🚔 👊🏽 🧘🏼 停止放二极管 ☎️ 🕵🏻 👗

不，这不是另一个“永远的”。

在阅读了有关使用场效应晶体管保护电路免受错误的电源极性影响的文章之后，我想起了一个长期未解决的问题，即当充电器断电时，它会自动从充电器上断开。我很好奇，是否有可能在另一种情况下采用类似的方法，因为从远古时代开始，二极管也被用作关闭元件。

本文是典型的骑行指南，讨论了电路的开发，该电路的功能早已在数百万个成品设备中实现。因此，该要求不适用于这种材料，因为它完全是功利主义的。而是关于电子设备如何诞生的一个故事：从对需求的认识到克服所有障碍的可行原型。

为什么要这样？

备份低压直流电源时，最简单的打开铅酸电池的方法是将其用作缓冲液，与网络电源平行，就像在动脑筋的汽车中所做的那样。电池虽然不能在最佳模式下工作，但始终处于充电状态，并且在断开或打开PSU输入上的电源电压时不需要任何电源切换。进一步更详细地介绍这种包含的一些问题，并尝试解决这些问题。

背景知识

大约20年前，这个问题还没有列入议程。原因是典型的网络电源（或充电器）的电路，当电源电压关闭时，电池无法放电到其输出电路。让我们看一下采用半波整流的最简单的模块方案：

显然，当市电电压断开时，用于整流市电绕组交流电压的同一二极管也将防止电池放电至变压器的次级绕组。整流器的半波桥电路尽管不那么明显，但具有完全相同的特性。甚至将参数电压稳定器与电流放大器一起使用（例如广泛使用的7812芯片及其类似物）也不会改变这种情况：

确实，如果您看一下这种稳定器的简化电路，很明显，输出晶体管的发射极结起着同一个栅极的作用。二极管，当整流器输出端的电压消失时，该二极管闭合，并保持电池电荷完好无损。

但是，近年来，一切都发生了变化。具有参数稳定功能的变压器电源已被更紧凑，更便宜的开关AC / DC电压转换器所取代，后者具有更高的效率和功率/重量比。但是只有这些优点，这些电源才显示出一个缺点：它们的输出电路的电路要复杂得多，通常无法提供保护以防止来自次级电路的反向电流流动。结果，当在“ BP->缓冲电池->负载”形式的系统中使用这种电源时，当电源电压断开时，电池开始向PSU的输出电路集中放电。

最简单的方法（二极管）

最简单的解决方案是在连接PSU和电池的正极线间隙中使用带有肖特基势垒的二极管：

但是，上述解决方案的主要问题已经在上面提到。此外，由于要在缓冲模式下工作，12伏铅酸电池需要至少13.6伏的电压，因此这种方法可能不可接受。二极管上几乎有半伏的电压下降，与现有电源结合使用时，就无法达到这个平庸的电压水平（以我为例）。

所有这些使我们寻找自动切换的替代方法，该方法应具有以下属性：

开启时正向压降小。
在接通状态下承受不显着加热的能力，即负载和缓冲电池供电所消耗的直流电。
在关闭状态下，反向电压降高，自消耗低。
通常处于关闭状态，因此当已充电的电池连接到最初断电的系统时，不会开始放电。
施加市电时，无论电池电量的存在和水平如何，都会自动转换为开启状态。
当电源电压出现故障时，最快的自动过渡到关闭状态。

如果二极管是理想的器件，那么它将满足所有这些条件而没有问题，但是严酷的现实使人们对点1和点2产生了怀疑。

天真的解决方案（直流继电器）

在分析需求时，至少有一点“话题”的人都会想到使用电磁继电器的想法，该电磁继电器能够利用绕组中控制电流产生的磁场来物理闭合触点。而且，也许他甚至在餐巾纸上扔了这样的东西：

在此电路中，仅当电流流经连接到电源输出的绕组时，常开继电器触点才会闭合。但是，如果您遍历要求列表，则表明该电路不符合第6点的要求。毕竟，如果继电器触点一旦闭合，则电源故障将不会导致其断开，因为绕组（以及PSU的整个输出电路）仍通过相同的触点连接到电池！当控制电路与执行器直接连接时，存在典型的正反馈情况，因此系统获得双稳态触发器的属性。

因此，这种幼稚的方法不能解决该问题。此外，如果我们对当前情况进行逻辑分析，我们很容易得出结论，在理想条件下，在“ BP->缓冲电池”间隙中，除了沿一个方向传导电流的阀之外，别无其他解决方案。的确，如果我们不使用任何外部控制信号，那么我们在电路中的这一点上所做的任何事情，一旦打开我们的任何开关元件，都将使电池产生的电能与电源产生的电能无法区分。

回旋处（交流继电器）

在意识到上一段的所有问题之后，“卑鄙的人”通常会想到将电源本身用作单向传导阀的新想法。为什么不呢毕竟，如果PSU不是可逆设备，并且提供给其输出的电池电压不会在AC输入上产生220伏特（在100％的实际电路中会发生这种情况），那么该差异可以用作开关元件的控制信号：

宾果！满足了所有要求，并且唯一需要的是继电器，当向其施加主电源电压时，继电器可以闭合触点。它可以是专为电源电压设计的特殊交流继电器。或者是带有自己的mini-PSU的普通继电器（在这里，任何带有简单整流器的无变压器降压电路就足够了）。

庆祝胜利是有可能的，但是我不喜欢这个决定。首先，您需要将某些东西直接连接到网络上，这在安全性方面不是嗡嗡声。其次，该继电器应通过可能高达数十安培的大电流进行切换的事实，这使得整个设计不像最初看起来那样琐碎而紧凑。第三，那么方便的场效应晶体管呢？

( + )

寻找更优雅的解决方案的想法使我想到一个事实，即即使在没有负载的情况下，以缓冲模式工作且电压约为13.8伏而无需外部“充电”的电池也会迅速失去其原始电压。如果它开始在PSU上放电，则在第一分钟的时间里它至少会损失0.1伏，这足以通过一个简单的比较器可靠地固定。通常，想法是这样的：比较器控制开关场效应晶体管的栅极。比较器输入之一连接到稳定电压源。第二个输入连接到电源的分压器。此外，选择分压系数，以使PS接通时分压器输出处的电压比稳定电源的电压大约高0.1..0.2伏。结果当PSU打开时，来自分压器的电压将始终占优势，但是当网络断电时，随着电池电压的下降，它将与下降成比例地下降。一段时间后，分压器输出的电压将小于稳定器的电压，比较器将使用场效应晶体管断开电路。

这种设备的大概示意图：

如您所见，比较器的直接输入连接到稳定电压源。原则上，该电源的电压并不重要，主要是它在比较器允许的输入电压之内，但是当它约为电池电压的一半（即约6伏）时，很方便。比较器的反相输入连接到PSU的分压器，输出连接到开关晶体管的栅极。当反向输入端的电压超过直接输入端的电压时，比较器输出将场效应晶体管的栅极接地，结果，晶体管打开和关闭电路。市电断电后，一段时间后，电池电压下降，比较器反向输入端的电压随之下降，而当结果低于直接输入端的电压时，比较器“撕裂”晶体管栅极离开地面，从而断开电路。将来，当电源再次“恢复供电”时，反向输入端的电压会立即升至正常水平，晶体管再次打开。

对于该电路的实际实现，使用了我现有的LM393芯片。它非常便宜（零售价不到10美分），但同时，双重比较器是经济的并且具有相当好的特性。它允许最高36伏的电源，传输系数至少为50 V / mV，其输入具有相当高的阻抗。市场上第一款功能强大的P沟道MOSFET FDD6685被用作开关晶体管。经过几次实验，得出了该开关的以下实用示意图：

其中，稳定的抽象电压源由电阻R2和齐纳二极管D1的非常真实的参数稳定器代替，分压器基于微调电阻R1，可将分压系数调整为所需值。由于比较器输入端的阻抗非常大，因此稳定器中的阻尼电阻可以超过100 kOhm，这可以最大程度地降低泄漏电流，从而最大程度地降低器件的总功耗。调谐电阻的阻值根本不是关键，对电路的可操作性没有任何影响，可以在十至几百kOhm的范围内选择。由于LM393比较器的输出电路是根据集电极开路构成的，因此还需要负载电阻R3来完成其功能。电阻几百千欧。

调节设备归结为将微调电阻器滑块的位置设置为微电路支路2上的电压超过支路3上的电压约0.1..0.2伏的位置。为了进行调整，最好不要用万用表爬入高阻抗电路，而只需将电阻器引擎安装在较低的位置（如图所示），连接电源单元（我们尚未连接电池），然后在微电路的引脚1上测量电压，将电阻器触点向上移动。一旦电压降至零，则可以认为预设已完成。

不要试图以最小的电压差关闭，因为这将不可避免地导致电路的错误操作。相反，在实际情况下，您必须特别低估灵敏度。事实是，当负载接通时，由于电源中的理想稳定性和连接线的最终电阻，电路输入端的电压不可避免地下降。这可能会导致一个事实，即过于敏感的设备会考虑降低功耗，例如关闭电源并断开电路。因此，只有在没有负载时才连接PSU，而在其余时间中电池必须工作。但是，当电池稍微放电时，场效应晶体管的内部二极管打开，并且来自PSU的电流开始通过它流入电路。但这会导致晶体管过热并导致电池将长时间处于充电不足状态。通常，最终校准必须在实际负载下进行，以控制微电路引脚1上的电压，因此，留出了很小的可靠性余量。

作为实际测试的结果，获得了这样的结果。开路状态下的电阻对应于从数据手册到晶体管的通过电阻。在闭合状态下，由于PSU次级电路中的寄生电流微不足道，因此无法对其进行测量。电池模式下的电流消耗为1.1 mA，几乎100％由芯片消耗的电流组成。在最大负载下校准后，空载响应时间将近15分钟。我的电池需要大量时间才能放电到满载情况下从PSU到设备的电压。没错，在满负载下关闭几乎会立即发生（少于10秒），但这时间取决于电池的容量，电量和一般的“健康状况”。

该方案的显着缺点是校准的相对复杂性以及需要忍受潜在的电池能量损失才能正常运行。

最后一个缺点没有解决，经过深思熟虑后，我开始考虑不测量电池电压，而是直接测量电路中电流的方向。

第二种解决方案（场效应晶体管+电流方向计）

为了测量电流方向，可以使用一些棘手的传感器。例如，霍尔传感器可以检测导体周围的磁场矢量，不仅可以断开电路以确定方向，还可以确定电流强度。但是，由于缺少这种传感器（以及类似设备的使用经验），因此决定尝试测量场效应晶体管沟道上的电压降的符号。当然，在断开状态下，通道电阻的测量单位为百分之一欧姆（出于此目的以及整个思想），但是尽管如此，它还是非常有限的，您可以尝试使用它。支持这种解决方案的另一个论点是无需进行精细调整。我们将仅测量电压降的极性，而不是其绝对值。

根据最悲观的计算，当FDD6685晶体管的开路电阻约为14 mOhm，而LM393比较器的“最小”列的差分灵敏度为50 V / mV时，在流经晶体管的电流刚好超过17 mA的情况下，比较器的输出将具有12伏的全电压跨度。如您所见，该值是真实的。实际上，它甚至应该小一个数量级，因为我们的比较器的典型灵敏度为200 V / mV，考虑到安装情况，实际条件下晶体管通道的电阻不可能小于25 mOhm，并且栅极的控制电压摆幅不能超过3。伏特

抽象实现将如下所示：

在这里，比较器输入直接连接到场效应晶体管两侧的正总线。当电流沿不同方向流过时，比较器的输入端上的电压将不可避免地发生变化，并且差异的符号将对应于电流的方向，而幅度则对应于其强度。

乍一看，电路极其简单，但此处比较器的电源存在问题。这是因为我们不能直接从应该测量的相同电路为芯片供电。根据数据表，LM393输入的最大电压不应高于电源电压减去两伏。如果超过该阈值，则比较器将不再注意到正向和反向输入上的电压差。

有两个潜在的解决方案。显而易见，首先是增加比较器的电源电压。如果想一想，第二个想法就是借助两个分压器来平均降低控制电压。可能是这样的：

该方案以其简单和简洁而着迷，但是不幸的是，在现实世界中，它是不可行的。事实是，我们处理的比较器输入之间的电压差仅为几毫伏。同时，即使是最高精度等级的电阻器，其扩展范围也仅为0.1％。在最小可接受的2至8分频系数和10kΩ的合理阻抗的情况下，测量误差将达到3 mV，这是在17 mA电流下晶体管两端的压降的几倍。由于相同的原因，在一个分压器中不再使用“微调器”，因为即使使用精密的多匝电阻器，也无法选择精度超过0.01％的电阻（而且不要忘记时间和温度漂移）。另外，如上所述从理论上讲，由于该电路几乎是“数字”性质的，因此根本不需要校准。

基于前述，实际上只有一种选择是增加电源电压。原则上，这不是问题，因为存在大量专用微电路，这些微电路允许仅使用几个部分来构建所需电压的升压转换器。但是这样一来，设备的复杂性及其消耗将几乎翻倍，我想避免这种情况。

有几种构建低功耗升压转换器的方法。例如，大多数集成转换器使用与直接位于芯片上的“电源”开关串联的小型电感器的自感应电压。这种方法具有相对强大的转换能力，例如，以数十毫安的电流为LED供电。在我们的情况下，这显然是多余的，因为您只需要提供大约1毫安的电流即可。我们更适合使用控制键，两个电容器和两个二极管将直流电压加倍。该方案可以理解其作用原理：

在第一时间，当晶体管关闭时，没有发生任何有趣的事情。来自电源总线的电流通过二极管D1和D2到达输出，结果电容器C2上的电压甚至比提供给输入的电压略低。但是，如果晶体管断开，则电容器C1通过二极管D1，晶体管将几乎被充电到电源电压（减去D1和晶体管上的直接压降）。现在，如果我们再次关闭晶体管，可以发现充电的电容器C1与电阻R1和电源串联连接。结果，它的电压将增加电源的电压，并且在电阻器R1和二极管D2中遭受一些损耗之后，它将对C2充电，几乎达到Uin的两倍。之后，整个循环可以重新开始。结果，如果晶体管有规律地开关，并且从C2提取的能量不太大，从12伏特开始，仅需5个部分（不算钥匙）就可以得到大约20个电压，其中没有单个绕组或尺寸元素。

为了实现这种倍频器，除了已经列出的元素之外，我们还需要一个振荡发生器和密钥本身。它看起来似乎有很多细节，但实际上并非如此，因为我们所需的几乎所有东西都已经就绪。希望您没有忘记LM393包含两个比较器吗？到目前为止，我们仅使用了其中之一？毕竟，比较器也是放大器，这意味着如果用交流电的正反馈覆盖它，它将变成发电机。同时，其输出晶体管将定期打开和关闭，完美地起到了加倍键的作用。这是我们尝试执行计划时得到的：

最初，为发电机提供电压的想法在运行过程中实际上会产生，这似乎有些荒唐。但是，如果仔细观察，您会发现发电机最初通过二极管D1和D2接收电力，足以使他启动。产生后，倍频器开始工作，电源电压逐渐增加到约20伏。此过程不超过一秒钟，此后，发电机以及第一个比较器将接收到的功率明显超过电路的工作电压。这使我们有机会直接测量场效应晶体管的源极和漏极处的电压差并实现我们的目标。

这是我们的交换机的最终图：

上面没有任何要解释的内容。如您所见，该设备不包含任何调音元件，并且在正确组装后即可立即开始工作。除了已经熟悉的有源元件外，仅增加了两个二极管，可以与最大反向电压至少为25伏，最大正向电流为10 mA的任何低功率二极管一起使用（例如，广泛使用的1N4148，可以从旧主板上卸下）。

该电路已在面包板上进行了测试，事实证明该电路可以完全正常工作。所获得的参数完全符合预期：双向双向切换，连接负载时没有反应不足，电池的电流消耗仅为2.1 mA。

PCB布局选项之一也包括在内。300 dpi，从部件侧面查看（因此，您需要以镜像方式打印）。场效应晶体管安装在导体的侧面。组装好的设备完全可以安装：我以老式的方式进行了繁殖，结果发现它有点弯曲，但是尽管如此，该设备在电流高达15安培的电路中已经可以正常工作几天了，并且没有过热的迹象。归档EAGLE的原理图和接线文件。谢谢您的关注。

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