🎑 👩🏻‍💼 🍡 Deja de poner el diodo 👩🏽‍🚒 🤳🏿 🤳🏼

No, este no es otro "para siempre".

Después de leer el artículo sobre la protección de los circuitos eléctricos de la polaridad de alimentación inadecuada utilizando un transistor de efecto de campo, recordé que durante mucho tiempo tuve un problema no resuelto de desconectar automáticamente la batería del cargador cuando este último estaba desenergizado. Y tenía curiosidad por saber si sería posible aplicar un enfoque similar en otro caso, donde desde tiempos inmemoriales también se ha utilizado un diodo como elemento de puerta.

Este artículo es una guía típica de ciclismo, ya que habla sobre el desarrollo de un circuito cuya funcionalidad se ha implementado durante mucho tiempo en millones de dispositivos terminados. Por lo tanto, la solicitud no se aplica a este material, como a algo completamente utilitario. Más bien, es solo una historia sobre cómo nace un dispositivo electrónico: desde la conciencia de la necesidad hasta un prototipo funcional a través de todos los obstáculos.

¿Por qué todo esto?

Al realizar una copia de seguridad de una fuente de alimentación de CC de bajo voltaje, la forma más fácil de encender una batería de plomo-ácido es usarla como un búfer, justo en paralelo a la fuente de red, como se hacía en los automóviles antes de que tuvieran cerebros complejos. La batería, aunque no funciona en el modo más óptimo, siempre está cargada y no requiere ningún cambio de alimentación al desconectar o encender la tensión de red en la entrada de la fuente de alimentación. Más detalladamente sobre algunos problemas de tal inclusión e intento de resolverlos.

Antecedentes

Hace unos 20 años, esa pregunta no estaba en la agenda. La razón de esto fue la circuitería de una fuente de alimentación de red (o cargador) típica, que evitó que la batería se descargara a su circuito de salida cuando se apagó el voltaje de la red. Veamos el esquema de bloque más simple con rectificación de media onda:

Es obvio que el mismo diodo que rectifica el voltaje alterno del devanado de la red también evitará que la batería se descargue al devanado secundario del transformador cuando se desconecta el voltaje de la red. El circuito puente de media onda del rectificador, a pesar de ser algo menos obvio, tiene exactamente las mismas propiedades. E incluso el uso de un estabilizador de voltaje paramétrico con un amplificador de corriente (como el extenso chip 7812 y sus análogos) no cambia la situación: de

hecho, si observa el circuito simplificado de dicho estabilizador, queda claro que la unión del emisor del transistor de salida juega el papel de la misma puerta diodo, que se cierra cuando desaparece el voltaje en la salida del rectificador y mantiene intacta la carga de la batería.

Sin embargo, en los últimos años, todo ha cambiado. Las fuentes de alimentación del transformador con estabilización paramétrica han sido reemplazadas por convertidores de voltaje de CA / CC de conmutación más compactos y económicos, que tienen una eficiencia y una relación potencia / peso mucho más altas. Pero solo con todas las ventajas, estas fuentes de alimentación mostraron un inconveniente: sus circuitos de salida tienen un circuito mucho más complejo, que generalmente no proporciona protección contra el flujo de corriente inversa del circuito secundario. Como resultado, cuando se utiliza dicha fuente en un sistema de la forma "BP -> batería de reserva -> carga", cuando se desconecta el voltaje de la red, la batería comienza a descargarse intensamente al circuito de salida de la fuente de alimentación.

La forma más simple (diodo)

La solución más simple es usar un diodo con una barrera Schottky incluida en el espacio del cable positivo que conecta la fuente de alimentación y la batería:

Sin embargo, los principales problemas de esta solución ya se han expresado en el artículo anterior. Además, este enfoque puede ser inaceptable por la razón de que para funcionar en modo buffer, una batería de plomo-ácido de 12 voltios necesita un voltaje de al menos 13,6 voltios. Y casi la mitad de un voltio que cae sobre el diodo puede hacer que este voltaje sea banal inalcanzable en combinación con una fuente de alimentación existente (solo mi caso).

Todo esto nos hace buscar formas alternativas de conmutación automática, que deberían tener las siguientes propiedades:

Pequeña caída de voltaje directo cuando está encendido.
La capacidad de resistir sin calentamiento significativo en el estado encendido la corriente continua consumida por la fuente de alimentación por la carga y la batería de amortiguación.
Alta caída de tensión inversa y bajo autoconsumo en estado apagado.
Normalmente apagado, de modo que cuando una batería cargada se conecta al sistema inicialmente desenergizado, su descarga no comienza.
Transición automática al estado encendido cuando se aplica la tensión de red, independientemente de la presencia y el nivel de carga de la batería.
La transición automática más rápida al estado apagado cuando falla la tensión de red.

Si el diodo fuera un dispositivo ideal, cumpliría todas estas condiciones sin problemas, pero la dura realidad arroja dudas sobre los puntos 1 y 2.

Solución ingenua (relé DC)

Al analizar los requisitos, cualquiera que esté al menos un poco "en el tema" se le ocurrirá la idea de usar un relé electromagnético para este propósito, que puede cerrar físicamente los contactos utilizando el campo magnético creado por la corriente de control en el devanado. Y, probablemente, incluso arroja algo como esto en una servilleta:

En este circuito, los contactos de relé normalmente abiertos se cierran solo cuando la corriente fluye a través del devanado conectado a la salida de la fuente de alimentación. Sin embargo, si revisa la lista de requisitos, resulta que este circuito no cumple con el punto 6. Después de todo, si los contactos del relé se cerraron una vez, la falla de energía no conducirá a su apertura debido al devanado (y con él todo el circuito de salida de la fuente de alimentación) permanece conectado a la batería a través de los mismos contactos! Hay un caso típico de retroalimentación positiva, cuando el circuito de control tiene una conexión directa con el ejecutivo y, como resultado, el sistema adquiere las propiedades de un disparador biestable.

Por lo tanto, un enfoque tan ingenuo no es una solución al problema. Además, si analizamos la situación actual de manera lógica, podemos llegar fácilmente a la conclusión de que en el espacio "BP -> batería de amortiguación" en condiciones ideales, simplemente no puede haber otra solución que una válvula que conduzca la corriente en una dirección. De hecho, si no utilizamos ninguna señal de control externa, hagamos lo que hagamos en este punto del circuito, cualquiera de nuestros elementos de conmutación, una vez que se enciende, hará que la electricidad generada por la batería sea indistinguible de la electricidad creada por la fuente de alimentación.

Rotonda (relé de CA)

Después de darse cuenta de todos los problemas del párrafo anterior, a la persona “tonta” generalmente se le ocurre la nueva idea de utilizar la fuente de alimentación como una válvula conductora unidireccional. Por que no Después de todo, si la fuente de alimentación no es un dispositivo reversible, y el voltaje de la batería suministrado a su salida no crea 220 voltios en la entrada de CA (como sucede en el 100% de los casos de circuitos reales), entonces esta diferencia puede usarse como una señal de control para el elemento de conmutación:

Bingo! Se cumplen todos los puntos de los requisitos y lo único que se necesita para esto es un relé que pueda cerrar los contactos cuando se le aplica la tensión de red. Puede ser un relé de CA especial, diseñado para tensión de red. O un relé ordinario con su propia mini-fuente de alimentación (aquí es suficiente cualquier circuito reductor sin transformador con un rectificador simple).

Sería posible celebrar la victoria, pero no me gustó esta decisión. En primer lugar, debe conectar algo directamente a la red, lo que no es un zumbido en términos de seguridad. En segundo lugar, el hecho de que este relé debe ser conmutado por corrientes significativas, probablemente hasta decenas de amperios, y esto hace que todo el diseño no sea tan trivial y compacto como podría haber parecido inicialmente. Y en tercer lugar, ¿qué pasa con un transistor de efecto de campo tan conveniente?

( + )

La búsqueda de una solución más elegante al problema me llevó al hecho de que una batería que funciona en modo buffer a un voltaje de aproximadamente 13.8 voltios sin "recarga" externa pierde rápidamente su voltaje original incluso en ausencia de una carga. Si comienza a descargarse en la PSU, en el primer minuto pierde al menos 0.1 voltios, lo cual es más que suficiente para una fijación confiable por un simple comparador. En general, la idea es esta: el comparador controla la puerta del transistor de efecto de campo de conmutación. Una de las entradas del comparador está conectada a una fuente de voltaje estable. La segunda entrada está conectada al divisor de voltaje de la fuente de alimentación. Además, el coeficiente de división se selecciona de modo que el voltaje en la salida del divisor con el PS encendido sea aproximadamente 0.1..0.2 voltios más alto que el voltaje de la fuente estabilizada. Como resultadocuando se enciende la fuente de alimentación, el voltaje del divisor siempre prevalecerá, pero cuando la red se desactiva, a medida que el voltaje de la batería cae, disminuirá en proporción a esta caída. Después de un tiempo, el voltaje en la salida del divisor será menor que el voltaje del estabilizador y el comparador interrumpirá el circuito utilizando un transistor de efecto de campo.

Un diagrama aproximado de dicho dispositivo:

Como puede ver, la entrada directa del comparador está conectada a la fuente de voltaje estable. El voltaje de esta fuente, en principio, no es importante, lo principal es que está dentro de los voltajes de entrada permisibles del comparador, pero es conveniente cuando es aproximadamente la mitad del voltaje de la batería, es decir, aproximadamente 6 voltios. La entrada inversa del comparador está conectada al divisor de voltaje de la fuente de alimentación, y la salida a la puerta del transistor de conmutación. Cuando el voltaje en la entrada inversa excede el de la entrada directa, la salida del comparador conecta la puerta del transistor de efecto de campo a tierra, como resultado de lo cual el transistor abre y cierra el circuito. Después de que se desconecta la red eléctrica, después de un tiempo el voltaje de la batería disminuye, junto con el voltaje en la entrada inversa del comparador, y cuando resulta estar por debajo del nivel en la entrada directa,el comparador "arranca" la puerta del transistor del suelo y, por lo tanto, rompe el circuito. En el futuro, cuando la fuente de alimentación vuelva a "cobrar vida", el voltaje en la entrada inversa aumentará instantáneamente a la normalidad y el transistor se abrirá nuevamente.

Para la implementación práctica de este circuito, se utilizó mi chip LM393 existente. Es muy barato (menos de diez centavos en el comercio minorista), pero al mismo tiempo, un comparador doble es económico y tiene características bastante buenas. Permite una fuente de alimentación de hasta 36 voltios, tiene un coeficiente de transmisión de al menos 50 V / mV y sus entradas se caracterizan por una impedancia bastante alta. El primero de los potentes MOSFET de canal P FDD6685 disponibles comercialmente se tomó como un transistor de conmutación. Después de varios experimentos, se dedujo el siguiente diagrama práctico del cambio:

En él, la fuente abstracta de voltaje estable se reemplaza por un estabilizador paramétrico muy real de la resistencia R2 y el diodo zener D1, y el divisor se basa en una resistencia de corte R1, que le permite ajustar el coeficiente de división al valor deseado. Dado que las entradas del comparador tienen una impedancia muy significativa, la resistencia de amortiguación en el estabilizador puede ser superior a cien kOhm, lo que minimiza la corriente de fuga y, por lo tanto, el consumo total del dispositivo. El valor de la resistencia de sintonización no es crítico en absoluto y sin ninguna consecuencia para la operabilidad del circuito se puede seleccionar en el rango de diez a varios cientos de kOhm. Debido al hecho de que el circuito de salida del comparador LM393 está construido de acuerdo con un circuito de colector abierto, también se requiere una resistencia de carga R3 para su finalización funcional.resistencia de varios cientos de kOhm.

El ajuste del dispositivo se reduce a establecer la posición del control deslizante de la resistencia del trimmer en una posición en la que el voltaje en la pata 2 del microcircuito excede el de la pata 3 en aproximadamente 0,1 ... 0,2 voltios. Para el ajuste, es mejor no subir a los circuitos de alta impedancia con un multímetro, sino simplemente instalando el motor de resistencia en la posición inferior (según el diagrama), conecte la unidad de fuente de alimentación (todavía no conectamos la batería) y, midiendo el voltaje en el pin 1 del microcircuito, mueva el contacto de la resistencia hacia arriba. Tan pronto como el voltaje cae a cero, el valor predeterminado puede considerarse completo.

No intente apagarlo con una diferencia de voltaje mínima, ya que esto inevitablemente conducirá a un funcionamiento incorrecto del circuito. En condiciones reales, por el contrario, hay que subestimar específicamente la sensibilidad. El hecho es que cuando la carga se enciende, el voltaje en la entrada del circuito inevitablemente se hunde debido a la estabilización no ideal en la fuente de alimentación y la resistencia final de los cables de conexión. Esto puede llevar al hecho de que un dispositivo demasiado sensible considerará una reducción tal como apagar la fuente de alimentación y romper el circuito. Como resultado, la fuente de alimentación se conectará solo cuando no haya carga, y el resto del tiempo la batería tendrá que funcionar. Sin embargo, cuando la batería está ligeramente descargada, el diodo interno del transistor de efecto de campo se abre y la corriente de la fuente de alimentación comienza a fluir hacia el circuito a través de él. Pero esto conducirá al sobrecalentamiento del transistor y aque la batería funcionará en un modo de baja carga prolongada. En general, la calibración final debe realizarse bajo carga real, controlando el voltaje en el pin 1 del microcircuito y, como resultado, dejando un pequeño margen de fiabilidad.

Como resultado de pruebas prácticas, se obtuvieron dichos resultados. La resistencia en estado abierto corresponde a la resistencia de paso desde la hoja de datos al transistor. En estado cerrado, la corriente parasitaria en el circuito secundario de la fuente de alimentación no se pudo medir debido a su insignificancia. El consumo de corriente en modo batería fue de 1.1 mA, y casi el 100% consiste en la corriente consumida por el chip. Después de la calibración bajo carga máxima, el tiempo de respuesta sin carga salió casi 15 minutos. Se necesitaba mucho tiempo para que mi batería se descargue al voltaje que proviene de la fuente de alimentación al dispositivo bajo carga completa. Es cierto que el apagado a plena carga ocurre casi de inmediato (menos de 10 segundos), pero este tiempo depende de la capacidad, la carga y la "salud" general de la batería.

Las desventajas significativas de este esquema son la relativa complejidad de la calibración y la necesidad de soportar las posibles pérdidas de energía de la batería para un funcionamiento adecuado.

El último inconveniente no dio descanso y después de algunas deliberaciones me llevó a pensar no medir el voltaje de la batería, sino directamente la dirección de la corriente en el circuito.

La segunda solución (transistor de efecto de campo + medidor de dirección de corriente)

Para medir la dirección de la corriente, se podría usar un sensor complicado. Por ejemplo, un sensor Hall que detecta el vector de campo magnético alrededor de un conductor y permite no solo romper el circuito para determinar la dirección, sino también la intensidad de la corriente. Sin embargo, debido a la falta de dicho sensor (y la experiencia con dispositivos similares), se decidió tratar de medir el signo de la caída de voltaje a través del canal del transistor de efecto de campo. Por supuesto, en estado abierto, la resistencia del canal se mide en centésimas de ohmio (por el bien de esto y de la idea completa), pero, sin embargo, es bastante finita y puedes intentar jugar esto. Un argumento adicional a favor de tal solución es la ausencia de la necesidad de un ajuste fino. Solo mediremos la polaridad de la caída de voltaje, y no su valor absoluto.

Según los cálculos más pesimistas, cuando la resistencia de canal abierto del transistor FDD6685 es de aproximadamente 14 mOhm y la sensibilidad diferencial del comparador LM393 de la columna "min" es de 50 V / mV, tendremos un rango de voltaje completo de 12 voltios en la salida del comparador a una corriente a través del transistor de poco más de 17 mA. Como puede ver, el valor es bastante real. En la práctica, debería ser incluso un orden de magnitud menor, porque la sensibilidad típica de nuestro comparador es de 200 V / mV, la resistencia del canal del transistor en condiciones reales, teniendo en cuenta la instalación, es poco probable que sea inferior a 25 mOhm, y la oscilación del voltaje de control en la puerta no puede exceder tres volt.

Una implementación abstracta se verá así:

Aquí, las entradas del comparador están conectadas directamente al bus positivo en lados opuestos del transistor de efecto de campo. Cuando la corriente lo atraviesa en diferentes direcciones, los voltajes en las entradas del comparador inevitablemente diferirán, y el signo de la diferencia corresponderá a la dirección de la corriente y la magnitud a su fuerza.

A primera vista, el circuito es extremadamente simple, pero aquí hay un problema con la potencia del comparador. Consiste en el hecho de que no podemos alimentar el chip directamente desde los mismos circuitos que debería medir. Según la hoja de datos, el voltaje máximo en las entradas del LM393 no debe ser más alto que el voltaje de suministro menos dos voltios. Si se excede este umbral, el comparador deja de notar la diferencia de voltaje en las entradas directas e inversas.

Hay dos posibles soluciones al problema. El primero, obvio, es aumentar el voltaje de suministro del comparador. El segundo que viene a la mente, si piensa un poco, es reducir igualmente los voltajes de control con la ayuda de dos divisores. Así es como podría verse:

Este esquema cautiva con su simplicidad y concisión, pero en el mundo real, desafortunadamente, no es factible. El hecho es que estamos tratando con una diferencia de voltaje entre las entradas del comparador de solo unos pocos milivoltios. Al mismo tiempo, la propagación de las resistencias incluso de la clase de precisión más alta es 0.1%. Con una relación de división mínima aceptable de 2 a 8 y una impedancia total razonable del divisor de 10 kOhm, el error de medición alcanzará 3 mV, que es varias veces mayor que la caída de voltaje a través del transistor a una corriente de 17 mA. El uso de un “recortador” en uno de los divisores desaparece por la misma razón, porque no es posible seleccionar su resistencia con una precisión de más del 0.01% incluso cuando se usa una resistencia de precisión de múltiples vueltas (además, no se olvide de la deriva del tiempo y la temperatura). Además, como ya se mencionó anteriormente,teóricamente, este circuito no debería necesitar ser calibrado en absoluto debido a su naturaleza casi "digital".

Con base en lo anterior, en la práctica solo hay una opción para aumentar el voltaje de suministro. En principio, este no es un problema, dado que hay una gran cantidad de microcircuitos especializados que permiten usar solo unas pocas partes para construir un convertidor escalonado para el voltaje deseado. Pero entonces la complejidad del dispositivo y su consumo casi se duplicarán, lo que me gustaría evitar.

Hay varias formas de construir un convertidor de refuerzo de baja potencia. Por ejemplo, la mayoría de los convertidores integrados utilizan el voltaje de autoinducción de un pequeño inductor conectado en serie con un interruptor de "alimentación" ubicado directamente en el chip. Este enfoque se justifica con una conversión relativamente potente, por ejemplo, para alimentar un LED con una corriente de decenas de miliamperios. En nuestro caso, esto es claramente redundante, ya que debe proporcionar una corriente de solo aproximadamente un miliamperio. Somos mucho más adecuados para duplicar el voltaje de CC utilizando una tecla de control, dos condensadores y dos diodos. El principio de su acción puede ser entendido por el esquema:

En el primer momento, cuando el transistor está cerrado, no sucede nada interesante. La corriente del bus de potencia a través de los diodos D1 y D2 va a la salida, como resultado de lo cual se establece incluso un voltaje ligeramente menor en el condensador C2 que el que se suministra a la entrada. Sin embargo, si el transistor se abre, el condensador C1 a través del diodo D1 y el transistor se cargarán casi a la tensión de alimentación (menos la caída directa en D1 y el transistor). Ahora, si cerramos el transistor nuevamente, resulta que el capacitor cargado C1 está conectado en serie con la resistencia R1 y la fuente de energía. Como resultado, su voltaje se sumará al voltaje de la fuente de energía y, después de sufrir algunas pérdidas en la resistencia R1 y el diodo D2, cargará C2 a casi el doble de Uin. Después de eso, todo el ciclo puede comenzar de nuevo. Como resultado, si el transistor cambia regularmente y la extracción de energía de C2 no es demasiado grande,a partir de 12 voltios, resulta aproximadamente 20 al costo de solo cinco partes (sin contar la clave), entre las cuales no hay un solo elemento de devanado o dimensional.

Para implementar dicho duplicador, además de los elementos ya enumerados, necesitamos un generador de oscilación y la propia clave. Puede parecer muchos detalles, pero en realidad no lo es, porque casi todo lo que necesitamos ya está en su lugar. ¿Espero que no hayas olvidado que el LM393 contiene dos comparadores? ¿Y qué hemos usado hasta ahora solo uno de ellos? Después de todo, el comparador también es un amplificador, lo que significa que si lo cubre con retroalimentación positiva en corriente alterna, se convertirá en un generador. Al mismo tiempo, su transistor de salida se abrirá y cerrará regularmente, desempeñando perfectamente el papel de una tecla duplicadora. Esto es lo que obtenemos cuando intentamos implementar nuestro plan:

Al principio, la idea de suministrar voltaje al generador, que en realidad produce durante la operación, puede parecer bastante salvaje. Sin embargo, si observa de cerca, puede ver que inicialmente el generador recibe energía a través de los diodos D1 y D2, que es suficiente para que arranque. Después de que se produce la generación, el duplicador comienza a funcionar y el voltaje de suministro aumenta gradualmente a unos 20 voltios. Este proceso no lleva más de un segundo, después de lo cual el generador, y con él el primer comparador, reciben energía que excede significativamente el voltaje de funcionamiento del circuito. Esto nos da la oportunidad de medir directamente la diferencia de voltaje en la fuente y el drenaje del transistor de efecto de campo y lograr nuestro objetivo.

Aquí está el diagrama final de nuestro interruptor:

No hay nada que explicar, todo se describe anteriormente. Como puede ver, el dispositivo no contiene ningún elemento de ajuste y, cuando se ensambla correctamente, comienza a funcionar de inmediato. Además de los elementos activos ya conocidos, solo se agregaron dos diodos, que se pueden usar con cualquier diodo de baja potencia con un voltaje inverso máximo de al menos 25 voltios y una corriente directa máxima de 10 mA (por ejemplo, el extendido 1N4148, que se puede quitar de una placa base antigua).

Este circuito se probó en una placa de pruebas donde demostró ser completamente operativo. Los parámetros obtenidos son totalmente consistentes con las expectativas: conmutación instantánea en ambas direcciones, ausencia de una reacción inadecuada cuando se conecta la carga, el consumo de corriente de la batería es de solo 2.1 mA.

También se incluye una de las opciones de diseño de PCB. 300 ppp, vista desde el costado de las partes (por lo tanto, debe imprimir en una imagen reflejada). El transistor de efecto de campo está montado en el lado de los conductores. El dispositivo ensamblado, completamente listo para la instalación: lo crié a la antigua usanza, por lo que resultó un poco torcido, pero sin embargo, el dispositivo ha estado funcionando correctamente durante varios días en un circuito con una corriente de hasta 15 amperios sin signos de sobrecalentamiento. Archivo con esquemas y archivos de cableado para EAGLE . Gracias por su atencion

Deja de poner el diodo