на мой взгляд) способ решения задачи контроля питания.

На досуге ковыряю паяльником здоровенный бумбокс в корпусе древнего советского магнитофона "Электроника 211 Стерео", задача — собрать портативный агрегат с полным фаршем, достаточной выходной звуковой мощностью и продолжительностью работы для выезда на природу, занятий в тренажерном зале и для озвучки гаража. Вот требования, которые я выдвигал при разработке устройства к его питанию:

— стабильное питание для встроенных мною цифровых 5-вольтовых устройств со средним током не менее 1А — устаревшего КПК, плеера, а также внешних устройств — флешек USB и SD, жесткого диска;
— питание усилителя мощности напряжением от 11 до 18В;
— автономное питание, достаточное для продолжительного функционирования устройства на максимальной громкости с постоянной производительностью;
— внешнее питание от сети 220 вольт;
— внешнее питание от бортовой сети автомобиля;
— электронное управление питанием;
— нулевое потребление энергии аккумуляторов в ждущем режиме;
— контроль разрядки батареи Li-Ion аккумуляторов с предупреждением о разряде и автоотключением;
— подбор деталей по возможности из бросовых элементов (места в корпусе бумбокса с большим избытком).

По моему мнению, все пункты разработки оказались успешно реализованы, частично кроме последнего — пришлось все же потратить $6.2 на покупку модуля эффективного DC-DC преобразователя, еще $13.2 соответственно аккумуляторы 4 шт. и $2.8 батарейный бокс на 4 штуки. Остальные детали были спаяны с горелых материнских плат и древнего советского железа в ассортименте.

Теперь собственно сами шаги разработки.
В тексте статьи я не буду указывать обозначения использованных деталей, на схемах они даны для удобства.

1. Выбор первичного источника автономного питания.
Первичный источник питания — это 4 Li-Ion аккумулятора 18650 емкостью 2500 мАч без встроенного контроля заряда/разряда. После исследования просторов интернета на предмет возможности зарядки батареи из 4-х включенных последовательно аккумуляторов оказалось, что эта задача нетривиальна, и собственно было принято решение о заряде аккумуляторов отдельно внешним зарядным устройством — таким образом срок их службы окажется максимальным. Для одного аккумулятора рекомендуемые напряжения отсечки нижнее и верхнее 2.75В и 4.2В соответственно, для сборки из 4 аккумуляторов нижнее напряжение отсечки должно быть 11В. Соблюдение правил эксплуатации при разряде и заряде аккумуляторов гарантирует долговременную работу аккумуляторной батареи, так что пренебрегать ими ни в коем случае не стоит. Максимальное напряжение заряженной батареи может составлять 16.8В, среднее рабочее напряжение — 14.8В.

2. Реализация схемы первичного питания.
В составе магнитофона «Электроника 211 Стерео» имеется стабилизированный блок питания по схеме из стабилитрона и составного эмиттерного повторителя, который легко настраивается на напряжение 17В при достаточном токе нагрузки (на схеме — в пунктирном прямоугольнике). При максимально возможном заряде батареи в 16.8В развязка по питанию и защита от переполюсовки достигается включением последовательно с батареей диода Шоттки и подключение цепи непосредственно к выходным конденсаторам штатного блока питания. Утечки тока батареи при отсутствии сетевого питания не происходит, так как переход база-эмиттер транзистора штатного стабилизатора будет включен в обратном направлении. В разрыв цепи батареи вставляется разъем внешнего 12...14В питания для автомобиля, в конструкцию которого входит размыкатель цепи батареи, чем также обеспечивается развязка по питанию.
Схема первичного питания

3. Выбор ключевого элемента для подачи питания.
В качестве ключевого элемента был найден на горелой материнской плате n-канальный мощный полевой транзистор MTD3302. Сопротивление открытого канала составляет 10 миллиОм, транзистор открывается напряжением на затворе относительно истока порядка 4В и выше, максимальное напряжение сток-исток составляет 30В. При коммутируемом напряжении 13В на нагрузке в 27Ом напряжение сток-исток открытого транзистора было исчезающе мало. Подобные транзисторы можно отыскать на любой материнской плате.

4. Реализация электронного включения/выключения нагрузки и контроля разряда батареи.
Учитывая реализацию цепей первичного питания, ключ должен коммутировать напряжение от 11 до 18В, а также иметь цепи управления, которые не будут потреблять ток при разомкнутом состоянии ключа.
Источником опорного напряжения выбран стабилитрон Д814Г на 11В, подключенный от стока ключа последовательно с гасящим резистором к плюсу питания. Выбор стабилитрона определен широким диапазоном рабочих токов, который не может быть обеспечен маломощным аналогом. За напряжением на гасящем резисторе следит кремниевый p-n-p транзистор, если напряжение близко к нулю, то транзистор закрывается и схема сама себя отключает. При открытом контролирующем транзисторе (значит, напряжение питания не ниже 11 вольт) на затвор ключевого транзистора подается напряжение через делитель на высокоомных резисторах, что поддерживает его в открытом состоянии.
Цепь переключения состояния ключа выполнена на базе накопителя заряда на конденсаторе, который включен между плюсом питания и стоком ключа через высокоомные резисторы. При открытом ключе конденсатор заряжается, и потенциал его отрицательного электрода относительно истока близится к нулю, и наоборот — при закрытом ключе конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки и потенциал его отрицательного электрода относительно истока близится к напряжению питания. Так как время заряда и разряда накопительного конденсатора до порогового значения напряжения переключения относительно истока в 4В необходимо сбалансировать, приведена раздельная схема заряда/разряда конденсатора с помощью диода и дополнительного резистора. При нажатии кнопки питания накопленный на конденсаторе заряд открывает либо закрывает ключ, и схема переходит в одно из двух своих устойчивых состояний.
Схема контроля питания

5. Индикатор разряда батареи.
Для работы индикатора необходимо следить за уровнем напряжения питания так же, как это делает контролирующий транзистор в п.4, т.е. можно использовать готовую часть цепи со стабилитроном, уже реализованную в п.4. Также необходимо учитывать, что индикатор разряда должен светиться с уровня напряжения питания, равного примерно 12В и ниже до тех пор, пока ключ не закроется. Усилитель индикатора собран на базе каскада из двух германиевых транзисторов по схеме с общими эмиттерами с цепью положительной обратной связи для организации гистерезиса (обеспечивает резкое включение индикатора при прохождении порогового значения). Германиевые транзисторы были выбраны исходя из того факта, что переходы база-эмиттер таких транзисторов открываются при существенно меньшем падении напряжения, чем у кремниевых, и таким образом можно подстроиться под нужный уровень входного напряжения до того, как контролирующий транзистор обесточит ключ.
Схема контроля питания с индикатором разряда батареи

6. Выбор преобразователя напряжения DC-DC 5В.
Мною был найдено интересное устройство у китайцев — VMP3203. Это готовая сборка, имеющая в своем составе практически все необходимые элементы для использования с минимумом обвязки. Эффективность преобразования по даташиту составляет порядка 95%. Максимальный выходной ток — 3А при напряжении 5В. Диапазон входных напряжений 8 — 24В. Пульсации выходного напряжения я еще не проверял, ибо общая сборка конструкции не закончена.
Схема контроля питания с индикатором разряда батареи и преобразователем 5-вольтового напряжения

В итоге: схема электронного управления питанием, с обеспечением питания как цифровых устройств, так и усилителя мощности. Схема контролирует разряд батареи и предупреждает о низком напряжении на аккумуляторах, использует как автономное, так и внешнее питание. Разряд батарей питания исключен благодаря нулевому току потребления выключенного устройства. Подавляющее большинство деталей взято из заботливо организованных нычек и дохлых материнских плат. Профит!

Автор: nw2krus

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля