В данной статье предлагается к рассмотрению источник бесперебойного питания (ИБП), который обеспечивает резервное питание микроконтроллера от литий-ионного (Li-Ion / 3,7 В) аккумулятора.
Довольно часто случаются перебои в электроснабжении, и в некоторых случаях это может привести к нежелательной потере времени и денег. Например, нарушение технологических процессов в производстве или остановка длительных испытаний в климатических камерах.
Одним из решений автоматического возобновления работы установок после восстановления энергоснабжения является применение специализированных контроллеров управления, которые периодически записывают в память состояние микроконтроллерной системы управления (МКСУ) и параметры контролируемых процессов. После восстановления энергоснабжения контроллер инициализируется и загружает последнее состояние системы, возобновляя с этого момента работу установки по заданному алгоритму.
Однако есть МКСУ, которые должны работать беспрерывно, поскольку необходимо периодически записывать в энергонезависимую память перечень параметров в режиме реального времени (например, метеостанция). Для решения данной задачи было разработано устройство ИБП, которое обеспечивает резервное питание микроконтроллера от аккумулятора.
При проектировании источника необходимо было выполнить следующие условия:
— напряжение питания (Uпит) для МКСУ составляет 5 В;
— максимальная потребляемая мощность системы: 1 Вт;
— в момент отключения сетевого электроснабжения автоматически должно произойти переключение на резервный аккумулятор, при этом работа МКСУ не должна нарушиться (не зависнуть или перезагрузиться);
— схема должна быть простой и из доступных компонентов.
Кликнуть по схеме для увеличения.
Описание схемы
Основой устройства является классический линейный блок питания на базе понижающего трансформатора T1, выпрямительного диода VD1, фильтрующих конденсаторов C1 и C2, а также интегрального стабилизатора напряжения DA1. Сеть 220 В поступает через разъём X1.
Ориентируясь на техническое задание, был выбран линейный понижающий трансформатор типа ТПГ-2 с Uвых = 6 В и номинальной мощностью 2,5 Вт, что позволит обеспечить выходной ток до 420 мА. Этой мощности хватит почти с двукратным запасом. Предохранитель FU1 установлен в цепь первичной обмотки с номиналом 100 мА. Такой номинал выбран из следующих соображений. Выходная мощность трансформатора 2,5 Вт. Из этого значения можно рассчитать максимальный ток в первичной обмотке: 2,5 / 220 = 0,011 А. Учитывая пусковой ток трансформатора, был выбран предохранитель с запасом — 100 мА.
В качестве диодного моста выбрана сборка DF10 с максимальным прямым током 1 А.
Для фильтрации пульсаций выпрямленного напряжения взят конденсатор с номинальной ёмкостью 100 мкФ. Такое значение выбрано экспериментально, ориентируясь на то, чтобы момент переключения на запасной источник не затягивался.
В качестве стабилизатора выбрана популярная модель LM7805. Её выход подключён к выходному разъёму X2 через диод Шоттки VD2, который блокирует выход модуля повышающего DC-DC преобразователя MT3608 (обозначен как A2). Также Uвых с LM7805 поступает на вход зарядного устройства A1.
Резервный источник — сборка литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650 (обозначена как GB1). Заряжать их предлагается посредством популярного контроллера на базе микросхемы TP4056.
Данная плата широко применяется в DIY-проектах и хорошо зарекомендовал себя. Она выпускается в различных модификациях, отличающихся типом входного разъёма и схемотехникой. На рисунке 2 справа описан состав модуля, применённого в описываемом проекте.
По умолчанию плата поставляется с предустановленным резистором, который регулирует заряжающий ток, с номиналом 1,2 кОм, что соответствует току 1 ампер. Так как батарея будет постоянно находиться в режиме подзарядки, резистор был заменён на 20 кОм, что соответствует току 50 мА. Это поспособствует щадящему режиму подпитки батареи и продлит срок её эксплуатации.
Запасной источник подключен к модулю TP4056 через клавишный переключатель SA1 и предохранитель FU2 с номиналом 250 мА, что с запасом покрывает предельный ток потребления МК системы и ток потребления DC-DC преобразователя.
Силовой выход контроллера TP4056 (то есть Uвых батареи) подключён к входу повышающего DC-DC преобразователя A2 через транзистор VT1. Этот аналоговый ключ представлен в виде P-канального MOSFET-транзистора модели IRF4905.
Uвых DC-DC преобразователя поступает на выходной разъём X2 через диод Шоттки VD3, который блокирует выход стабилизатора LM7805.
В проекте применён широко используемый в DIY-проектах модуль регулируемого импульсного повышающего DC-DC преобразователя на базе чипа MT3608, который позволяет Uвых аккумулятора 3,7 В повысить до требуемого МКСУ уровня 5 В. Чип MT3608 включает в себя ШИМ-контроллер и встроенный MOSFET-транзисторный ключ, а обвязка микросхемы рассчитана обеспечить выходной ток до 2 А. Подстроечный резистор определяет уровень Uвых.
В рассматриваемой схеме Uвых фильтруется электролитическим конденсатором C4 с номинальной ёмкостью 4700 мкФ, подобранной экспериментально, для устранения нежелательных пульсаций после импульсного преобразователя, а также сглаживает возможный провал напряжения в момент переключения транзисторного ключа. Ёмкость C5 номиналом 100 нФ подавляет высокочастотные пульсации. Резистор R3 номиналом 100 кОм служит для надёжного разряда ёмкости при выключении устройства.
Контроль уровня накопленной энергии батареи в проекте был реализован посредством специального устройства со светодиодной шкалой из четырёх сегментов (см. рис. 4). Модуль (обозначен как A3) просто подключается параллельно выходу резервного источника, соблюдая полярность. Важно уточнить перед использованием, что модель индикатора рассчитана именно для работы с напряжением 3,7 В (тип 1S).
1S в маркировке аккумуляторов означает количество элементов, то есть 1 элемент с номинальным напряжением 3,7 В. Буква «S» означает serial, то есть последовательное соединение элементов. 2S — два элемента включены последовательно, что суммарно даёт Uвых = 3,7 + 3,7 = 7,4 В.
Многие китайские индикаторы заряда на разные напряжения маркированы одинаково, поэтому их сложно отличить друг от друга.
При возможности лучше организовать контроль уровня энергии запасной батареи посредством микроконтроллера, используя встроенный или внешний аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Рекомендуется Uвых батареи снимать посредством высокоомного делителя напряжения на резисторах, чтобы не создавать дополнительной нагрузки на элементы питания.
Пояснения к работе устройства ИБП
В штатном режиме микроконтроллерная система работает от сети. Сетевое напряжение преобразуется линейным блоком питания до +5 В и поступает на выход X2, к МКСУ. Если переключатель SA1 замкнут, резервный источник заряжается через контроллер A1.
В это время на затвор (G — gate) транзистора VT1 относительно истока (S — source) прикладывается с выхода LM7805 напряжение +5 В, поэтому ключ заперт.
Как только сеть пропадает, на затворе транзистора образуется 0 (подтяжка к «земле» через резистор R1 с номиналом 10 кОм), и ключ открывается. Напряжение с запасной батареи прикладывается на вход повышающего DC-DC преобразователя, на выходе которого формируется повышенное Uп с 3,7 В до 5 В для МКСУ.
При возобновлении сетевого электроснабжения транзисторный ключ автоматически запирается, и питаемое устройство МКСУ вновь переходит на штатный режим работы от сети, а аккумулятор подзаряжается щадящим током.
На рисунке 5 представлена фотография собранного макета разработанного устройства.
Для проверки надёжности срабатывания цепи переключения подключим к выходу макета ИБП отладочную плату с микроконтроллером и жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), на котором отображается время, отсчитываемое микросхемой часов реального времени DS3231. Момент переключения будем контролировать осциллографом, и также применим мультиметр для фиксации уровней Uпит.
Штатная работа от сети:
Переключение на резервный источник:
По осциллограмме видно (см. рис. 6), что переключение питания производится без резкого скачка напряжения при переходном процессе, а потому работа микроконтроллера не нарушилась. Используя измерительные курсоры по амплитуде можно увидеть, что Uпит при работе от сети (показания Cursor 1) составило примерно 5 В (4,943 Вольт по мультиметру), а от батареи (показания Cursor 1) — 4,68 В (показания тестера 4,611 В). За счёт большой выходной фильтрующей ёмкости переключение производилось плавно в течение 50 миллисекунд.
