Рис. 1. Внешний вид ручных приборов.
Часто портативные устройства рассчитаны на питание как от сетевого малогабаритного источника питания (адаптера), так и от внутренних аккумуляторных батарей (АБ). Радиолюбитель при проектировании электронного прибора с батарейным питанием может столкнуться с некоторыми проблемами. Например, блок питания должен обеспечивать быструю и безопасную зарядку АБ с точным контролем степени их заряженности, стабилизацию выходного напряжения и осуществлять эффективное переключение питания между батареей и внешним источником. В этой статье описан блок питания (БП) для ручного прибора (РП), отвечающий указанным требованиям.
Идет время, изменяются понятия и предметы, которые считались незыблемыми. Еще недавно электронно-вычислительная машина занимала несколько залов, а сейчас более производительный ноутбук помещается в небольшой сумке. Лет 10-15 назад в электронной технике широко применялись микросхемы малой степени интеграции, из которых составлялись очень большие по объему и трудоемкие по сборке и наладке блоки электронной аппаратуры. Сейчас же аналогичное по сложности цифровое устройство можно разместить на одном кристалле, например ПЛИС фирм «Altera» или «Xilinx». Американская фирма «Lattice Semiconductor» предлагает аналогичное решение для аналоговых схем.[1] А в одном корпусе микросхемы серии AT94S фирмы «Atmel» находятся перепрограммируемые микроконтроллер и ПЛИС — это новое семейство СБИС класса SOC («система на кристалле»). Все эти новшества вызваны одной из основных тенденций в современной электронике — минимизацией и мобильностью разрабатываемой электронной аппаратуры и сокращением сроков ее разработки.
Ручные приборы (см. рис.1), карманные компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, и другие современные переносные устройства позволяют нам работать и отдыхать независимо от нашего местоположения и удаленности от линий электропитания. Все эти электронные приборы требуют малогабаритных, легких, экономичных и надежных блоков питания.
Рис. 1. Внешний вид ручных приборов.
Поскольку, различные электронные приборы занимают значительное место в нашей жизни, то немаловажной является не только их функциональная пригодность, но и их эстетическая ценность. Воздействие на внутреннее состояние человека (эмоции, желания, чувства) окружающих вещей — факт бесспорный. Поэтому даже в радиолюбительской практике оформления электронной аппаратуры становится в наши дни все более актуальной. Для ручных приборов удобно использовать малогабаритные корпуса фирмы Bopla (серия BOSS 900).[2] Чертеж корпуса для прибора с указанием основных размеров представлен на рис.2.
Рис. 2. Чертеж корпуса BOSS 900 фирмы «Bopla».
Приборы в таких корпусах имеют отличный внешний вид и удобны в эксплуатации. Узкая нижняя часть корпуса позволяет уверенно держать прибор в руках, а в широкой верхней части достаточно места для большого жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), например, PI-1604F фирмы Powertipe. В корпусе размещаются две платы размером 70x140 мм. Объем корпуса можно увеличить, установив стандартную 10мм вставку (см. рис.2). В корпусе имеется батарейный отсек для четырех пальчиковых гальванических элементов или аккумуляторов размера АА. Для корпусов этой серии выпускаются пленочные клавиатуры (ПК), которые устанавливаются в специальные посадочные места на лицевой панели.[3] ПК могут быть рекомендованы к применению практически для всей гаммы приборной продукции. Внешний вид, размер, расположение и количество кнопок, цветовое решение клавиатуры ограничивается исключительно фантазией разработчика электронного прибора. Благодаря клейкой основе на обратной стороне клавиатуры монтаж занимает считанные секунды. Подключение клавиатуры к печатной плате осуществляется посредством гибкого шлейфа.
Обобщенная функциональная схема РП приведена на рис.3. По такой схеме уже разработано и собрано несколько РП. Приборы отличаются друг от друга датчиками (т.к. измеряются величины разных физических сред), устройством согласования (преобразователь напряжение-частота, ЦАП), а так же наличием или отсутствием обратной связи (ОС) микроконтроллера с устройством согласования и датчиками. ОС может быть нужна для автоматического изменения предела измерения и калибровки измерительной части схемы прибора.
Рис. 3. Функциональная схема ручного прибора (РП).
Области применения приборов самые разные, но принцип работы схож. Данные с датчика (или датчиков) оцифровываются в устройстве согласования и в цифровом виде поступают в микроконтроллер. Обработанная информация выводится на ЖКИ и, если необходимо, на компьютер через устройство ввода/вывода (например, через последовательный порт, собранный на микросхеме MAX232). Для выбора режима измерения, ввода в прибор необходимых констант и т.д. используется клавиатура. В стационарных условиях и при питании РП от лабораторного источника питания разрабатываемые приборы удавалось достаточно быстро отладить и заставить работать. Сложности начинались при использовании приборов в «полевых» условиях. Не сразу удалось разработать приемлемый вариант малогабаритного, надежного блока питания. На функциональной схеме РП он обведен штриховой линией.
Блок питания прибора состоит из АБ, зарядного устройства для зарядки аккумуляторов (ЗУ), преобразователей напряжения DC/DC и устройства управления БП (УУ БП).
Принципиальная схема БП РП приведена на рис.4. Он собран на микросхемах фирмы Maxim.[4] Эта фирма производит микросхемы практически для всех видов источников питания.
В блоке питания для зарядки аккумуляторов использован контроллер зарядного устройства MAX713, который позволяет заряжать никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы.[5] ЗУ на микросхеме MAX713, представляет собой источник постоянного тока с ограничением по напряжению и таймером. ЗУ позволяет заряжать как единичный элемент, так и батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов. Число заряжаемых аккумуляторов программируется через выводы PGM0 (выв.3 DD2) и PGM1 (выв.4 DD2). В описываемом устройстве микросхема сконфигурирована для зарядки четырех аккумуляторов. Для этого на вывод PGM0 подано напряжение питания микросхемы (+V), а на вывод PGM1 — напряжение с минусового вывода аккумуляторной батареи (-BATT). В табл.1 приведены возможные варианты подключения выводов PGM0 и PGM1.
Таблица 1. Программирование числа заряжаемых элементов в аккумуляторной батарее
| N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| PGM0 | +V | +V | +V | +V | OPEN | OPEN | OPEN | OPEN |
| PGM1 | +V | OPEN | REF | -BATT | +V | OPEN | REF | -BATT |
| N | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| PGM0 | REF | REF | REF | REF | -BATT | -BATT | -BATT | -BATT |
| PGM1 | +V | OPEN | REF | -BATT | +V | OPEN | REF | -BATT |
Примечание к таблице 1.
N — число элементов в аккумуляторной батарее,
OPEN — выводы микросхемы MAX713 не подключены.
Микросхема MAX713 позволяет установить максимальное время быстрой зарядки, по окончании которого зарядка будет прекращена. Это обеспечивает безопасную работу устройства, даже если был подключен неисправный аккумулятор. Время быстрой зарядки устанавливается с помощью выводов PGM2 и PGM3. В табл.2 приведены возможные варианты подключения PGM2 и PGM3.
Таблица 2. Программирование максимального времени быстрой зарядки
| T,мин | 22 | 33 | 45 | 66 | 90 | 132 | 180 | 264 |
| PGM2 | REF | -BATT | REF | -BATT | REF | -BATT | REF | -BATT |
| PGM3 | +V | +V | OPEN | OPEN | REF | REF | -BATT | -BATT |
Максимальное время зарядки определяется по формуле:
T=75C/Iзар,
где: C — емкость аккумулятора в мА*ч,
Iзар — зарядный ток в мА,
T — максимальное время зарядки в минутах.
В табл.2 выбирают ближайшее большее значение максимального времени быстрой зарядки и определяют соответствующее ему подключение выводов PGM2 и PGM3. Выбор режимов быстрой зарядки производится впайкой соответствующих перемычек в разъеме XT1. Автор, как правило, при использовании аккумуляторов 1,2В 750мА*ч соединял вывод PGM2 с -BATT, а вывод PGM3 — с REF.
Момент полной зарядки аккумулятора определяется по изменению зависимости его напряжения от времени зарядки. Зарядное устройство, собранное на микросхеме MAX713, периодически (с периодом Tкон) измеряет напряжение на заряжаемом аккумуляторе и определяет момент, когда изменение напряжения сменит знак. Именно этот момент соответствует полной зарядке. При уменьшении напряжения быстрая зарядка прекращается. По окончании режима быстрой зарядки продолжается зарядка слабым током, так называемая «дозарядка».
При программировании времени зарядки автоматически устанавливаются оптимальный период контроля Tкон и, ток «дозарядки» Iдоз . Стандартные значения для микросхемы MAX713 времени зарядки Tзар и зарядного тока Iзар приведены в табл.3. Ток зарядки (Iзар) приведен в долях от емкости аккумулятора, а ток «дозарядки» (Iдоз) в долях от зарядного тока (Iзар). В описываемом зарядном устройстве ток быстрой зарядки выбран 360мА, максимальное время зарядки 132 мин., ток «дозарядки» — порядка 22-25мА, а период контроля — 84 сек.
Таблица 3. Стандартные значения для микросхемы MAX713
| T, мин | 22 | 33 | 45 | 66 | 90 | 132 | 180 | 264 |
| Iзар | 4C | 2C | 1,5C | C | C/1,5 | C/2 | C/3 | C/4 |
| Ткон<sub>, с | 21 | 21 | 42 | 42 | 84 | 84 | 168 | 168 |
| Iдоз | 1/64 | 1/64 | 1/32 | 1/32 | 1/16 | 1/16 | 1/8 | 1/8 |
Текущий ток зарядки регулируется полевым р-канальным транзистором VT5, который управляется микросхемой DA2. Контроллер DA2 постоянно отслеживает напряжение на резисторе R8. Значение R8, равное 0,7Ом, ограничивает ток заряда величиной 360мА. Ток заряда может быть изменен путем выбора другого номинала для R8.
Значение резистора R8 рассчитывается по формуле:
R8=250/Iзар,
где: Iзар — зарядный ток в мА,
R8 — сопротивление в Ом.
В зарядном устройстве, находящимся в замкнутом пространстве небольшого объема, каким является РП, выбирать величину зарядного тока более одного C емкости аккумулятора в А*ч не рекомендуется.
В том случае, когда заряжаемый аккумулятор сильно разряжен, производить быструю зарядку нельзя! В микросхеме MAX713 предусмотрена соответствующая защита: если напряжение на аккумуляторе меньше 0,4В, то режим быстрой зарядке не включается, а идет зарядка слабым током. При возрастании напряжения до безопасного значения устройство переходит в режим быстрой зарядки.
Зарядка так же прекращается независимо от установленных параметров, если напряжение на заряжаемом аккумуляторе превысит 1,6В.
Режим быстрой зарядки индицируется светодиодом VD2. Он выключается, когда АБ заряжена, и зарядное устройство перешло в режим «дозарядки». Для микросхемы MAX713 в качестве регулируемого транзистора можно использовать не только полевой, но и биполярный p-n-p транзистор соответствующей мощности. В этом случае возрастет мощность, рассеиваемая на транзисторе, что не желательно в портативном устройстве.
Для питания микросхемы MAX713 входное напряжение подается на ее вывод 15 через токоограничивающий элемент (это может быть или резистор или токостабилизирующий диод, например, CCLHM080, или генератор тока). В микросхеме имеется внутренний стабилизатор напряжения (электронный аналог стабилитрона) и на выводе 15 напряжение стабилизируется им на уровне 5В. В данном устройстве использован генератор тока, собранный на микросхеме DA1 (LM317L) и резисторе R4. При входных напряжениях 8:15В ток, подаваемый на микросхему, должен быть в пределах от 5 до 20 мА. Генератор тока выдает 8,3 мА. Его применение предотвращает выход из строя микросхемы MAX713 и тем самым повышает надежность устройства в целом.
Стоит отметить, что микросхема MAX713 также позволяет осуществлять контроль температуры заряжаемого аккумулятора (выв.5, 6, 7, микросхемы DA2), но в данном устройстве эта функция не используется.
На микросхеме MAX1626 (DA4) и полевом транзисторе VT6 собран понижающий ключевой преобразователь напряжения DC/DC.[6] Микросхема MAX1626 представляет собой высокоэффективный контроллер понижающего преобразователя с выходным напряжением 3,3В или 5В. Работа преобразователя основана на том, что энергия порциями через низкоомный ключ VT6 подается на катушку индуктивности L2 и накапливается в ней, а далее поступает на конденсатор C20. При этом выходное напряжение относительно входного понижается. Контроллер постоянно отслеживает выходное напряжение преобразователя через вывод «OUT» (выв.1 DA4). КПД преобразователя составляет 90-92%.
Величина выходного напряжения зависит от подключения вывода 2 микросхемы DA4. Если на вывод 2 подано входное напряжение, то выходное напряжение преобразователя будет равным 5В, а если вывод 2 соединен с общим проводом — выходное напряжение будет 3,3В. В БП с четырьмя аккумуляторами 1,2В применение пятивольтового практически невозможно.
На вход преобразователя может подаваться напряжение от 3 до 14 вольт. Преобразователь работает от аккумуляторной батареи (через диод VD6) или от сетевого адаптера во время зарядки аккумуляторов (через диод VD7). Микросхема MAX1626 позволяет построить DC/DC преобразователь с выходным током до 2А. Максимальное значение выходного тока устанавливается резистором R12. В приведенной схеме максимальная величина тока нагрузки преобразователя равна 400мА.
Микросхема DA4 имеет вывод SHDN (Shutdown), который позволяет управлять работой преобразователя. Если на этот вывод подать сигнал высокого уровня, то преобразователь прекращает работу, если подать сигнал низкого уровня — преобразователь нормально функционирует. В данном БП на вывод SHDN подается сигнал управления с микросхемы DD1.
На этой микросхеме собрана схема УУ БП. GD4013 — это микросхема сдвоенного D-триггера. Кнопкой SB1 осуществляется включение/выключение БП и соответственно всего прибора, а кнопкой SB2 — включение/выключение светодиодной подсветки ЖКИ, причем, при выключении прибора выключается и подсветка. Светодиод, подсвечивающий ЖКИ, подключается к выводам +SVD и -SVD. Для управления подсветкой применена микросхемы DA3 (КР1064КТ1) — полупроводниковый ключ, который широко применяется в электронных телефонных аппаратах. Чтобы включить подсветку необходимо нажатием кнопки SB2 установить триггер DD1.2 в единичное состояние, т.е. подать с выв.13 триггера логическую «1» на выв.2 микросхемы DA3. Ключ DA3 открывается, через резистор R11 катод светодиода подсветки соединяется с проводом, и подсветка ЖКИ включается.
Радиолюбителю, в разрабатываемом приборе, кроме напряжения +3,3В, могут понадобятся и другие напряжения, например, напряжение +5В для питания датчиков, устройства согласования, ЖКИ и т.д., а так же отрицательное напряжение -3В для питания аналоговых микросхем и регулировки (R13) контрастности изображения на ЖКИ. Широкое применение в современных устройствах нашли преобразователи постоянного напряжения на переключающихся конденсаторах.[7] Они не требуют катушек индуктивности, поскольку в них для сохранения и передачи энергии используются керамические конденсаторы.
Поэтому, для получения необходимых дополнительных напряжений, в БП прибора были предусмотрены стабилизированный повышающий преобразователь напряжения на микросхеме MAX619 (DA5) с выходным напряжением +5В и нестабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме MAX660 (DA6), который позволяет получать на выходе отрицательное напряжение, близкое по абсолютной величине к входному. Для работы этих микросхем требуются только по два внешних конденсатора.
Более подробную техническую информацию по микросхемам фирмы MAXIM можно найти на www.maxim-ic.com.
В качестве сетевого адаптера для РП автором использован адаптер на напряжение 9В и ток нагрузки 400мА.
БП прибора смонтирован на двухсторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм. Внешний вид платы показан на рис.5(а,б,в). Монтаж электронных компонентов БП на печатной плате производится с двух сторон.
Рис. 5(а,б,в).Внешний вид печатной платы блока питания.
Микросхемы фирмы MAXIM можно заменить микросхемами фирмы Linear Technology: MAX1626 на LTC1622, MAX660 на LTC660, MAX619 на LTC1516. Возможна замена микросхемы GD4013 отечественным аналогом К561ТМ2. Для минимизации габаритов БП следует применять радиоэлементы в SMD-корпусах, мощные полевые транзисторы VT5 и VT6 в корпусе DPAK, а микросхемы — в корпусах SO8 (DA4, DA5, DA6), SO14 (DD1), SO16(DA2) и TO92 (DA1, DA3). Для катушек индуктивности L1 и L2 использованы сердечники КВ5 М2500НМС1-1200. При сборке катушек между чашками сердечника установлены прокладки из одного слоя лакоткани, т.е. зазор составляет 0,06:0,08 мм. Катушка L1 содержит 41 виток провода ПЭЛШО-0,28. Катушка L2 намотана проводом ПЭЛШО-0,56 и содержит 13 витков. Для L3 можно взять дроссель от неисправной платы компьютера, дисковода или винчестера, стоящий в цепи питания. Его индуктивность — от 1 до 5 мкГн.
Цоколевка выводов микросхем DA1 и DA3, а так же полевого транзистора показана на рис.6.
Рис. 6. Нумерация выводов микросхем.
Схема устройства, описанная в этой статье, применяется автором в изготовленных и разрабатываемых РП более четырех лет. БП удобен и надежен в эксплуатации.