-Вот за это я и не люблю кошек.
- Ты просто не умеешь их готовить.
(Из рекламы)
Как известно, в мире нет ничего нового. Взглянув на системы питания приборов и человеков, можно заметить множество аналогий. Поскольку нам нужно сделать походную кормушку для гаджетов, то думаю, лучшим решением будет изучить опыт людей по обеспечению едой самих себя, и использовать этот опыт в технике. Аналогия с человеческой жизнью, как мне кажется, позволит легче расставить на свои места по степени важности те вопросы, что приходится решать при разработке законченной системы, которая исправно кормила бы наши гаджеты в течение всего похода.
Пойдем, как водится, от общего к частному. Как устроена система питания людей. В самом общем виде она состоит всего из 3х частей:
Такая система самосуществует уже тысячи лет и ничего другого на сегодняшний день не придумано.
Рис.1. Общая схема системы питания электронных устройств.
Задача производителя создать пищу из несъедобных элементов (из земли, или скармливая сено рогатым), задача переработчика сделать продукт удобоваримым, кладовка же нужна потому, что урожай бывает раз или два в году, а кушать хочется ежедневно.
Точно также и в автономной системе электрокормления мы найдем все эти части.
Едоком здесь будут наши гаджеты: телефоны, КПК, GPS, плееры, ноутбуки… да мало ли что еще. Их "пищевые" запросы определяют требования к повару-преобразователю. Чаще всего это постоянное напряжение тока, определенной мощности. Изменить их мы не можем, поэтому вся система должна подстраиваться под их требования, это именно та "печка, от которой нужно плясать" при разработке системы питания.
Угодить едоку, можно преобразуя сырую электрическую энергию в съедобную для него форму. Эту задачу выполняет преобразователь (повар). Он выпрямляет, понижает или повышает, стабилизирует, фильтрует от колебаний конечное "блюдо". Это наиболее гибкая часть системы, задача которой, удовлетворить запросы едоков-потребителей. Собственно, только ее параметры мы можем менять при разработке.
Кладовкой в такой электрической системе сегодня в большинстве случаев служат аккумуляторы различных типов. Изменить их свойства мы также не можем, но можем выбрать их число и тип.
Источником может служить любое устройство для получения электричества: вело(ветро) генератор, солнечная или химическая батарея, и даже розетка – его задача добыть электричество. Эту часть системы мы также берем как данность и можем лишь выбирать из списка доступных поставщиков. Либо используем, либо отказываемся, а уж если связались, то вынуждены подстраиваться под их свойства.
Т.о. начиная делать (или подыскивать, чтобы купить) кормушку для своих электронных помощников, нужно ответить себе на ряд вопросов, причем желательно в следующей последовательности.
1. Во-первых, сколько "пищи" в день требуется нашим "едокам".
2. Во-вторых, что будет источником этого электричества. Достаточно ли его производительности для выработки нужного количества электричества за заданное время. Т.е. если КПК съедает в день заряд из одной батареи, то "поставщик" обязан произвести не меньшее количество энергии, чтобы за тот же день зарядить эту же батарею заново. Т.е. производитель обязан вырабатывать не меньше, чем потребляется, иначе система будет неработоспособна.
3. Третье, нужна ли нам "кладовка-накопитель". Т.е. если "производитель", пусть, та же солнечная батарея способна зарядить КПК, но за 10 часов, а КПК требует, чтобы это длилось не более 2х, то остается вариант, когда производитель вырабатывает и "складывает" на полочку свою продукцию в течение этих 10 часов, а потом "приходит" КПК и за 2 часа забирает ее всю. Либо же во время работы солнечной батареи КПК занят, и заряжать его неудобно или вообще невозможно, а когда он освобождается, то солнца уже нет. Т.е. накопитель – это эдакая тумбочка для временного хранения электричества, из которой его можно брать в удобное время и в нужных количествах.
4. Только теперь, определившись, что у нас на выходе, и что на входе, можно начинать разработку или поиск устройства-повара, который бы сумел приготовить из полуфабрикатов источника съедобное для потребителя блюдо.
Вообще говоря, задача подбора источника, преобразователя и накопителя должна решаться с оглядкой друг на друга, т.к. они взаимосвязаны.
Чего бы мне хотелось, так это то, чтобы читатель, который бы хотел сделать, собрать из купленных кубиков или просто купить нечто для питания своего КПК или сотового в походе смог бы правильно подойти к этому и быть всегда с заряженными потребителями. Чтобы он не покупался на рекламу "купите солнечную батарею и будете всегда заряженными" не забывая, что к ней нужны еще и другие элементы системы. Или "наш накопитель всегда запитает ваш КПК" забывая о том, что этот склад - накопитель еще сам должен от чего-то зарядиться. И т.д.
Рассмотрим вышесказанное на примерах. Собственно, все, что ниже – это примеры построения законченных систем автономного питания с использованием разных типов источников-преобразователей-накопителей. Практически в любой системе эта троица будет присутствовать и когда будете выбирать один из элементов системы, помните и про другие. А кулинарные ассоциации нам помогут.
В первую очередь, определим вкусы телефона, чего же он хочет. У многих сотовых (не смартфонов) зарядное напряжение может лежать в диапазоне от 4.5 до 8В (оптимально, около 5.5…6В), при этом ток зарядки желательно ограничить на уровне около полуампера.
Рецепт №1.
Зарядимся от "Кроны". Часто встречающийся способ в дешевых китайских "заряжалках".
Рис.2. Запитаем телефон от батарейки типа "Крона".
Поставщиком здесь будет сама "Крона". А вот без дополнительного преобразователя-повара здесь часто можно и обойтись, т.к. ее выходное напряжение около 9В, а ток не велик. И телефон проглатывает данный полуфабрикат – ну что же иногда можно съесть и сырую картошку прямо с огорода. (Если быть точным, то роль повара здесь выполняет высокое внутреннее сопротивление данной батарейки, которое ограничивает ток зарядки до съедобных величин.)
Диод, который показан на рисунке, вообще говоря, не обязателен, но полезен, т.к. предотвращает разряд аккумулятора сотового телефона через батарею, либо в случае короткого замыкания в проводах. Это происходит потому, что в некоторых телефонах внутренняя схема зарядки позволяет току выходить "наружу" через контакты разъема. Кстати, на этом же свойстве основаны кабели для того, чтобы один телефон мог "прикурить" у другого, т.е. подзарядиться от него.
Что плохо у такого способа зарядки?
· У "Кроны" достаточно высокое выходное напряжение, которое может испортить некоторые модели телефонов – не все могут переварить сырую картошку.
· Повар-преобразователь весьма расточителен и глуп поскольку весь излишек напряжения, который есть в батарейке, он будет просто переводить в тепло, т.е. все, что не поместилось на тарелку, он отрежет и выбросит, а глуп потому, что умеет только отрезать не экономя.
· Емкость "Кроны" весьма мала (около 150…300мАч, что при таком способе зарядки позволит зарядить телефон приблизительно на треть), т.е. мы предлагаем телефону порцию, что помещается на маленьком блюдце, а он голоден и готов съесть большую миску.
Рецепт №2.
Вместо "Кроны" используем набор батареек или аккумуляторов. В продаже встречаются коробочки с четырьмя элементами размера ААА внутри. Кстати, почему не АА или более мощных? Об этом чуть позже.
По напряжению такой полуфабрикат из 4х батареек уже будет более вкусным для телефона. Т.е. около 6.5В без нагрузки. Да и емкость комплекта батареек уже много больше, т.е. телефон уже может насытиться от одного комплекта.
И повару (внутреннему сопротивлению) работы меньше. Меньшая часть напряжения будет отсечена и выброшена, а большая проглочена потребителем.
Рис.3. Питаемся от 4х или 5ти аккумуляторов или батареек.
Опасность такого способа зарядки в том, что если сотовый не имеет внутреннего ограничителя тока (т.е. дополнительного повара внутри корпуса телефона), то именно нам, как заварившим всю это кашу, нужно позаботиться о том, чтобы ток при зарядке не вышел за допустимые для телефона пределы (именно для этого, первое что мы сделали в данной задаче - это узнали у телефона какое питание ему нужно). Ограничить можно, например, с помощью резистора в 1..2 Ома, показанного на схеме. Но он желателен лишь в случае использования в источнике аккумуляторов, или качественных щелочных батареек, способных давать большой ток и при этом телефон сам ток ограничивать не умеет.
К счастью, именно самые дешевые солевые батарейки имеют высокое внутреннее сопротивление и потому ток с них идет безопасный для телефона и резистор не используется. Потому китайские заряжалки и делаются под батарейки размера ААА, которые из-за своего малого размера не дают слишком большого тока и потому безопасны.
Таким образом, установив такой токоограничивающий резистор, мы ввели в схему преобразователь, уже как отдельный элемент и поручили ему выполнять определенную работу, пока только ограничивать ток, поскольку другие параметры питания (напряжение) съедобны для потребителя.
Заметим, что необходимости в промежуточной кладовке-накопителе в данной системе пока нет, поскольку в данном примере специально взят заведомо маломощный потребитель и "сильный" источник, т.е. батарейки способны отдавать ток, который может заряжать телефон, т.е. возможности поставщика выбраны заведомо большими, чем потребителя. В противном случае, сотовый может вообще не заметить, что его пытаются накормить.
Ну что же, недостатки такой простейшей системы зарядки (гальванический элемент – резистор – потребитель) определились. Это:
· Выход зарядного напряжения и тока за допустимые для телефона пределы. Т.е. кормление клиента полуфабрикатами – повар-преобразователь (всего лишь резистор) не может сделать качественный, всегда съедобный продукт.
· И, второе, низкий КПД системы, т.е. расточительность преобразователя, который все "лишнее электричество" просто выбрасывает.
Что можно улучшить? Начнем с критических моментов, т.е. тех, где возможно повредить телефон. А именно, нужно сделать так, чтобы напряжение и ток зарядки гарантированно были удобоваримы для клиента.
Поскольку ни потребителя, ни источник полуфабрикатов нам поменять не получится, то остается только "поработать с персоналом", т.е. с поваром-преобразователем, который стоит между телефоном и батарейкой.
Чтобы ограничить напряжение, подаваемое на телефон, можно вместо резистора-ограничителя поставить стабилизатор напряжения. Параллельный стабилизатор, т.е. работающий по принципу стабилитрона рассматривать не будем, т.к. у него слишком большие потери, а нам электричества жалко. Поэтому используем лишь последовательные стабилизаторы, которые можно рассматривать как резистор с переменным сопротивлением, зависящим от выходного напряжения.
На сегодняшний день, обычно, не имеет смысла делать такой стабилизатор самому из дискретных элементов, проще купить готовую микросхему, например из импортных наиболее распространены 78хх, где хх выходное напряжение, отечественные аналоги 142ЕН05 (06, 12 и т.д.). Это микросхема с тремя ножками (вход, общий, выход) очень проста для использования, нужно добавить лишь пару конденсаторов на ее вход и выход. И все, гарантированное напряжение питания для телефона обеспечено.
Вполне рабочая схемка такого зарядника выглядит примерно так.
Рис.4. Питание с использованием интегральных стабилизаторов.
Если нужно получить регулируемое выходное напряжение, то можно использовать стабилизатор типа LM317 (Uвых=1.25…37В, Iвых = до 1.5А). Его схема включения будет аналогична показанной на Рис.5.
Заметим, что вместо этих "классических" микросхем стабилизаторов предпочтительней использовать, так называемые, LowDrop стабилизаторы, т.е. стабилизаторы с пониженным падением напряжения между входом и выходом. Их также сейчас выпускается достаточно много. Они чуть дороже, чем "классика", но в устройствах с батарейным питанием, это удорожание с лихвой окупает себя экономией батареек.
Примером таких стабилизаторов являются LM1086 (Uвых=1.2…25В, Iвых=1.5А), LM2940 (Uвых=5В, Iвых=1А), LM2941 (Uвых=5…20В, Iвых=1А), REG1117 (Uвых=1.2…12В, Iвых=1А) или отечественные КР1158ЕНхх (Uвых=ххВ, Iвых=0.5А) и другие. Эти стабилизаторы гарантируют выход, например, 5В при входном напряжении от 5.5В и выше, а "классика" типа 78хх требовала бы от 7.5В и выше. Т.е. мы можем работать до тех пор, пока батарейка не разрядится до уровня 5.5В, а не 7.5В, что более расточительно.
Пример включения стабилизатора LM1086, а также пример его графика падения напряжения между входом и выходом в зависимости от нагрузки, показан на рисунках ниже. (Примеры взяты из технической документации на стабилизатор, по английски – datasheet.)
Рис.5. Включение стабилизатора с регулируемым выходным напряжением от 1.25 до 15В.
Рис.6. Пример графика зависимости падения напряжения между входом и выходом в зависимости от того нагрузки и температуры кристалла.
Замечательно то, что на вход таких микросхем можно подавать не только 9В от "Кроны", но и гораздо большее напряжение (до 40В и даже больше), при этом на выходе всегда останется заданное нами напряжение, например, те же 5.5В или 6В.
Недостаток всех этих линейных поваров-стабилизаторов – упомянутая выше расточительность. Т.е. все, что не уместилось на блюдце, отрезается и выбрасывается, т.е. превращается в тепло. Что для автономных систем, где запас энергии и так невелик, явление очень неприятное. Кроме того, выделившееся тепло нагревает стабилизатор и его приходится порой даже ставить на радиатор, что увеличивает размеры всей конструкции.
Поэтому такие линейные стабилизаторы стараются использовать в таких случаях, когда напряжение на источнике (батарейках) будет лишь немного выше, чем нужно телефону или КПК. И чем меньше эта разница, тем меньше и выбрасывается, т.е. меньше потери и выше КПД, который равен отношению выходного напряжения ко входному. Т.е. КПД=(Uвых/Uвх). Поэтому для снижения потерь входное напряжение желательно выбирать минимально возможным, т.е. для питания телефона Uвых=5.5В и падении на стабилизаторе 1В потребуется Uвх=6.5В. Это примерно 6 шт NiCd/NiMh аккумуляторов, например, "пальчиков" АА, что является оптимальным вариантом с точки зрения получения наибольшего КПД.
При этом КПД в конце зарядки будет: КПД=5.5В/6.5В=0.85 (85%), а средний КПД=5.5В/(1.2В*6шт)=0.76 (76%), что весьма неплохой показатель. Поэтому, используя LowDrop стабилизаторы при правильном выборе входного напряжения, возможно иметь КПД на уровне импульсных стабилизаторов.
Второй же недостаток линейных стабилизаторов тот, что большинство из них не ограничивают ток на том уровне, что нам бы хотелось. Да, в них есть встроенная защита от короткого замыкания, но для них это аварийный, а не штатный режим. Для того, чтобы ограничить ток в удобных именно для нас (т.е. телефона) пределах нужно придумывать дополнительные цепи, что усложняет схему.
Если же напряжение нужно понизить весьма сильно, даже в несколько раз, то используют импульсные стабилизаторы, КПД которых мало зависит от этого перепада напряжений. Внешне, система питания сотового от импульсного стабилизатор будет примерно такой же, как и линейная. И даже более того, сейчас появились в продаже уже собранные такие стабилизаторы, упакованные в такие же стандартные корпуса, что и линейные. Пользователь имеет на выходе те же самые три лапки: вход, выход, и общий, и такую же схему включения, как и в случае линейной схемы на Рис.4. Внешний вид одного из таких стабилизаторов показан на рисунке ниже. Для телефона подойдет с маркировкой R-785.0-0.5. Его характеристики: Uвх=5…34В, Uвых=5В, Iвых=0.5А, КПД=86…97%, вес 5г, цена около 200р. При этом полная совместимость по ножкам с "классическим" 78хх. (См. Рис.4.)
Рис.7. Импульсный стабилизатор напряжения модульный.
Как видим, для телефона можно подобрать готовый стабилизатор, но для более прожорливых потребителей, их мощности уже недостаточно, и приходится либо придумывать схему самостоятельно, либо применять изолированные DC/DC конверторы (что дорого), либо применять стабилизаторы в виде законченных устройств. Например, тот стабилизатор, что представлен на сайте www.vampirchik-sun.narod.ru и является примером понижающего стабилизатора в котором можно менять не только выходное напряжение, но и выходной ток. Пользователю в данном случае ничего паять не придется совсем. Схема включения его будет выглядеть так.
Рис.8. Зарядка телефона через стабилизатор.
Его характеристики: Uвх=5…16В, Uвых=2.8 до 14В, Iвых=до1.5А, КПД=около90%, вес 45г, цена 350р, размер меньше зажигалки. Вид изнутри показан на Рис.9.
Рис.9. Импульсный стабилизатор напряжения. (Внутренности.)
Вообще, импульсные преобразователи позволяют делать с электрической энергией все, что угодно, при весьма умеренных потерях. Можно не только понижать, но и повышать напряжение, превращать его из переменного в постоянное и наоборот. И наш телефон можно будет запитать не только от "Кроны" или нескольких батареек, но и от пары или даже одной батарейки или другого источника с низким напряжением, главное чтобы он был способен отдавать мощность, достаточную для зарядки нашего подопытного сотового.
Примером повышающего импульсного стабилизатора, который работает от одного аккумулятора размера АА, является устройство AcmePower AP A100. Внешний вид его показан на рисунке ниже. Питаясь от одного элемента АА, он имеет на выходе около 6В при токе до 200мА. Негусто, и не все телефоны можно зарядить, но многие, особенно старые модели, возможно. Цена его около 500р.
Рис.10. Повышающие стабилизаторы А100 и Вампирчик-мини.
Более мощный повышающий стабилизатор который назывался "Вампирчик-мини", и продавался на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru , питался от двух элементов размера АА, поэтому выходной ток у него достигал 0.8А при выходном напряжении 5.5В. Кстати, имя "Вампирчик" было ему дано потому, что он буквально высасывал батарейки, пытаясь отдать потребителю ту мощность, которую тот хотел.
Основным недостатком повышающих преобразователей по сравнению с понижающими, является их меньший, обычно, КПД.
Также существуют схемы, которые могут как повышать, так и понижать входное напряжение. Т.е. фактически на сегодняшний день профессиональные способности повара-преобразователя достигли такого уровня, что возможно стало питаться практически от чего-попало, лишь бы это самое "что-попало" обеспечивало достаточную мощность. В конце-концов, любой сетевой адаптер – это тоже понижающий стабилизатор, только с гальванической развязкой входа и выхода.
Вообще говоря, данная система источник-преобразователь-потребитель универсальна для любой системы, в случае если мощность источника выше или равна потребностям клиента-потребителя. Т.е. вместо батареек может быть использован любой другой мощный источник, например, мощная солнечная батарея, автомобильный аккумулятор или даже сеть 220В. В последнем случае нужен будет преобразователь с расширенными, по сравнению с приведенными здесь характеристиками, поскольку он должен превратить переменное напряжение сети в постоянное, отфильтровать и понизить его уровень. Но все это отражается лишь на профессиональной подготовке (ой, технической сложности) повара-преобразователя. Общая же структура системы не меняется. Вместо сотового также может быть все, что угодно.
Положим, что в данном примере, мощность источника недостаточна для непосредственной зарядки потребителя. (Но общее количество энергии которое может выработать источник, естественно, равно или превышает расходы потребителя, иначе, согласно п.1 система будет неработоспособной в долговременном плане.)
В этом случае требуется некий накопитель – склад временного хранения, где хранится энергия источника до тех пор, пока ее не накопится достаточно для того, чтобы потребитель мог нормально ею подкрепиться, а не пытаясь насытиться "в час по чайной ложке".
Рассмотрим пример такой системы, состоящей из солнечной батареи – преобразователя для аккумулятора – аккумулятора – преобразователя для потребителя – потребителя (наш КПК).
Рис.11. Простейшая схема с накопителем.
Что нового в данной схеме, по сравнению с предыдущим примером. Да ничего принципиального – просто добавился еще один преобразователь, который согласовывает вкусы теперь уже накопителя и солнечной батареи. Так же как и в примерах выше, он может быть и линейным, и импульсным, или же просто состоять из одного диода, который работает как клапан, не позволяя току вытекать из накопителя обратно в солнечную батарею, которая без света представляет собой почти короткое замыкание.
В данной системе аккумулятор будет выступать потребителем для источника – солнечной батареи. С другой стороны, аккумулятор будет сам являться источником для конечного клиента. Получилось как бы две относительно независимые системы, аналогичные рассмотренным в первом примере. И подход к их расчету будет точно таким же.
Рассмотрим цепочку солнечная батарея – преобразователь – аккумулятор. Целью преобразователя служит подготовка электричества от солнечной батареи к поглощению ее аккумулятором. Если всеядность аккумулятора позволяет подключить его непосредственно к выходу солнечной батареи, то роль преобразователя будет выполнять обыкновенный диод-клапан, включенный в цепь между ними.
В данной связке солнечная батарея – аккумулятор, также как и в Примере №1 преобразователь может быть построен на различных принципах. И поскольку он обычно менее мощный, чем питающий конечного потребителя, то может быть сделан достаточно простым.
Часть схемы от аккумулятора до конечного потребителя вообще полностью повторяет Пример №1, и строится по тем же принципам.
Вместо солнечной батареи может быть и другой маломощный источник: термо, вело или ветрогенератор или даже ручная зарядка.
Т.о. общий принцип построения и назначения отдельных элементов будет одинаковым для различных устройств, различается лишь сложность реализации (профессиональных способностей повара) преобразователя, как между первичным источником и аккумулятором, так и между аккумулятором и потребителем.
Ну и напоследок, как вариант Примера №2 покажем систему для питания ноутбука. Поскольку последний потребляет достаточно большую мощность, то вариант непосредственного питания от источника будет слишком громоздким, да и солнышко может светить несильно – в этом случае никакая солнечная батарея не спасет. Потому единственным вариантом является использование накопителя. Обычно это аккумулятор на 12В.
Кроме того ноутбуку требуется достаточно точное напряжение зарядки (часто с отклонением не более вольта от заданного), поэтому необходимо использовать специальный блок питания, здесь применен автомобильный (в прикуриватель) адаптер для ноутбука. Он представляет собой импульсный повышающий стабилизатор, который делает из автомобильных 12В нужное для ноутбука, например 19В.
Вариант схемы автономной "кормушки" для ноутбука выглядит так.
Рис.12. Система зарядки ноутбука от солнечной батареи.
Здесь присутствуют те же самые элементы, что и на Рис.11:
Как видите, ничего сложного. Все элементы в данной системе покупные, остается их только соединить между собой.
Кстати, вместо автомобильного адаптера для ноутбука можно поставить адаптер для питания КПК, сотового и т.п. – структурная схема не изменится.
И еще, не забываем, что все схемы здесь можно собрать в том составе, что они показаны на рисунках и они будут работать, т.е. это не просто абстрактные рассуждения.
Давайте сделаем импульсный стабилизатор напряжения, который можно будет использовать в различных конструкциях. А заодно убедимся, что импульсные устройства могут быть весьма простыми для изготовления и понимания.
И начнем не с описания его узлов или принципов работы, а возьмем конкретную микросхему, где все узлы уже встроены и на ее примере что-нибудь соорудим. Вообще, таких микросхем великое множество, какие-то из них более удачные и распространенные, какие-то менее. Предлагаю взять МС34063 (аналоги МС33063, КР1156ЕУ5). Это одна из самых распространенных простых и дешевых, аналоги которой выпускает множество фирм.
Электрические параметры ее следующие:
· Напряжение питания 3…40В.
· Ток потребления около 3мА.
· Максимальная частота встроенного генератора 100кГц.
· Напряжение встроенного источника опорного напряжения 1.25В .
· Максимальный ток встроенного мощного транзистора 1.5А.
Структурная схема и соединение внутренних элементов с выходными лапками, показаны на рисунке ниже.
Рис.2.1. Структурная схема ШИМ контроллера МС34063.
Подробнее по ножкам.
Земля и плюс питания подается, соответственно, на ножки 4 и 6.
К ножке 3 подключается конденсатор, величина емкости которого определяет частоту работы внутреннего генератора.
Ножки 8, 1 и 2 – это выводы выходных транзисторов, коммутировать их можно по разному, в зависимости от потребности или фантазии разработчика.
Ножка 7 – вход измерителя тока. Обычно используется для задания ограничения по выходному току стабилизатора.
Ножка 5 – вход обратной связи, т.е. через эту ножку микросхема узнает, какое же на выходе напряжение и сравнивает выше это напряжение, чем 1.25В или ниже и в зависимости от этого решает стоит ли и на какое время открывать выходной транзистор.
Ну что же, с микросхемой как будто все понятно, теперь попробуем собрать на ней что-нибудь.
Вообще говоря, принцип импульсного преобразования энергии подразумевает разделение во времени различных фаз работы устройства. Т.е., например, в один момент времени мы накапливаем энергию в каком-то элементе (индуктивности, емкости), а в другой – отдаем. Либо, как в случае с трансформатором, эти процессы могут происходить одновременно, но меняются пути движения энергии, например, магнитного потока в сердечнике трансформатора. Не будем сейчас пытаться систематизировать все эти способы, просто используем одни из наиболее распространенных на сегодня путей преобразования электрической мощности с помощью индуктивных накопителей.
В этом случае, в один момент времени энергия запасается в индуктивности, а в другой – отдается. Рассмотрим простенький LC-фильтр, состоящий из последовательной индуктивности и емкости на выходе.
Если подавать на индуктивность импульсы напряжения, различной ширины, то на ее выходе (на емкости) напряжение будет практически постоянным, а его величина пропорциональна отношению времени, когда напряжение есть и когда его нет, т.е. Uвых=Uвх*(Твкл/Тоткл). Т.е. меняя отношение времен включения и отключения можно менять и выходное напряжение. Что нам и нужно.
Лирическое отступление. Может быть Вы слышали, что есть ШИМ (широтно-мпульсная модуляция), ЧИМ (частотно-импульсная), кодовая-импульсная, или релейный принцип построения стабилизаторов. Все это не более, чем способы изменения времен подачи и снятия напряжения на входе фильтрующего элемента. В ШИМ сумма времени подачи и отсутствия напряжения всегда постоянна, т.е. если мы увеличим Твкл, то на эту же величину уменьшится Тоткл. В ЧИМ одно из времен обычно неизменно, а меняют только другое. В релейном принципе эти времена вообще не заданы и что делать – включиться или отключиться решает компаратор, например, если напряжение на выходе меньше заданного, то всегда включены, если больше – то выключены. Повторяю, это просто способы задания последовательности импульсов на входе фильтра, и не стоит сейчас слишком задумываться над этим.
Выбранная нами микросхема реализует широтно-импульсный переключения выходного транзистора, т.е. частота переключения остается постоянной, а меняются только отношение времен его открытого и закрытого состояний.
Ну что, необходимый теоретический минимум получили, пора сделать первый стабилизатор. Его схема показана на рисунке ниже.
Рис.2.3. Понижающий стабилизатор.
Видим наш знакомый фильтр из L и Со, видим, что напряжение на него подается импульсами через транзисторы стабилизатора. Диод соединяет индуктивность с землей в то время, когда силовые транзисторы закрыты, т.е. ток не проводят. Конденсатор Ст задает частоту работы схемы. Делитель R1 R2 выбирается таким образом, чтобы при заданном напряжении на выходе, напряжение, подаваемое на ножку 5 микросхемы было бы равно 1.25В.
Выходное
напряжение можно посчитать по формуле 
Также мы видим измерительный резистор Rsc, который задает максимальный выходной ток, при превышении которого ключевой транзистор всегда закрывается, вне зависимости от того, какое напряжение на выходе. Это измерение тока происходит в каждый период Твкл.
Собственно все. Этот стабилизатор можно использовать для питания, например, мобильного телефона от источника напряжения от 8В и выше.
А куда же деваются 8В-5В=3В? Примерно 1.5В – это падение напряжения на составном транзисторе. К сожалению, меньше его не сделать – кремниевые транзисторы не открываются при напряжении меньше примерно 0.6В – это уже физика. Это прямые потери на стабилизаторе, пропорциональные выходному току.
Еще вольт-полтора запаса нужны потому, что микросхема специально сделана таким образом, чтобы хотя бы на короткое время (около 5% от периода) закрывать транзисторы в каждом такте. Это нужно для того, чтобы ее можно было бы использовать для построения повышающих стабилизаторов. В понижающем это время закрытого состояния приводит к росту запаса по входному напряжению, однако не дает дополнительных потерь мощности.
Что бы улучшить?
Основным недостатком данной схемы являются достаточно большие потери в ключевых транзисторах, которые встроены в кристалл микросхемы и при больших токах приводят к его перегреву. Поэтому если требуется создать более мощный стабилизатор, то используют внешние транзисторы. В частности в справочном листе (datasseet) на данную микросхему приведены схемы подключения внешнего биполярного транзистора для увеличения выходного тока стабилизатора. Здесь я их приводить не буду, чтобы не загромождать текст.
Вместо этого поглядим, как можно подключить не биполярный, а внешний полевой транзистор. Это позволит еще больше снизить потери в ключе, поскольку, во-первых, современные полевики имеют очень низкое сопротивление в открытом состоянии (миллиомы), и, во-вторых, потери на управление полевым транзистором можно сделать много меньшими, чем биполярным.
Простейшая схема с полевиком показана на рисунке ниже.
Рис.2.4. Простейшая схема стабилизатора с ключем на полевом транзисторе.
В данной схеме напряжение на выходе, согласно формуле выше, составляет около 5.5В.
Изменения относительно предыдущей схемы заключаются в том, что введен дополнительный транзистор для коммутации тока. А транзисторы микросхемы используются только в качестве управляющих этим полевиком. Все остальные элементы согласно стандартной схеме включения.
Полевой транзистор Р-типа, поэтому он открывается, когда на его затвор подано отрицательное, относительно истока, напряжение, т.е. когда выходные транзисторы в микросхеме открыты, они соединяют затвор полевика с землей и он также открывается, пропуская ток. При закрывании выходных транзисторов, затвор оказывается соединенным с истоком через резистор R1. При этом, после того, как емкость затвора разрядится через этот транзистор полевик закроется и ток через него прекратится.
К сожалению, если мы хотим, чтобы полевик переключался с высокой частотой, то сопротивление разрядного резистора R1 необходимо делать небольшим, чтобы разрядка затвора происходила с достаточной скоростью. Но когда полевик включен, т.е. его затвор на земле, то через этот резистор будет течь ток практически равный I=Uвх/R1. И утекать он будет совершенно бестолково просто нагревая резистор, и создавая лишние потери.
Получается, что полевик быстро включается, но медленно отключается.
А давайте ка и этот недостаток, если не устраним, то значительно уменьшим. Для этого ускорим процесс разряда емкости затвора добавив всего два дополнительных активных элемента: транзистора и диода. Новая схема показана на рисунке ниже.
Рис.2.5. Схема стабилизатора на полевом транзисторе.
В данной схеме зарядка затвора (открывание полевика) происходит как и ранее через открытые транзисторы микросхемы и дополнительный маломощный диод D3. Транзистор VT2 при этом закрыт и никак не влияет на происходящее.
Когда транзисторы микросхемы закрываются, то на базу VT1 поступает ток через резистор R4. Этот ток открывает VT2, который быстро разряжает затвор полевика. Ток разрядки ограничен максимальным импульсным током коллектора VT2 и может быть большим. При этом ток через резистор R4 должен быть (в первом приближении) в h21э раз меньше, чем разрядный ток. Значение h21э, т.е. коэффициент усиления транзистора по току обычно составляет десятки и сотни, поэтому ток через резистор R4 (потери) снижается многократно, при высокой скорости переключения силового ключа – полевика.
Точно также рассмотрим теперь как сделать на той же микросхеме повышающий стабилизатор, подобный тому, что применялся в "Вампирчиках". Нет ничего проще. Открываем Datasheet на микросхему (пусть он станет настольной книгой, пока работаем с конкретной микросхемой) и видим уже готовую схему включения для случая повышающего стабилизатора. Переношу ее оттуда на рисунок ниже.
Рис.2.6. Схема повышающего стабилизатора на МС34063.
Точно также, как и в понижающем, увеличить выходную мощность возможно, если использовать внешние транзисторы. Как биполярные, так и полевые. Ниже приведена схема на полевом транзисторе.
Рис.2.6. Схема повышающего стабилизатора на МС34063.
Эта схема делает на выходе 5.5В при входном напряжении от 3х до 5.5В. Дополнительно условие- полевик Q1 должен быть с, так называемым, логическим уровнем включения, т.е. должен открываться при напряжении примерно от 1В. Стандартно это напряжение открывания составляет приблизительно 4В, поэтому от батарейки в 3В этот транзистор работать не будет.
Назначение элементов в данной схеме аналогично понижающему стабилизатору, Q1 – силовой ключ, VT1,D1,R2 – разрядка ключа. R1 – измеритель тока.
Приведенные выше схемы позволяют сделать стабилизаторы (повышающие и понижающие), которые работают в диапазоне напряжений от 3х до 20В, и выходных токах до 3А. Фактически, они удовлетворяют большинству потребностей маломощных гаджетов типа КПК, GPS, сотовых и т.п.
Напомню, мы использовали одну из самых простых микросхем ШИМ контроллера. Конечно же, есть множество других. Вся информация по применению обычно дается производителями, поэтому стоит внимательно читать справочные листы на них (datasheet), которые легко найти в Интернете.
И бояться импульсников не стоит, поскольку общие принципы импульсного понижения-повышения напряжения остаются одинаковыми для микросхем различных производителей. Хотя здесь мы рассмотрели только два принципа работы импульсных преобразователей – повышение/понижение на индуктивном накопителе. А ведь можно использовать и емкостное накопление энергии, трансформаторное преобразование, да и на индуктивностях существует еще множество схемотехнических решений.
Мы рассмотрели лишь самые простые и распространенные в данной области применений.
Защита.
Что бы еще хотелось бы добавить в данные устройства. Для повышения надежности было бы желательно ввести защиту от перепутки полярности, как по входу, так и по выходу. По входу особенно актуально для понижающего, а по выходу – для обеих типов. Естественно, защита должна вносить минимальные потери. Полевые транзисторы прекрасно подходят для этой цели – их сопротивление в открытом состоянии составляет единицы и десятки миллиОм.
Рис.2.7. Вариант защитных цепей стабилизатора.
Также по входу можно использовать защитные цепи не только на диодах, но и на транзисторах.
Рис.2.8. Вариант защиты по входу на полевиках.
Рис.2.9. Вариант защиты по выходу на N-канальном полевом транзисторе.
Плюс полевых транзисторов с N-каналом в их дешевизне и распространенности, минус – в том, что они ставятся в цепь земли, т.е. земля на входе и выходе это уже не один провод. Именно поэтому чаще всего используют защиту на транзисторе с каналом Р-типа.
Достоинством защиты на диодах служит их дешевизна, недостаток – повышенные потери, т.к. на диодах падает напряжение примерно от 0.4В (для Шоттки), до 1В (для "обычных"). Также диодная защита на выходе стабилизатора может спасти только от разряда заряжаемого аккумулятора через стабилизатор. Но диоды не спасают, если перепутать при подключении полярность этого аккумулятора на выходе стабилизатора, поскольку при этом диод оказывается включенным в проводящем ток направлении.
Данная статься в пока просто черновик и выложена здесь для того, чтобы ответить на часть вопросов, возникающих у людей при создании автономных «кормушек» для питания своих гаджетов.
Перепечатка разрешена при сохранении авторства и ссылок на сайт оригинала.
Оригинал статьи находится на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru в разделе "Почитать".
Автор Носов Николай.
Последнее обновление 1 декабря 2008 г.