Foxiss Больше никаких «крон», допустим, вам нужна батарея 9 В для питания схемы током 40 мА. Это довольно скромный ток, но, если использовать батарейку (стандартная «крона»), она прослужит совсем недолго.
Фактически, если вы используете типичную 9-вольтовую батарею (солевой элемент), она проработает менее 20 минут, прежде чем напряжение упадёт до 7,8 В. Этого может быть достаточно, чтобы ваша схема перестала работать.
Или, возможно, вы используете (алкалиновый) тип батареи. В зависимости от марки и цены, вы можете получить около двух часов работы. Негусто неправда ли.
Для сравнения, две щелочные батарейки AA, питающие эту схему DC‑DC преобразователя для получения 9 В при 40 мА, прослужат около 7 часов. А аккумуляторные AA могут быть ещё лучше. Таблица показывает сравнение.
Эта схема может выдавать до 90 мА при 9 В (с меньшим временем работы от элементов) или может быть настроена на выдачу любого напряжения от 4,5 до 20 В. Возможно, вам больше никогда не придётся покупать 9-вольтовую батарею.
Этот проект больше никаких «крон» выполнен на микросхеме TL499A от Texas Instruments. Её выходное напряжение программируется, что делает её пригодной для использования в различных маломощных конструкциях.
Данная конструкция рассчитана на использование двух элементов питания. Это позволяет преобразователю выдавать более реальные уровни выходного тока. Для маломощных конструкций два элемента также более экономичны, так как из них извлекается больше энергии до того, как напряжение на выводах упадёт ниже минимального входного напряжения преобразователя.
В схеме больше никаких «крон» также добавлен встроенный последовательный(линейный) стабилизатор TL499, что означает, что его можно питать от сетевого адаптера (блока питания), когда доступна розетка. Кроме того, предусмотрена функция замедленной зарядки (trickle-charge) для использования с аккумуляторными батареями.
Печатная плата по размерам примерно соответствует держателю двух элементов AA, поэтому в некоторых случаях её можно будет встроить прямо в оборудование, которое она питает. Альтернативно, её можно разместить в небольшом пластиковом корпусе.
Базовый принцип работы TL499A
Функциональная блок-схема TL499A показана на рисунке выше. Она содержит импульсный стабилизатор и линейный (последовательный) регулятор. Давайте сначала рассмотрим секцию импульсного стабилизатора.
Импульсный стабилизатор работает как обычный повышающий ШИМ-преобразователь постоянного тока. Генератор с переменной частотой управляет базой силового транзистора, который работает как ключ между одной стороной дросселя (индуктивности) и землёй.
Обращаясь к принципиальной схеме больше никаких «крон» на рисунке, которая представлена ниже, а также к блок-схеме, можно увидеть, что один конец дросселя L1 подключён к плюсу батареи. Другой конец подключён к выводу 6 микросхемы TL499A — это коллектор коммутирующего транзистора Q1.
Когда транзистор включается, ток через L1 нарастает во времени, накапливая энергию в магнитном поле дросселя. Когда транзистор закрывается, магнитное поле схлопывается, генерируя мгновенное напряжение, которое приводит к тому, что блокирующий диод начинает открываться, тем самым передавая энергию дросселя в выходной фильтрующий конденсатор и нагрузку через вывод 8.
Второй транзистор Q2 входит в состав схемы ограничения тока с цикл-за-цикловым контролем. Эта схема отключает коммутирующий транзистор Q1, когда ток через него достигает заданного уровня. Резистор 150 Ом от вывода 4 на землю устанавливает пиковый уровень тока около 500 мА.
ШИМ-схема использует режим фиксированного времени выключения/переменного времени включения для поддержания стабилизированного выходного напряжения при изменяющихся условиях питания (напряжение батареи) и нагрузки. При малой нагрузке частота переключения может падать до нескольких кГц. При максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении она увеличивается до более 20 кГц.
Теперь обратим внимание на секцию последовательного (линейного) регулятора. Эта часть также довольно традиционна и состоит из NPN-регулирующего транзистора Q3, источника опорного напряжения и усилителя ошибки.
Постоянное напряжение, поданное на вывод 1, передаётся на выход (вывод 8) через транзистор Q3. База Q3 управляется усилителем ошибки, который сравнивает опорное напряжение 1,26 В (номинальное) на своём неинвертирующем входе с напряжением на выводе 2.
Глядя на принципиальную схему, видно, что резисторы R1, R2 и R3 замыкают цепь обратной связи, подключая выходное напряжение обратно к инвертирующему входу усилителя ошибки. Выходное напряжение определяется выражением:
VOUT = VREF × (1 + (R1 || R2) / R3)
Подставляя указанные значения, получаем:
VOUT = 1,26 × (1 + (33 кОм || 220 кОм / 4,7 кОм) = 8,95 В
Фактически, путём подбора соответствующих значений R1 и R2, выходное напряжение можно подогнать на любое значение от 4,5 до 20 В. Полезный перечень значений резисторов для наиболее распространённых диапазонов напряжений представлен в таблице ниже.
Приоритет регуляторов
Аналогичная схема обратной связи по напряжению используется в цепях управления импульсного стабилизатора. Однако в этом случае схема усилителя ошибки была модифицирована таким образом, что выходное напряжение импульсного стабилизатора примерно на 2–3% ниже, чем у линейного стабилизатора. Это даёт приоритет линейному стабилизатору, поскольку его слегка более высокое выходное напряжение «запирает» импульсный стабилизатор.
На практике это означает, что, когда устройство работает от батарей и подключается внешний сетевой адаптер (блок питания), переключение между двумя источниками происходит автоматически. Питание на выходе не прерывается, не считая небольшого увеличения напряжения (около 180 мВ для выхода 9 В). Когда работает линейный стабилизатор, импульсный стабилизатор отключается, и потребление тока от батарей падает до всего лишь 15 мкА (типично).
Texas Instruments называет разницу напряжений между импульсным и линейным стабилизаторами «напряжением переключения» (change voltage). Для получения более подробной информации о TL499A можно посмотреть техническое описание (datasheet).
Больше никаких «крон» полная схема
Для создания полноценного источника питания на TL499A требуется очень мало внешних компонентов.
Рассматривая сначала входную часть принципиальной схемы, вход от сетевого адаптера защищён от переполюсовки последовательным диодом D1 и затем фильтруется конденсатором 100 мкФ перед подачей на вход линейного стабилизатора (вывод 1).
На входе от батарей конденсатор 220 мкФ компенсирует длину соединительных проводов, сопротивление контактов и рост внутреннего сопротивления элементов во время разряда. Дополнительная фильтрация обеспечивается резистором 10 Ом и конденсатором 1 мкФ перед подачей напряжения батареи на вход импульсного стабилизатора (вывод 3). Этот фильтр удаляет большую часть высокочастотных помех переключения, присутствующих на «горячей» стороне дросселя L1.
Стабилитрон ZD1 ограничивает напряжение на выводе 3 значением, не превышающим максимальное допустимое для микросхемы (10 В). Он также предотвращает питание выходной части схемы от цепи замедленной зарядки (через L1 и IC1) — нежелательные побочные эффекты, которые в противном случае возникали бы при питании схемы от сетевого адаптера без установленных батарей.
Примечание: для минимизации размеров платы защита от переполюсовки на входе от батарей не предусмотрена. Поскольку полярность элементов очевидна для большинства батарейных отсеков, это упущение может не вызывать проблем. Однако если ваша конструкция требует защиты от переполюсовки на входе, то дополнительная схема, показанная на рисунке ниже, может быть добавлена перед входными клеммами преобразователя. Простой последовательный диод в данном случае не подойдёт, так как он серьёзно ухудшит работу схемы.
Схема замедленной зарядки (trickle charge)
Если, к примеру будут использоваться аккумуляторные элементы, то можно установить D2 и R4 для обеспечения замедленной зарядки всякий раз, когда подключён сетевой адаптер. Номинал резистора 270 Ом ограничивает зарядный ток примерно до 50 мА, в зависимости от входного напряжения и напряжения батареи. Этот уровень тока подходит для элементов ёмкостью 1000 мА·ч и выше.
Для элементов меньшей ёмкости следует выбрать более подходящее значение R4, используя следующую формулу:
R4 = (VIN – VD – VBATT) / (Ah × 0,05)
Где:
VIN — напряжение сетевого адаптера,
VD — падение напряжения на диоде,
VBATT — напряжение полностью заряженной батареи,
Ah — ёмкость батареи в ампер-часах.
Например, если вы используете элементы 650 мА·ч с нестабилизированным адаптером на 12 В, который выдаёт 16 В:
R4 = (16 – 0,7 – 3) / (0,65 × 0,05) = 378 Ом (используйте 390 Ом)
Примечание: хотя функция замедленной зарядки будет подзаряжать ваши батареи, а также компенсировать саморазряд, она не предназначена для зарядки полностью разряженных элементов. Не пытайтесь увеличить ток замедленной зарядки выше рекомендуемой 0,05C. Это может сократить срок службы элементов или, в экстремальных случаях, вызвать возгорание или взрыв! Если сомневаетесь, обратитесь к техническим данным производителя для получения максимальной рекомендованной скорости замедленной зарядки.
Выходная часть схемы
На выходной стороне схемы конденсатор 100 нФ, включённый параллельно верхним двум резисторам, уменьшает пульсации и шум в сигнале обратной связи на выводе 2. И наконец, конденсаторы 470 мкФ и 100 нФ обеспечивают максимально допустимую фильтрацию перед выходными клеммами.
Ограничения по напряжению и току
При использовании указанных номиналов компонентов вход линейного стабилизатора (от адаптера) может быть до 17 В. Это ограничение обусловлено максимальной непрерывной рассеиваемой мощностью TL499A (рекомендуется 0,65 Вт), а также рассеиванием мощности в цепи замедленной зарядки.
Если вы установили выход на напряжение менее 9 В, используйте адаптер с более низким напряжением (менее 12 В), чтобы удерживать рассеиваемую мощность микросхемы под контролем. Помните, что нестабилизированные адаптеры выдают более высокое напряжение, чем указано, при малой нагрузке. В идеале входное напряжение должно быть всего примерно на 3 В выше выходного для обеспечения стабилизации и минимального рассеивания.
Импульсный стабилизатор может отдавать до 100 мА тока. Таблица 4 предоставляет удобный способ определения максимального доступного тока для типичных комбинаций входного и выходного напряжений при работе от батарей.
Хотя TL499A включает встроенную защиту от перегрева и перегрузки по току, не следует превышать указанные уровни тока, чтобы избежать возможного повреждения микросхемы. Чрезмерная нагрузка также вызовет высокие пульсации напряжения и потерю стабилизации на выходе.
Кроме того, обратите внимание, что как повышающий преобразователь, существует токовый путь от батареи через дроссель L1 и внутренний блокирующий диод на выход, даже когда преобразователь выключен. Диод рассчитан на максимальный ток 1 А, который может быть легко превышен, если выходные клеммы случайно замкнуть накоротко.
Об эффективности и времени работы от батарей
КПД импульсного стабилизатора зависит от входного и выходного напряжений, а также от тока нагрузки. Как показано в таблице, максимальный выходной ток при входном напряжении 3 В составляет 90 мА. В этой конфигурации КПД схемы составляет около 55%. Таким образом, можно сказать, что при коэффициенте повышения 3:1 входная мощность при полной нагрузке составит около 1,25 Вт.
Это создаёт значительную нагрузку на батареи. В случае щелочных (алкалиновых) элементов напряжение быстро падает до менее 1 В на элемент в условиях высокой нагрузки, что означает, что доступная выходная мощность также снижается.
Наиболее важные моменты, которые следует учитывать в схеме больше никаких «крон» :
Щелочные элементы лучше всего подходят для прерывистого использования и/или малых нагрузок. Высокий саморазряд аккумуляторов (особенно NiMH-типов) делает их непригодными для этого применения, если только они не подзаряжаются замедленной зарядкой.
Аккумуляторные элементы лучше всего подходят для применений с высоким током и непрерывным использованием. Хотя начальное напряжение на выводах ниже, чем у щелочных элементов, они имеют почти плоскую кривую разряда.
Более низкое напряжение (1,2 В/элемент) означает, что максимальный выходной ток около 70 мА при 9 В возможен, но он будет поддерживаться на протяжении большей части срока службы батареи.
Солевые элементы (угольно-цинковые) не рекомендуются из-за высоких пиковых токов переключения, потребляемых преобразователем.
Сборка
Обратите внимание, что резистор 270 Ом мощностью 1 Вт должен быть установлен на высоте около 1 мм над платой для улучшения рассеивания тепла.
Важно: D2 и R4 должны быть установлены только если вы будете использовать аккумуляторные батареи и вход от сетевого адаптера. Не устанавливайте эти компоненты при использовании щелочных батарей.
TL499A (IC1) важно, эта микросхема должна быть припаяна непосредственно к печатной плате — не используйте панельку (сокет)! Это обеспечивает максимальную теплопередачу и устраняет контактное сопротивление.
Намотка дросселя больше никаких «крон»
Дроссель наматывается вручную на тороидальном сердечнике из порошкового железа диаметром 14,8 мм (Neosid Part No. 17-732-22 или аналогичном). Для этого потребуется около 700 мм эмалированного медного провода диаметром 0,63 мм.
Всего требуется 30 витков для достижения индуктивности 47 мкГн. Провод должен быть намотан плотно, каждый виток должен располагаться как можно ближе к предыдущему. Не допускайте перекрытия витков. Один полный слой должен содержать ровно 30 витков.
После установки дросселя на место остаётся только установить изолированную проволочную перемычку между выводом 6 IC1 и свободным отверстием с одной стороны дросселя. Выполните эту перемычку из провода среднего сечения и сделайте её как можно короче. После этого дроссель можно окончательно закрепить на печатной плате с помощью термоклея или нейтрального силиконового герметика.
Включение и настройка больше никаких «крон»
Все соединения с платой выполняются проводом среднего сечения. При желании в каждой точке подключения можно установить штыревые контакты (пины) вместо того, чтобы припаивать провода непосредственно к плате.
Обратите внимание, что длина проводов от батарейного отсека до входных клемм не должна превышать 100 мм. По возможности замените существующие провода малого сечения в батарейном отсеке на провод среднего сечения и плотно скрутите провода вместе для уменьшения излучаемых помех.
Преобразователь потребляет небольшой ток покоя в режиме без нагрузки. Поэтому для малой нагрузки или периодического использования необходимо установить выключатель последовательно с батареей. Используйте выключатель с номиналом 2 А или выше.
В тех случаях, когда преобразователь должен использоваться вместо 9-вольтовой батареи, можно использовать разъем «крона» для подключения к существующему разъёму в оборудовании. Как показано на монтажной схеме, провода зажима нужно подключить в обратной полярности, чтобы он состыковался с правильной полярностью!
Перед первым использованием преобразователя подключите резистор 220 Ом мощностью 1 Вт к выходным клеммам и подайте питание от батарей. Используйте мультиметр для измерения напряжения на этом резисторе. Если импульсный стабилизатор работает правильно, ваш мультиметр должен показывать значение, близкое к желаемому напряжению.
Если вы также будете использовать сетевой адаптер, подключите его, контролируя выходное напряжение. Как уже упоминалось ранее, мы должны увидеть небольшое увеличение напряжения (около 180 мВ), что указывает на то, что линейный стабилизатор вступил в работу и отключил импульсный стабилизатор.
