устройство источника бесперебойного питания

В настоящее время в цифровых устройствах широко применяются микросхемы с напряжением питания 5 В, которые сохраняют работоспособность в ограниченном интервале питающих напряжений (4,5...5,3 В). При эксплуатации таких устройств в стационарных условиях выбор блоков питания довольно широк. Когда же используются химические источники тока, то к их выбору нужно относиться с особым вниманием. Практика показала, что весьма привлекательным оказалось применение стандартных аккумуляторных батарей на номинальное напряжение 6,75 В с различной емкостью, но при этом возникает задача понижения напряжения до 5 В.

Применение гасящих резисторов или стабилизаторов непрерывного регулирования приводит к тому, что в конце разрядки батареи напряжение на нагрузке значительно уменьшается, а большая часть энергии превращается в тепло. Наиболее перспективными в этом отношении могут стать импульсные стабилизаторы [1 — 4]. К сожалению, практически все перечисленные устройства для получения выходного напряжения 5 В требуют не менее 8 В на входе. В рассматриваемом случае нужен стабилизатор, способный поддерживать выходное напряжение 5 В при входном от 5,1 до 6,75 В.

Источник резервного питания, состоящий из импульсного стабилизатора напряжения и зарядного устройства для автоматической подзарядки аккумуляторной батареи (см. схему), может работать совместное устройствами, требующими напряжение питания 5 В и потребляющими ток до 300 мА. При использовании аккумуляторной батареи на номинальное напряжение 6,75 В емкостью 0,55 А-ч время работы резервного источника — 1 ч (напряжение 5 В поддерживается 40 мин). Амплитуда пульсаций напряжения питания не превышает 18 мВ.

Стабилизатор напряжения выполнен на транзисторах VT3, VT5 и компараторе DA2. Для предотвращения глубокой разрядки аккумуляторной батареи введены резисторы R19, R20, стабилитрон VD3 и транзистор VT4.

Особенность представленного стабилизатора состоит в том, что узел сравнения на компараторе DA2 и источник образцового напряжения R26VD4 подключены к его выходу. Это позволяет обеспечить высокостабильное образцовое напряжение, от которого во многом зависит стабильность выходного напряжения, не прибегая к излишнему усложнению конструкции. Для улучшения формы импульсов и ограничения рабочей частоты стабилизатора в компаратор DA2 введен небольшой гистерезис, величина которого определяется сопротивлением резистора R28. Конденсатор С5 устраняет возбуждение на высоких частотах.

Увеличить

Поскольку напряжение питания компаратора не превышает 5 В, то выходное напряжение стабилизатора, имеющее такую же величину, не может быть подано на инвертирующий вход компаратора непосредственно. Для его уменьшения и регулирования выходного напряжения стабилизатора служит делитель R21, R23 — R25.

При включении основного блока питания в сеть конденсаторы С2 и СЗ заряжаются до напряжения 5 В. Открывшийся стабилитрон VD3 открывает транзистор VT4. В связи с тем что напряжение на инвертирующем входе компаратора равно или несколько больше, чем на образцовом источнике R26VD4, на прямом выходе компаратора будет напряжение низкого уровня, поэтому транзистор VT5 закрыт. Следовательно, закрыт коммутирующий транзистор VT3. Стабилизатор начинает работать при условии, если напряжение на инвертирующем входе компаратора понизится на 0,01 В по сравнению с образцовым. Такое может произойти, если отключится основной источник питания или его выходное напряжение станет меньше на 0,02 В. Таким образом, в устройстве реализован автоматический переход от основного источника питания на резервный.

В момент пропадания сетевого напряжения или значительного его уменьшения напряжение на конденсаторах С2 и СЗ понизится, а на образцовом источнике останется прежним, поэтому на прямом выходе компаратора появится напряжение высокого уровня, которое откроет транзистор VT5, а он, в свою очередь, коммутирующий транзистор VT3 стабилизатора. Аккумуляторная батарея заряжает конденсаторы С2 и СЗ. Когда напряжение на них превысит образцовое, компаратор закроет транзисторы VT3, VT5, и зарядка конденсаторов прекратится. Через диод VD2 часть энергии, накопленной в дросселе L1, возвращается в конденсатор С2. В дальнейшем напряжение на конденсаторах С2 и СЗ снова уменьшается и весь цикл повторяется.

Когда напряжение на аккумуляторной батарее понизится до 5,1...5,2 В, коммутирующий транзистор VT3 полностью откроется и дальнейшее снижение выходного напряжения стабилизатора происходит линейно с входным. При напряжении 4,5...4,8 В срабатывает устройство защиты от глубокой разрядки, и стабилизатор отключается от аккумуляторной батареи.

Зарядное устройство, изображенное в левой части рисунка, отличается тем, что при достижении напряжения 6,5 В на заряжаемой аккумуляторной батарее постоянный зарядный ток становится импульсным с переменной скважностью, т. е. уменьшается его среднее значение. По мере дальнейшего увеличения напряжения частота следования импульсов становится все меньше, и при достижении номинального значения 6,75 В частота становится такой, чтобы только компенсировать разрядку батареи через делитель R10 — R13.

Во время работы импульсного стабилизатора напряжение на коллекторе транзистора VT2 больше, чем на его эмиттере; зарядный ток через него не идет (проходит небольшой разрядный ток через коллекторный переход транзистора VT2 и резистор R14). На эмиттере транзистора VT2, при появлении сетевого напряжения, устанавливается напряжение 10 В (при использовании блока питания Д2 - 34 - 2). Работой транзистора VT2 управляет компаратор DA1. С целью улучшения формы зарядных импульсов и ограничения частоты их следования в компаратор DA1 введен гистерезис, величину которого определяет резистор R2. Если аккумуляторная батарея в момент появления сетевого напряжения оказалась разряженной ниже 6,5 В, на прямом выходе компаратора появляется напряжение высокого уровня, которое открывает транзистор VT1, а он, в свою очередь, транзистор VT2. Зарядный ток устанавливают переменным резистором R9. Для батареи из аккумуляторов Д-0,55 он должен быть 80... 100 мА. Резистор R15 — токоограничительный. Если перед зарядкой аккумуляторная батарея оказалась разряжена меньше и напряжение на ней больше 6,5 В, то зарядка происходит импульсным током, как было описано выше. Номинальное напряжение, до которого может зарядиться аккумуляторная батарея, устанавливают переменным резистором R13 и для батареи из пяти аккумуляторов должно быть равно 6,75 В.

Поскольку в предлагаемом устройстве не предусмотрен стабилизатор зарядного тока, то при использовании блоков питания с выходным нестабилизиро-ванным напряжением более 10 В (при включенной нагрузке) следует увеличить сопротивление резистора R15 для получения зарядного тока 80... 100 мА при среднем положении движка резистора R9. Если при этом резистор R15 будет перегреваться, его нужно заменить другим, мощностью не менее 0,5 Вт. Необходимо помнить, что в предлагаемом варианте зарядного устройства основной блок питания нельзя включать без нагрузки или с нагрузкой, значительно отличающейся от той, при которой блок налаживают.

Перед налаживанием источник резервного питания подключают к основному блоку питания, с которым и предполагается дальнейшая работа устройства. Нагрузка блока питания должна соответствовать номинальной, при которой он будет эксплуатироваться. Для измерения напряжений необходимо использовать цифровой вольтметр с высоким входным сопротивлением и точностью не менее 0,01 В.

Аккумуляторную батарею GB1 при налаживании лучше всего заменить временным источником с допустимым током нагрузки около 1 А и возможностью плавной регулировки стабилизированного выходного напряжения в пределах 4...8 В. Для этой цели можно собрать стабилизатор на микросхеме КР142ЕН12 по типовой схеме включения и подключить его к источнику постоянного напряжения 11...12 В. Далее необходимо отпаять верхний по схеме вывод резистора R8 и присоединить к нему катод любого све-тодиода, анод которого соединить с плюсом основного источника питания.

Налаживание следует начать с измерения напряжения на базе транзистора VT1, которое при напряжении временного источника питания 8 В должно быть близко к нулю. Далее устанавливают движок переменного резистора R13 в среднее положение и, уменьшив напряжение временного источника до 6,72 В, добиваются включения светодиода, поворачивая движок переменного резистора R13 в сторону уменьшения сопротивления. Когда светодиод включился, напряжение источника медленно увеличивают. При напряжении 6,75 В светодиод должен погаснуть. Это означает, что резисторы делителя R11, R12 подобраны верно. В противном случае их придется подобрать, руководствуясь тем, что уменьшение сопротивления приводит к возрастанию напряжения на заряжаемой аккумуляторной батарее и наоборот. Если все эти операции провести тщательно, то можно добиться точности установки напряжения заряжаемой аккумуляторной батареи не хуже 0,05 В.

Однако такую регулировку следует считать предварительной. Окончательный вывод можно сделать после того, как будет подключена аккумуляторная батарея. Показатель точности регулировки — отсутствие зарядки батареи при достижении напряжения в пределах 6,75...6,79 В. В противном случае движок резистора R13 нужно повернуть в сторону увеличения сопротивления. До проведения этой операции необходимо впаять резистор R8, отпаять светодиод и подключить аккумуляторную батарею, разряженную до напряжения не выше 6 В. В разрыв проводника, идущего от любого полюса аккумуляторной батареи, подключают милиамперметр на 150...200 мА, и переменным резистором R9 устанавливают зарядный ток, который для этого варианта зарядного устройства должен быть не более 120 мА(напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2 не должно превышать 3 В). Если будет установлена батарея из аккумуляторов Д-0,55, ток следует установить в пределах 80...100 мА.

Налаживание импульсного стабилизатора начинают с измерения напряжения на базе транзистора VT5, которое должно быть близко к нулю (при включенном основном блоке питания и отключенной аккумуляторной батарее). Далее подключают временный источник, выходное напряжение которого устанавливают равным 6,5 В, и отключают основной блок питания. Импульсный стабилизатор сразу заработает, и на нагрузке основного блока питания должно появиться напряжение. Переменным резистором R25 устанавливают выходное напряжение стабилизатора в пределах 4,7...5,2 В. Если этого сделать не удается, то следует, как и при налаживании зарядного устройства, подобрать резисторы R23, R24, руководствуясь теми же рекомендациями.

Когда выходное напряжение 4,7...5,2 В с возможностью регулировки будет получено, включают основной блок питания и измеряют его выходное напряжение. После этого основной блок питания вновь выключают, а выходное напряжение импульсного стабилизатора устанавливают на 0,03...0,05 В ниже выходного напряжения основного блока питания. Если этого не сделать, то при включении основного блока резервный не полностью отключается и потребляет небольшой ток от аккумуляторной батареи.

Для налаживания узла, предохраняющего аккумуляторную батарею от разрядки, напряжение временного источника уменьшают до 4,5...4,8 В. Если напряжение на нагрузке пропадет, значит, резистор R19 подобран верно. В противном случае придется подобрать резистор R19 с меньшим сопротивлением или стабилитрон VD3 с большим напряжением стабилизации.

Далее проверяют падение напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT3. На временном источнике питания устанавливают напряжение 5,5 В и, подключив осциллограф к коллектору транзистора VT3, уменьшают напряжение до такого уровня, когда импульсы на экране исчезнут. После этого измеряют напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT3, которое должно быть не более 0,25 В. Если оно окажется больше, нужно подобрать транзистор с большим коэффициентом передачи тока или резистор R17 с меньшим сопротивлением. Затем необходимо уточнить напряжение, при котором включается устройство защиты от глубокой разрядки аккумуляторной батареи.

Приступая к налаживанию импульсного стабилизатора, не забывайте о том, что при отключении его источника питания новый запуск возможен только после включения и выключения основного блоха питания.

Конструктивно источник резервного питания и батарея из пяти аккумуляторов Д-0,55 размещены в корпусе размером 70x70x45 мм. Он соединен с основным блоком питания четырехпроводной линией с разъемом ОНЦ-ВГ-4-5/16-В (на схеме не показан). Четвертый провод используют для отключения минусового вывода аккумуляторной батареи от общего провода при отсоединении устройства от основного блока питания, что предотвращает разрядку батареи через делитель R10 — R13.

Время работы резервного источника может быть значительно увеличено при использовании аккумуляторных батарей большей емкости. Например, с батареей емкостью 4 А•ч, которую применяют в фонаре автолюбителя SLF178B китайского производства, время непрерывной работы при выходном напряжении 5 В и потребляемом токе 300 мА — 14ч (общее время работы — 15 ч). Максимальный ток стабилизатора в этом случае может достигать 800 мА. Поскольку аккумуляторные батареи емкостью 4 А•ч после 15 ч непрерывной разрядки заряжаются не менее 40 ч, для тех случаев, когда предполагается меньшая продолжительность непрерывной работы, необходимо выбирать аккумуляторные батареи емкостью не более 2 А•ч. Однако учитывая, что устройства с потребляемым током больше 300 мА имеют более мощный блок питания, зарядку можно ускорить, увеличив зарядный ток до 200...300 мА. В этом случае транзистор КТ502А (VT2) должен быть заменен на КТ814 с любым буквенным индексом, но с возможно большим коэффициентом передачи тока. Мощность и сопротивление резистора R15 выбирают, исходя из параметров конкретного блока питания.

В случае, когда резервный источник предполагается эксплуатировать с устройствами, для которых допустимы большие пульсации напряжения питания, дроссель L2 и конденсатор СЗ можно исключить.

Устройство некритично к выбору деталей. Исключение, пожалуй, составляет транзистор КТ816Г (VT3), который в целях улучшения КПД стабилизатора должен иметь возможно больший коэффициент передачи тока, о чем судят по падению напряжения между коллектором и эмиттером при указанном сопротивлении резистора R17. Компаратор К554САЗ допустимо заменить другим, но обязательно с открытым коллектором и эмиттером, что важно из-за способа введения гистерезиса по предлагаемой схеме. Диоды КД522А заменимы на КД510А. Дроссели L1, L2 использованы стандартные ДПЗ на ток 2...3 А.

ЛИТЕРАТУРА
1. Миронов А. Простой ключевой стабилизатор напряжения. — Радио, 1985, ╧ 8, с. 43 — 45.
2. Смирнов В. Импульсный стабилизатор напряжения. — Радио, 1986, ╧ 11, с. 52 — 54.
3. Селезнев В. Стабилизатор напряжения на компараторе. — Радио, 1986, ╧ 3, с. 46, 47.
4. Медведев И. Импульсный стабилизатор. — Радио, 1989, ╧ 3, с 58, 59.