Não, isso não é outro "para sempre"Depois de ler o artigo sobre a proteção de circuitos elétricos contra polaridade inadequada de energia usando um transistor de efeito de campo, lembrei-me de que havia um problema não resolvido de desconectar automaticamente a bateria do carregador quando este era desenergizado. E fiquei curioso para saber se seria possível aplicar uma abordagem semelhante em outro caso, onde, desde tempos imemoriais, um diodo também era usado como um elemento de fechamento.Este artigo é um guia típico do ciclismo, como fala sobre o desenvolvimento de um circuito cuja funcionalidade já foi implementada em milhões de dispositivos acabados. Portanto, a solicitação não se aplica a este material, como algo completamente utilitário. Pelo contrário, é apenas uma história sobre como um dispositivo eletrônico nasce: da conscientização da necessidade a um protótipo funcional através de todos os obstáculos.Por que tudo isso?
Ao fazer backup de uma fonte de energia CC de baixa tensão, a maneira mais fácil de ligar uma bateria de chumbo-ácido é usá-la como um buffer, paralelo à fonte de rede, como era feito nos carros antes que eles tivessem cérebros complexos. A bateria, embora não funcione no modo mais ideal, está sempre carregada e não requer nenhuma troca de energia ao desconectar ou ligar a tensão da rede elétrica na entrada da PSU. Mais detalhadamente sobre alguns problemas dessa inclusão e tente resolvê-los.Antecedentes
Cerca de 20 anos atrás, essa pergunta não estava na agenda. O motivo disso foi o circuito de uma fonte de alimentação de rede típica (ou carregador), que impediu a bateria de descarregar para o circuito de saída quando a tensão da rede elétrica foi desligada. Vejamos o esquema de blocos mais simples com retificação em meia onda:
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No entanto, nos últimos anos, tudo mudou. As fontes de alimentação do transformador com estabilização paramétrica foram substituídas por conversores de voltagem CA / CC de comutação mais compactos e baratos, que têm uma eficiência e uma relação potência / peso muito mais altas. Mas apenas com todas as vantagens, essas fontes de alimentação mostraram uma desvantagem: seus circuitos de saída têm um circuito muito mais complexo, que geralmente não fornece proteção contra o fluxo de corrente reversa do circuito secundário. Como resultado, ao usar essa fonte em um sistema da forma "BP -> bateria reserva -> carga", quando a tensão da rede elétrica é desconectada, a bateria começa a descarregar intensamente no circuito de saída da PSU.A maneira mais simples (diodo)
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- A capacidade de suportar sem aquecimento significativo no estado ligado a corrente direta consumida pela fonte de alimentação pela carga e pela bateria do buffer.
- Queda de tensão reversa alta e baixo consumo próprio no estado desligado.
- Normalmente desligado, de modo que quando uma bateria carregada é conectada ao sistema desenergizado inicialmente, sua descarga não inicia.
- Transição automática para o estado ligado quando a tensão da rede elétrica é aplicada, independentemente da presença e do nível de carga da bateria.
- A transição automática mais rápida para o estado desligado quando a tensão da rede falha.
Se o diodo fosse um dispositivo ideal, ele preencheria todas essas condições sem problemas, mas a dura realidade lança dúvidas sobre os pontos 1 e 2.Solução ingênua (relé DC)
Ao analisar os requisitos, qualquer pessoa que esteja pelo menos um pouco "no tópico" terá a idéia de usar um relé eletromagnético para esse fim, capaz de fechar fisicamente os contatos usando o campo magnético criado pela corrente de controle no enrolamento. E, provavelmente, ele até joga algo assim em um guardanapo:
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Depois de perceber todos os problemas do parágrafo anterior, a pessoa "desprezível" costuma ter a nova idéia de usar a própria fonte de alimentação como uma válvula condutora unidirecional. Porque não Afinal, se a PSU não for um dispositivo reversível e a tensão da bateria fornecida à sua saída não criar 220 volts na entrada CA (como ocorre em 100% dos casos de circuitos reais), essa diferença poderá ser usada como sinal de controle para o elemento de comutação:
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A busca por uma solução mais elegante para o problema me levou ao fato de que uma bateria operando no modo buffer a uma voltagem de 13,8 volts sem "recarga" externa perde rapidamente sua voltagem original, mesmo na ausência de carga. Se ele começa a descarregar na PSU, no primeiro minuto perde pelo menos 0,1 volts, o que é mais do que suficiente para uma fixação confiável por um simples comparador. Em geral, a idéia é a seguinte: o comparador controla a porta do transistor de efeito de campo de comutação. Uma das entradas do comparador está conectada a uma fonte de tensão estável. A segunda entrada está conectada ao divisor de tensão da fonte de alimentação. Além disso, o coeficiente de divisão é selecionado para que a tensão na saída do divisor com o PS ligado seja aproximadamente 0,1..0,2 volts mais alta que a tensão da fonte estabilizada. Como resultadoquando a PSU é ligada, a tensão do divisor sempre prevalece, mas quando a rede é desenergizada, à medida que a tensão da bateria cai, ela diminui proporcionalmente a essa queda. Após algum tempo, a tensão na saída do divisor será menor que a tensão do estabilizador e o comparador interromperá o circuito usando um transistor de efeito de campo.Um diagrama aproximado desse dispositivo:
Como você pode ver, a entrada direta do comparador é conectada à fonte de tensão estável. A tensão dessa fonte, em princípio, não é importante, o principal é que ela esteja dentro das tensões de entrada permitidas do comparador, mas é conveniente quando estiver com cerca de metade da tensão da bateria, ou seja, cerca de 6 volts. A entrada inversa do comparador é conectada ao divisor de tensão da PSU e a saída ao portão do transistor de comutação. Quando a tensão na entrada inversa excede a tensão direta, a saída do comparador conecta a porta do transistor de efeito de campo ao terra, como resultado do qual o transistor abre e fecha o circuito. Depois que a rede elétrica é desenergizada, depois de um tempo a tensão da bateria diminui, juntamente com ela a tensão na entrada inversa do comparador cai e, quando fica abaixo do nível na entrada direta,o comparador "rasga" o portão do transistor do chão e, assim, interrompe o circuito. No futuro, quando a fonte de alimentação "voltar à vida" novamente, a tensão na entrada inversa instantaneamente sobe para um nível normal e o transistor se abre novamente.Para a implementação prática desse circuito, meu chip LM393 existente foi usado. É muito barato (menos de dez centavos no varejo), mas, ao mesmo tempo, um comparador duplo é econômico e possui características muito boas. Permite alimentação de até 36 volts, possui um coeficiente de transmissão de pelo menos 50 V / mV e suas entradas são caracterizadas por uma impedância bastante alta. O primeiro dos MOSFETs de canal P potentes disponíveis no mercado FDD6685 foi considerado um transistor de comutação. Após várias experiências, o seguinte diagrama prático da chave foi deduzido:
R2 D1, R1, . , , , . - . - , LM393 , R3, .
, 2 3 0.1..0.2 . , ( ) , ( ), , 1 , . , .
Não tente desligar com uma diferença mínima de tensão, pois isso inevitavelmente levará à operação incorreta do circuito. Em condições reais, pelo contrário, você deve subestimar especificamente a sensibilidade. O fato é que, quando a carga é ligada, a tensão na entrada do circuito inevitavelmente diminui devido à estabilização não ideal na fonte de alimentação e à resistência final dos fios de conexão. Isso pode levar ao fato de que um dispositivo excessivamente sensível considerará uma perda como desligar a fonte de alimentação e interromper o circuito. Como resultado, a PSU será conectada apenas quando não houver carga e o restante do tempo a bateria terá que funcionar. No entanto, quando a bateria está ligeiramente descarregada, o diodo interno do transistor de efeito de campo é aberto e a corrente da PSU começa a fluir para o circuito através dele. Mas isso levará ao superaquecimento do transistor e aque a bateria funcione em um modo de baixa carga longa. Em geral, a calibração final deve ser realizada sob carga real, controlando a tensão no pino 1 do microcircuito e, como resultado, deixando uma pequena margem de confiabilidade.Como resultado de testes práticos, esses resultados foram obtidos. A resistência no estado aberto corresponde à resistência de passagem da folha de dados ao transistor. No estado fechado, a corrente parasitária no circuito secundário da PSU não pôde ser medida devido à sua insignificância. O consumo atual no modo de bateria foi de 1,1 mA e quase 100% consiste na corrente consumida pelo chip. Após a calibração sob carga máxima, o tempo de resposta sem carga saiu quase 15 minutos. Foi necessário tanto tempo para a minha bateria descarregar na tensão que vem da PSU para o dispositivo em carga máxima. É verdade que o desligamento em carga máxima ocorre quase imediatamente (menos de 10 segundos), mas esse tempo depende da capacidade, carga e "saúde" geral da bateria.As desvantagens significativas desse esquema são a complexidade relativa da calibração e a necessidade de suportar potenciais perdas de energia da bateria para uma operação adequada.A última desvantagem não deu descanso e, depois de alguma deliberação, me levou a pensar em não medir a tensão da bateria, mas diretamente na direção da corrente no circuito.A segunda solução (transistor de efeito de campo + medidor de direção de corrente)
Para medir a direção da corrente, pode-se usar um sensor complicado. Por exemplo, um sensor Hall que detecta o vetor do campo magnético ao redor de um condutor e permite não apenas interromper o circuito para determinar a direção, mas também a força da corrente. No entanto, devido à falta de um sensor (e experiência com dispositivos semelhantes), foi decidido tentar medir o sinal da queda de tensão no canal do transistor de efeito de campo. Obviamente, no estado aberto, a resistência do canal é medida em centésimos de ohm (por uma questão disso e de toda a idéia), mas, no entanto, é bastante finita e você pode tentar reproduzir isso. Um argumento adicional a favor dessa solução é a ausência da necessidade de ajustes finos. Apenas mediremos a polaridade da queda de tensão, e não seu valor absoluto., FDD6685 14 LM393 “min” 50 V/mV, 12 17 mA. , . , 200 V/mV, 25 , .
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Aqui, as entradas do comparador são conectadas diretamente ao barramento positivo em lados opostos do transistor de efeito de campo. Quando a corrente passa por ela em direções diferentes, as tensões nas entradas do comparador inevitavelmente diferem, e o sinal da diferença corresponderá à direção da corrente e à magnitude de sua força.À primeira vista, o circuito é extremamente simples, mas aqui há um problema com o poder do comparador. Consiste no fato de que não podemos alimentar o chip diretamente dos mesmos circuitos que ele deve medir. De acordo com a folha de dados, a tensão máxima nas entradas do LM393 não deve ser maior que a tensão de alimentação menos dois volts. Se esse limite for excedido, o comparador deixará de notar a diferença de tensão nas entradas direta e inversa.Existem duas soluções possíveis para o problema. O primeiro, óbvio, é aumentar a tensão de alimentação do comparador. O segundo que vem à mente, se você pensar um pouco, é reduzir igualmente a tensão de controle com a ajuda de dois divisores. Aqui está o que pode parecer:
, , , . , . 0.1%. 2 8 10 , 3 mV, 17 mA. «» , 0.01% ( ). , , - «» .
Com base no exposto, na prática existe apenas uma opção para aumentar a tensão de alimentação. Em princípio, esse não é um problema, já que existe um grande número de microcircuitos especializados que permitem o uso de apenas algumas peças para construir um conversor de passo para a tensão desejada. Mas então a complexidade do dispositivo e seu consumo quase dobram, o que eu gostaria de evitar.Existem várias maneiras de criar um conversor de impulso de baixa potência. Por exemplo, a maioria dos conversores integrados usa a tensão de auto-indução de um pequeno indutor conectado em série com um interruptor "power" localizado diretamente no chip. Essa abordagem é justificada com uma conversão relativamente poderosa, por exemplo, para alimentar um LED com uma corrente de dezenas de miliamperes. No nosso caso, isso é claramente redundante, porque você precisa fornecer uma corrente de apenas cerca de um miliampere. Somos muito mais adequados para dobrar a tensão DC usando uma chave de controle, dois capacitores e dois diodos. O princípio de sua ação pode ser entendido pelo esquema:
No primeiro momento, quando o transistor é fechado, nada de interessante acontece. A corrente do barramento de força através dos diodos D1 e D2 vai para a saída, como resultado, no capacitor C2 até uma tensão ligeiramente mais baixa é ajustada do que a fornecida à entrada. No entanto, se o transistor abrir, o capacitor C1 através do diodo D1 e o transistor serão carregados quase até a tensão de alimentação (menos a queda direta em D1 e no transistor). Agora, se fecharmos o transistor novamente, acontece que o capacitor carregado C1 está conectado em série com o resistor R1 e a fonte de energia. Como resultado, sua voltagem aumentará a voltagem da fonte de energia e, após sofrer algumas perdas no resistor R1 e no diodo D2, cobrará C2 quase o dobro de Uin. Depois disso, todo o ciclo pode ser iniciado novamente. Como resultado, se o transistor alternar regularmente e a extração de energia do C2 não for muito grande,de 12 volts, são cerca de 20 ao custo de apenas cinco partes (sem contar a chave), entre as quais não há um único elemento de enrolamento ou dimensional.Para implementar esse duplicador, além dos elementos já listados, precisamos de um gerador de oscilação e da própria chave. Pode parecer muitos detalhes, mas na verdade não é, porque quase tudo que precisamos já está no lugar. Espero que você não tenha esquecido que o LM393 contém dois comparadores? E o que usamos até agora apenas um deles? Afinal, o comparador também é um amplificador, o que significa que, se você o cobrir com feedback positivo sobre corrente alternada, ele se transformará em um gerador. Ao mesmo tempo, seu transistor de saída será aberto e fechado regularmente, desempenhando perfeitamente o papel de uma tecla duplicadora. Aqui está o que obtemos ao tentar implementar nosso plano:
A princípio, a idéia de fornecer tensão ao gerador, que ele realmente produz durante a operação, pode parecer bastante selvagem. No entanto, se você observar de perto, poderá ver que, inicialmente, o gerador recebe energia pelos diodos D1 e D2, o que é suficiente para ele iniciar. Após a geração, o dobrador começa a funcionar e a tensão de alimentação aumenta gradualmente para cerca de 20 volts. Esse processo leva não mais que um segundo, após o qual o gerador e, com ele, o primeiro comparador, recebem energia que excede significativamente a tensão operacional do circuito. Isso nos dá a oportunidade de medir diretamente a diferença de tensão na fonte e no dreno do transistor de efeito de campo e atingir nosso objetivo.Aqui está o diagrama final do nosso switch:
, . , . , 25 10 mA (, 1N4148, ).
, . : , , 2.1 mA.
Uma das opções de layout da PCB também está incluída. 300 dpi, vista pela lateral das peças (portanto, é necessário imprimir em imagem espelhada). O transistor de efeito de campo é montado no lado dos condutores. O dispositivo montado, completamente pronto para instalação: eu o criei à moda antiga, para que fique um pouco torto, mas, no entanto, o dispositivo está funcionando corretamente há vários dias em um circuito com uma corrente de até 15 amperes sem sinais de superaquecimento. Arquive com arquivos esquemáticos e de fiação para o EAGLE . Obrigado pela atenção.
