Оглавление
Проектирование и создание радиосхем всегда связано с проблемой источника питания. Этот важный вопрос встает уже на этапе создания концепции, ведь от ее назначения зависит чем она будет питаться, а также какие конкретно решения будем использовать. Неправильный ответ на этот вопрос может привести к значительному ухудшению производительности или сокращению срока службы готового устройства. Иногда схема может вообще не работать, поэтому давайте поговорим о различных имеющихся решениях, их преимуществах и недостатках.
Адаптеры в сеть 220 В
Они предназначены для питания стационарных схем или в качестве зарядных устройств. Некоторые их типы требуют осторожности из-за риска поражения электрическим током. Менее опытным и несовершеннолетним радиолюбителям рекомендуем работать с ними под присмотром, на всякий на случай.
Трансформаторные блоки питания являются основой для самостоятельной сборки как простых, так и лабораторных блоков питания, а также всевозможных усилителей и другой звуковой аппаратуры. Чем больше мощность — тем больше масса, больше выпрямительный мост и больше конденсаторная батарея. Для них может потребоваться дополнительная схема плавного пуска, поскольку при превышении определенной мощности включение такого блока вызовет скачок тока, что может привести к срабатыванию защиты от перегрузки.
Трансформаторы выпускаются в широком диапазоне напряжений и токов, мощность обычно указана в вольт-амперах, а не в ваттах. Они могут иметь разделенную обмотку, как первичную, так и вторичную. Разделенная первичная обмотка — это решение, используемое в схемах которые должны питаться как от 220 В, так и от 115 В. На вторичной стороне трансформатор может иметь много независимых обмоток с разным напряжением. Также нет проблем заказать трансформатор с любым набором обмоток — конечно за определенную цену. В общем, трансформаторы недешевы, и стоит поискать импульсные варианты БП.
Стоит помнить что номинальное напряжение трансформатора является переменным, и после выпрямления оно увеличится на корень квадратный из двух, то есть на 1,4. Из этого вычтите падение на диоде, обычно 1,4 В. Вторичное напряжение также зависит от первичного напряжения. Например, трансформатор 220 В/12 В имеет выпрямленное напряжение около 15,7 В. Но когда напряжение сети увеличится до 245 В, на выходе будет ~16,9 В. Однако при снижении сетевого напряжения до 220В на выходе будет едва ~14,3 В. Кроме того, под нагрузкой напряжение будет падать, что зависит от мощности трансформатора по току. Если трансформатор перегружен, он будет работать почти в состоянии короткого замыкания, что может привести к его перегоранию. Поэтому желательно иметь предохранитель на первичной стороне. Ненагруженный трансформатор (холостой режим) тоже потребляет небольшой ток, это ток потерь в сердечнике.
Стоит учитывать способ крепления трансформатора в корпусе – ведь здесь имеем дело с большим весом и будет неприятно если трансформатор вырвется из своих креплений и нанесет повреждения при перемещении устройства.
При работе с сетевыми трансформаторами следует соблюдать особую осторожность из-за сетевого напряжения на первичной стороне. В случае ламповых усилителей, на вторичной стороне напряжение может быть даже выше сетевого, и из-за фильтрующей способности и типичной конструкции таких усилителей работа под напряжением может быть особенно опасна!
Готовые блоки питания
У каждого наверняка есть несколько блоков питания такого типа. Особо запасливые могут иметь целые коробки, полные ими. Это зарядные устройства для телефонов и ноутбуков, которые больше не выпускаются, сгорели или не использовались годами, зарядные устройства для других небольших устройств или БП для старых компьютерных колонок, маршрутизаторов и другого мелкого компьютерного оборудования. Если что, купить такие блоки питания можно достаточно дешево в магазинах и на Авито.
Подключаемые блоки питания обычно имеют напряжение 5 В и ток от 500 мА до 2 А. Другими популярными напряжениями являются 9 В и 12 В. Блоки питания USB-C предлагают несколько выходных напряжений и разных токов, но на стороне приемника нужна соответствующая схема, которая позволит им переключаться в режим, обеспечивающий более 5 В.
Адаптеры питания для ноутбуков имеют более высокое напряжение, обычно 18-24 В и силу тока 2-4 А. Только некоторые типы и модели требуют специальной обработки, чтобы заставить их работать (DRM вшиты внутрь). Такие защищенные блоки питания лучше продать, чем модифицировать.
Преимуществом всех блоков питания этого типа является низкая цена, ведь они часто бывают бесплатно достающимися, универсальность и достойная мощность. Они также защищены от короткого замыкания. Недостатком являются генерируемые помехи, поэтому без специальных обработок со стороны схемы (фильтрация и экранирование) они мало подходят для чувствительного измерительного оборудования. Аудиофилы будут скрежетать зубами при мысли об использовании такого источника питания для предусилителей и других аудиосхем. Также можно забыть об использовании таких блоков питания в радиоаппаратуре работающей в диапазоне ниже нескольких МГц.
Блоки питания 5 В идеально подходят для проектов на базе микроконтроллеров и для различных ламп, индикаторов, светодиодных цветных мигалок и прочих игрушек. Они идеально подходят для питания часов, термостатов, датчиков, звонков и других мелких устройств, которые должны быть постоянно запитаны. А еще они могут быть зарядками для литиевых АКБ.
Блоки питания АТХ
Они имеют большую мощность (300-1000 Вт), могут быть дешевыми, особенно бывшие в употреблении, и иметь полный набор защит. Включение может выполняться микроконтроллером, что делает такие блоки питания подходящими для схем, которые включаются лишь время от времени, например, для аудиоаппаратуры или мощного освещения. Они являются благодарным материалом для переработки в лабораторные блоки питания и зарядные устройства. Они предлагают 3,3 В, 5 В, 12 В и -12 В, последний выход имеет довольно низкий ток, обычно 500 мА. С другой стороны, линия 12 В может дать и 30 А.
Серверные блоки питания являются подклассом компьютерных БП. Они выполнены в виде модулей, которые часто можно заменить во время работы сервера. В любительской практике они практически бесполезны, так как используют нестандартные разъемы, нестандартные форматы связи, а информации об их эксплуатации и использовании нет, — это коммерческая тайна, дополнительно специфичная для конкретного семейства серверов. Так что с ними слишком много проблем.
Модульные блоки питания
Это интересная группа, предназначенных для установки внутри устройств. Они предлагают широкий диапазон напряжений и мощностей, а также размеров корпуса. Имеют витые разъемы, иногда дополнительный потенциометр для точной регулировки напряжения. Типичные напряжения: 5 В, 12 В, 24 В и 48 В. Токи от 1 до даже 10 А не проблема. Цены, спасибо китайцам, не завышены. Покупка готового модуля может быть выгоднее отдельных комбинаций, к тому же получаем набор защит бесплатно.
Минус в том, что это импульсные блоки питания, а варианты с необычными напряжениями могут иметь гораздо более высокую цену. Есть и более-менее фирменные разновидности, с разным качеством изготовления и разным процентом отказов. Можно использовать такой блок питания вместо трансформатора в радиолюбительской мастерской, конечно после добавления соответствующей фильтрации и регулятора.
Блоки питания для светодиодов
Они делятся на две категории: ленточные блоки питания и диодные. Первые обычно имеют напряжение 12 В и силу тока от 1 до 10 А и часто выглядят как блоки питания для ноутбуков. Источники питания для светодиодов бывают различных форм, часто со степенью защиты IP для использования вне помещений, обеспечивают широкий диапазон напряжений с жестким ограничением тока.
В то время как ленточные блоки питания подходят для питания других устройств, диодные блоки питания не подходят ни для чего, кроме самих светодиодов. Напряжение в этих БП может колебаться от единиц до 50 В и регулируется таким образом, чтобы ток был номинальным. Это значение зависит от типа поставляемых диодов, а точнее от их допустимого прямого тока.
Лабораторные источники питания
Это один из основных рабочих инструментов электронщика, наряду с мультиметром и паяльником. Полезно как для тестирования, так и для ремонта. Их можно использовать в качестве замены зарядным устройствам для аккумуляторов. Но в качестве «повседневных» блоков питания они не годятся. Особенно варианты с аналоговым управлением склонны к случайному изменению настроек, что может закончиться довольно плачевно.
Батарейки и аккумуляторы
Основой мобильности является отсутствие привязки к адаптеру питания. До эры транзисторов создание даже простого радиоприемника с батарейным питанием было очень сложным, потому что лампам требовался большой ток, особенно для цепей накала. Даже сверхминиатюрные низковольтные лампы проигрывали по энергоэффективности транзисторам, а затем и интегральным микросхемам. Однако мало кто знает, что мощность батарей обогнала мощность сети — первые десятилетия радиоприемники питались от аккумуляторов и батарей: анодных и сеточных батарей хватало примерно на месяц, а батареи накаливания допускали только 20 часов работы. Люди покупали батарейки или арендовали их за определенную плату, могли взять брошюры с радиопрограммой на следующую неделю, отметить на месте, что слушать, и обсудите программы прошлой недели с другими владельцами радиостанций. Из-за ограниченности батарей, к прослушиванию радио дома относились очень серьезно, и ничто так не портило день, как скучное и плохо поставленное радиошоу.
В настоящее время эквивалентом таких ситуаций является момент, когда смартфон выключается во время долгой поездки в поезде из-за того, что забыли его зарядить. Истинную силу батарей и аккумуляторов можно узнать в случае отключения электроэнергии. Для любителей электроники батарейки и аккумуляторы важны при сборке всевозможных электронных гаджетов, включая карманные усилители для наушников, самодельные блоки питания, всевозможные игрушки и генераторы шума, пульты дистанционного управления, датчики и регистраторы, а также автономные роботы и дистанционно управляемые механизмы. Вспомним также о радиолюбителях и радиоприемниках — приемники и передатчики лучше работают от батареек, особенно вдали от преобразовательных блоков питания, столь популярных в наших домах.
Цинковые и щелочные батареи
Они бывают разных размеров и разного напряжения, от популярных «пальчиковых» до непопулярных батарей большего калибра, почти забытых плоских батарей 4,5 В или до сих пор используемых Крон 6F22 9 В.
Цинковые батарейки маркируются буквой R, щелочные – LR. Цинковые батареи имеют более короткий срок службы и меньшую емкость, чем их щелочные аналоги. Оба типа лучше не оставлять в устройстве надолго, так как в случае потери герметичности они могут сильно навредить плате и деталям. Наиболее распространенные типы имеют номинальное напряжение 1,5 В и различные емкости, в зависимости от размера и типа:
| Батарея: | Цинк-углерод | Щелочная |
| Обозначение | Емкость (мАч) | Емкость (мАч) |
| ААА, R03, LR03 | 640 | 1200 |
| AA, R6, LR6 | 1100 | 2700 |
| C, R14, LR14 | 3800 | 8000 |
| D, R20, LR20 | 8000 | 12000 |
| 4,5V, 3R12, 3LR12 | 1200 | 6100 |
| 6F22, PP3, E, 9V | 400 | 565 |
В дополнение к этим типам существовали и до сих пор иногда существуют батареи большего калибра, называемые «фонарными батареями» из-за их основного назначения.
В практике радиолюбителя обычно используют не менее двух ячеек для получения напряжения 3 В. В некоторых девайсах используются батареи 9V 6F22, но они имеют низкую емкость в дополнение к высокой цене. Считаем серьезной ошибкой использовать их в наше время — есть и другие способы получить данное напряжение.
Самый простой способ подключения аккумуляторов к схеме – использование соответствующего холдера. Если нужен симметричный блок питания, можно использовать его большего размера и добавить дополнительный отвод, но удобнее использовать два поменьше.
Стоит помнить, что дешевые холдеры из Китая имеют дрянные провода, легко выдергиваются и не любят больших токов. Чем больше размер батареи и чем больше батарей в сборке, тем больше заплатим. Если что, можете разработать собственное решение, подкрепленное 3D-печатью.
Батарейки типа таблетка
Эти батареи делятся на несколько видов, в зависимости от типа исполнения. Они имеют различные применения, в основном в небольших электронных схемах, часах, светодиодных мигалках и других подобных устройствах. Особую и довольно дорогую группу составляют батарейки для слуховых аппаратов.
Из-за огромного множества различных типов этих аккумуляторов остановимся лишь на некоторых распространенных вариантах. Писать обо всех нет смысла, тем более, что какие-то встречаются довольно редко, а какие-то и вовсе сняты с производства.
Литиевые батареи имеют напряжение 3 В, которое при разрядке падает до 2 В. Все они имеют маркировку в формате CRddhh, где dd — диаметр в миллиметрах, а hh — толщина в десятых долях миллиметра. Таким образом, наиболее распространенный тип CR2032 имеет диаметр 20 мм и толщину 3,2 мм. Обычно они имеют емкость 225 мАч, типичный ток разряда 100 мкА, максимальный (непрерывный) ток 3 мА. Другой популярный размер — CR1632, используемый в автомобильных пультах дистанционного управления и электронных часах. Они предлагают емкость 140 мАч. Еще одним интересным типом является CR2016 с емкостью 90 мАч, но иногда используется пара таких элементов друг над другом для повышения напряжения до 6 В.
Щелочные батарейки имеют маркировку LR, серебряные – SR. Ртутные элементы с пометкой MR больше не производятся. Популярные типы включают: LR44, LR66. LR44 имеет диаметр 11,6 мм и толщину 5,4 мм. Встречается в небольших фонариках, часах, лазерных указках и прочих безделушках. Щелочной вариант имеет емкость 80 мА, вариант с оксидом серебра 120-125 мА. LR66 имеет диаметр 6,8 мм и толщину 2,6 мм, ток 12-18 мА для щелочной версии и 26 мА для версии с оксидом серебра. Чаще всего встречается в часах.
Воздушно-цинковые батареи обычно используются в слуховых аппаратах, имеют необычно большую емкость для своего размера, но стоят дороже. Перед использованием необходимо снять пломбу, перекрывающую поступление воздуха к электролиту, так как этот аккумулятор потребляет кислород из атмосферы. Например батарея 675 (PR44), эквивалентная LR44, имеет емкость 600 мАч, что в 7,5 раз больше, чем у щелочного аналога.
Никель-металлогидридные NiMH аккумуляторы
Это лучшая альтернатива батареям стандартных размеров АА и ААА. Перезаряжаемые батареи обычно обладают такой же или большей емкостью, чем их одноразовые собратья, но более низкое номинальное напряжение, составляющее всего 1,2 В. Особенно рекомендуем их владельцам маленьких детей и энергоемких игрушек — покупка двух батарейных блоков и зарядного устройства обойдется дешевле, чем покупка пачки батареек через день.
Стандартные аккумуляторы имеют следующую емкость:
| Обозначение | Емкость (мАч) |
| AAA | 800-1200 |
| AA | 1700-2800 |
| C | 4500-6000 |
| D | 3000-10000 |
| 6F22 | 175-300 |
Как видите, батарея 9V 6F22 снова плохо работает. Это цена, которую платим за более высокое напряжение.
Никель-металлогидридные аккумуляторы, кроме более низкого номинального напряжения (1,2 В), имеют свойство глубоко саморазряжаться (практически до нуля) через длительное время. Помимо классических размеров, существуют и нестандартные аккумуляторы, использовавшиеся внутри устройств во времена, предшествующие распространению литий-ионных элементов. Аккумуляторы NiMH также использовались в радиоуправляемых моделях и мобильных телефонах. Интересный факт: у цифровых фотоаппаратов с батарейным питанием часто в меню есть возможность выбрать тип батареи, чаще всего встречаются щелочные батареи и батареи NiMH. Эта настройка влияет только на индикатор заряда батареи, так как камера в любом случае имеет встроенный преобразователь напряжения.
Li-Ion, Li-Po и LiFePO4 элементы
Это сегодня самый популярный тип ячеек. В зависимости от варианта они предлагают номинальное напряжение 3,6 В или 3,7 В. Максимальное напряжение для современных элементов составляет 4,2 В, но первые были ограничены 4,1 В. Чаще всего они встречаются в батареях для ноутбуков и других портативных устройств, электроинструментов, гироскутеров и электромобилей. Они бывают разных форм и размеров, также нескольких стандартов. Однако чаще всего продаются в виде цилиндрических ячеек с металлическими корпусами или в виде плоских ячеек, упакованных в жесткую пластиковую или металлическую упаковку.
Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет минимум 300-500 циклов зарядки, типовое значение 800-1000 циклов.
Цилиндрические литиевые АКБ
Размеры их стандартны и маркируются пятизначными кодами. Первые две цифры обозначают диаметр в миллиметрах, следующие три — длину. Исключением являются ячейки с маркировкой 07540 и 08570, где их размеры составляют диаметр 7,5 мм, длину 40 мм и диаметр 8,5 мм, длину 70 мм.
Самый распространенный типоразмер — 18650, то есть 18 мм x 65 мм. Предлагают в продаже емкости до 3500 мАч, хотя чаще всего встречаются элементы от 1200 до 2400 мАч. Китайские дешёвые аккумуляторы иногда имеют заявленную ёмкость 2000-3000 мАч, а на практике достигают порядка 500-600 мАч.
Следующими популярными типоразмерами являются 21700 и 26650. Аккумуляторы 21700 производятся в основном Tesla и имеют емкость 3000-5000 мАч. В свою очередь, элементы 26650 имеют емкость 2400-5750 мАч и используются там, где требуется большая мощность.
Использование литий-ионных элементов
Максимальное напряжение литий-ионного элемента составляет 4,2 В, а минимальное примерно 3 В. Ячейку можно разряжать и до 2,5 В, но это сокращает срок ее службы. Ячейка, разряженная ниже 2,5 В, деградирует и не должна использоваться, хотя ее можно «спасти». Батареи, разряженные ниже 2 В, годятся только на питание одного светодиода 5 мм.
Неиспользуемые ячейки теряют 3-5% своей емкости в год. Процесс можно замедлить если хранить их в холодильнике, в герметичном контейнере и с осушителем. Литий-ионные аккумуляторы плохо переносят перегрев — это снижает их емкость и срок службы, увеличивает внутреннее сопротивление. По этой причине и плохо переносят перегрузку.
Ток зарядки и разрядки выражается как множитель емкости элемента. То есть ток 1С для элемента емкостью 1000 мАч равен 1000 мА, т.е. 1 А. Ток 0,5C для элемента емкостью 2000 мАч также составляет 1000 мА или 1 А.
Для цилиндрических элементов максимальный разрядный ток не должен превышать 1,5С. Плоские ячейки иногда могут выдерживать 2C ценой укорочения жизни. Конечно, можно встретить и «сильноточные» элементы, но в их случае из-за высокой рабочей температуры срок службы сильно ограничен.
Внимание. Элементы не должны замыкаться накоротко, так как это может привести к возгоранию или взрыву!
Для зарядки требуется специальное зарядное устройство или приличный лабораторный источник питания. В процессе заряда используется источник с максимальным напряжением 4,2 В и током, регулируемым в зависимости от емкости элемента. Итак, элемент с напряжением 2,5-3 В заряжается током 0,05-0,1С, от напряжения 3 В до 4,2 В током 0,5-1С. Когда элемент достигает напряжения 4,2 В, следует контролировать ток зарядки. Процесс зарядки завершен, когда зарядный ток упадет до 0,03C. Затем следует прекратить дальнейшую зарядку, чтобы не повредить элемент.
Нельзя заряжать элементы напряжением выше 4,2 В, так как это может привести к возгоранию или взрыву и уж точно к разрушению структуры!
Теоретически можно заряжать две батареи, соединенные последовательно, без балансира или BMS. Обе батареи должны быть идентичны по емкости и количеству циклов заряда. В дешевых фонариках и электронных сигаретах используются как раз такие решения, но достаточно небольшой разницы между параметрами элементов, чтобы перезарядить один из них с плачевным результатом.
Рекомендуем использовать специальное зарядное устройство или контроллер заряда аккумулятора.
Неиспользуемые элементы следует зарядить до ~3,8 В (35-40% емкости) и хранить в холодильнике в сухом и герметичном контейнере. Ячейки, хранящиеся таким образом, будут терять только ~ 2% своей емкости в год. С другой стороны, аккумуляторы, хранящиеся при температуре 25 градусов и полностью заряженные, теряют до ~20% емкости ежегодно.
Хороший способ увеличить количество циклов заряда и разряда элемента — зарядить его до напряжения ниже 4,2 В. Это показано в таблице на базе из одного из экспериментов:
| Напряжение | Количество циклов | Емкость |
| 4,3В | 150-250 | 110-115% |
| 4,25В | 200-350 | 105-110% |
| 4,2В | 300-500 | 100% |
| 4,15В | 400-700 | 90-95% |
| 4,1В | 600-1000 | 85-90% |
| 4,05В | 850-1500 | 80-85% |
| 4В | 1200-2000 | 70-75% |
| 3,9В | 2400-4000 | 60-65% |
Как видите, на каждые 0,1 В снижения зарядного напряжения, удваиваем количество циклов, за счет максимально доступной емкости. Такое решение имеет смысл в стационарных системах накопления энергии, особенно если используемые на старте элементы имеют срок службы 800-1000 циклов.
Чем меньше ток, потребляемый ячейкой, тем меньше нагрузка на неё и тем дольше срок ее службы. Рабочая температура элемента также влияет на емкость. В таблице ниже показано, насколько емкость элемента уменьшается каждые 50 циклов в зависимости от рабочей температуры.
| Количество циклов | 25°С | 35°С | 45°С | 55°С |
| 50 | -0,79% | -1,37% | -1,4% | -1,86% |
| 100 | -1,72% | -2,62% | -3,05% | -4,07% |
| 150 | -0,26% | -3,93% | -5,01% | -7,29% |
| 200 | -3,29% | -5,55% | -6,7% | -10,48% |
| 250 | -4,22% | -6,57% | -8,74% | -13,24% |
Быстрая зарядка элементов и большие токи разряда повышают их температуру из-за внутреннего сопротивления. Это может привести к экзотермической реакции разложения электролита, а далее к возгоранию или взрыву элемента.
Литиевые батареи являются очень удобным источником энергии — они предлагают достаточно высокое напряжение, большую емкость и большие токи разряда при относительно низкой цене. На рынке нет недостатка в BMS и зарядных модулях китайского производства, что значительно облегчает интеграцию этих источников питания в самоделки. Интересным случаем являются аккумуляторы 6F22, которые могут предложить емкость в два раза большую, чем обычные аккумуляторы такого размера. Так что единственный разумный способ питания готовых устройств, требующих Крону 9 В — это аккумулятор 6F22.
Литий-полимерные элементы практически ничем не отличаются от литий-ионных. Из-за использования электролита и гелевого сепаратора они могут быть очень плоскими, поэтому их обычно упаковывают в полиэтиленовые пакеты. Это делает их легче, но более восприимчивыми к механическим повреждениям. Они также предлагают более низкую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги. Так как могут принимать различные формы и размеры, то используются в различных мобильных устройствах, особенно в смартфонах и планшетах. Литий-полимерные элементы не саморазряжаются так сильно, как литий-ионные, поэтому их можно хранить гораздо дольше. Кроме того, они лучше переносят более высокие зарядные и разрядные токи. Правда они не только дороже в производстве, но и имеют более короткий срок службы.
Элементы LiFePO4 существенно отличаются от других литиевых. Они предлагают меньшую плотность энергии, но гораздо более стабильны, значительно лучше способны выдерживать высокие разрядные токи и значительно дольше служат. Элементы LiFePO4 обеспечивают минимум 1000 циклов зарядки, максимум — более 10 000 циклов.
Минимальное напряжение элемента LiFePO4 составляет 2 В, а типичное напряжение составляет 3,2 В. Напряжение полностью заряженного элемента составляет 3,65 В. К сожалению, основным недостатком их является низкая плотность энергии и высокая скорость саморазряда — по этим причинам они не используются в портативных устройствах. Эти АКБ хуже переносят отрицательные температуры, но лучше переносят жару.
Использование элементов LiFePO4
Элементы LiFePO4 намного безопаснее в использовании. Нагрузка большими токами их не убивает, а короткое замыкание не приводит к термическому разложению, заканчивающемуся пожаром. Поэтому элементы этого типа используются в электромобилях, иногда в фонариках и электронных сигаретах, а также в качестве альтернативы свинцово-кислотным и гелевым аккумуляторам в схемах накопления энергии.
Процесс зарядки точно такой же, как и в случае с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но меньшим напряжением, всего 3,65 В. Но в отличие от других типов литиевых элементов, элементы LiFePO4 можно заряжать более высоким напряжением, вплоть до 4,2 В. Это сокращает продолжительность фазы зарядки постоянным напряжением и оказывает незначительное негативное влияние на элемент.
В зависимости от модели элемента и его производителя, зарядный ток может составлять от 1С до 10С, а безопасный ток разряда от 1С до даже 50С. Например, элемент ANR26650M1-B от A123Systems имеет номинальную емкость 2500 мАч и ток непрерывного разряда 50 А. Ток в импульсе может быть до 120 А в течение трех секунд, что составляет 48С! Номинальный зарядный ток 2,5 А, т.е. 1С, но этот элемент можно быстро зарядить током 10 А, т.е. 4С. И все это в обычном цилиндрическом корпусе размером 26650. Стандартный литий-ионный аккумулятор такой же емкости и в таком же корпусе взорвется при подобном обращении.
Гелевые и AGM аккумуляторы
Гелевые и AGM-аккумуляторы представляют собой разновидности свинцово-кислотных АКБ, в которых корпус герметичен, а электролит находится в виде геля или пропитанных листов стекловолокна. Благодаря такой конструкции они могут работать в любом положении, ведь им не нужен доступ воздуха, как более традиционным батареям с жидкой серной кислотой. Они имеют только выпускные клапаны на случай возникновения избыточного давления внутри. Поскольку эти аккумуляторы являются разновидностью свинцово-кислотных, и унаследовали некоторые из их преимуществ и недостатков. Процесс зарядки довольно сложный и медленный. Гелевые и AGM аккумуляторы заряжаются быстрее, но они более восприимчивы к чрезмерно высоким зарядным токам, что может привести к неконтролируемому повышению температуры. Также они не переносят перезарядки, что приводит к их порче. Они имеют более короткий срок службы, чем традиционные батареи, залитые кислотой. Цены выше.
Литий-ионный аккумулятор в целом предлагает те же преимущества, большую емкость на единицу объема, а с системой BMS большее удобство использования и зарядки. Единственным преимуществом гелевых, AGM и традиционных свинцово-кислотных АКБ, является способность выдавать большие токи, но и здесь выигрывает хорошо собранный литиевый, особенно LiFePO4.
Проектирование схем с учетом аккумуляторов
В принципе, надо учесть, что сетевое питание и питание от аккумулятора не имеют стабильного напряжения. Напряжение сети может колебаться, гальванические элементы уменьшают свое напряжение во время разряда. Батарея не обязательно линейно снижает свое напряжение при разряде. О способах соединения ячеек в аккумуляторы и аккумуляторов в сборки читайте тут.
Когда схема «работает от розетки», единственным практическим ограничением является способность этой розетки обеспечить достаточный ток и наши финансовые возможности. В случае нехватки электроэнергии просто купите или соберите блок питания большей мощности. Однако мобильные устройства регулируются другими законами, и главной целью является размер и энергоэффективность.
Доступное напряжение в сравнении с — это первая проблема, с которой сталкивается начинающий разработчик, и именно здесь он совершает больше всего ошибок. Например, пусть это будет схема на основе готовых модулей, включая Arduino или NodeMCU с ESP8266. Эти модули требуют 5 В. Первая мысль новичка в электронике — дать комплект батареек до 7,5-9 В, а потом с помощью 7805 снизить это напряжение до 5 В. Будет ли это работать? Конечно. Имеет ли это смысл? Нет, потому что теряем около 40-60% энергии в виде тепла. Обе платы в любом случае имеют стабилизаторы напряжения «на борту», потому что ESP8266 на самом деле нужно 3,3 В. Кроме того, даже Arduino, а точнее микроконтроллер ATmega328, может работать с меньшим напряжением, чем указано на плате или на сайте Arduino.
ATmega328 может работать от 2,7 В до 5,5 В. Ничто не мешает питать схему от литий-ионного элемента, трех щелочных батарей или 3-4 батарей NiMH. ESP8266 работает с напряжением от 2,5 до 3,6 В. Большинство сенсорных модулей также работают с максимальным напряжением до 3,6 В. Существуют операционные усилители и другие интегральные микросхемы, предназначенные для работы от батарей, с низким потреблением тока и соответствующим диапазоном рабочих напряжений. Все, что нужно сделать, это просмотреть даташиты к различным компонентам.
В ситуациях, когда нужны стабильные 5 В, 3,3 В или даже 12 В, есть лучшие способы, чем последовательное соединение нескольких батарей и снижение напряжения с помощью линейного регулятора. На рынке нет недостатка в готовых модулях импульсных преобразователей, а специализированных чипов еще больше. Использование преобразователей имеет множество преимуществ, но и некоторые недостатки.
Повышающие преобразователи используются для увеличения напряжения. В настоящее время рынок наводнен модулями для построения повербанков, которые работают на литий-ионных аккумуляторах и имеют защиту от чрезмерного разряда. На выходе они обеспечивают напряжение 5 В и ток 1 А. Эффективность часто превышает 90%. В дополнение к этим схемам существуют регулируемые преобразователи. Типичное входное напряжение составляет 2-24 В, а выходное 2-28 В. Стоимость таких готовых модулей начинается менее чем со 100 рублей. Мощность по току обычно составляет 1-2 А. Если нужен больший ток, на рынке есть чуть более дорогие модули, которые выдают напряжение до 36 В и ток до 6 А.
Преобразователи Buck/Step-Down используются для понижения. Снижение напряжения более эффективно, чем его повышение, которое часто достигает 96% даже в дешевых в модулях. Минимальное входное напряжение может начинаться с 4,75 В, выходное около 1-17 В, а ток 3 А. Чуть более дорогой модуль на базе LM2596(HV) предлагает входное напряжение 3-40 (60) В, выходное напряжение 1,5-35 В и ток 2 А без радиатора. Эффективность достигает 92%.
Понижающие преобразователи, особенно синхронные, были разработаны в связи с их применением в компьютерах, где они обеспечивают необходимые напряжения для ЦП и ГПУ за счет понижения напряжения 12 В до 1,2-1,8 В при токах, измеряемых десятками ампер.
Повышающие/понижающие преобразователи принимают широкий диапазон входных напряжений и преобразуют их в одно стабильное выходное напряжение. Типичный пример — замена линейного стабилизатора, который выдает стабильные 3,3 В от напряжения 1,8-5 В при выходном токе 100 мА. Чуть более дорогой модуль предлагает вход 3- и выход 5В/600мА. Модули на базе XL6009E немного дороже, это преобразователи типа SEPIC, которые легко узнать по двум дросселям и небольшому конденсатору между ними. Широкий диапазон входных и выходных напряжений и ток до 2 А — очень хороший вариант.
Есть модули изолированных преобразователей постоянного напряжения, предназначенных для питания схем, где важна гальваническая развязка из-за большой разности потенциалов между изолированными сторонами. Эти преобразователи часто имеют довольно узкий диапазон входных напряжений, одно выходное напряжение и КПД около 78% при токе 200 мА. Они могут быть альтернативным способом получения отрицательного напряжения, но имеются способы получше.
Преобразователи своими руками
Многим, особенно начинающим электронщикам, создание собственного преобразователя кажется таким же простым делом, как подстричь ногти кусачками. Но, вопреки видимому, сборка их без должного опыта, весьма чревата.
MC34063A. Старая добрая микросхема для сборки различных конвертеров. Когда-то была очень популярна, встречалась даже в автомобильных зарядных устройствах для телефонов. В техническом паспорте точно описывается, как рассчитать значения отдельных компонентов. Кроме того, есть онлайн-калькуляторы и инструкции, где показано, что и как. С ней можете легко построить конвертер Boost, Buck, Buck-Boost и даже Flyback. Для последнего потребуется рассчитать и намотать собственный трансформатор. Зато это позволит генерировать разные напряжения, в том числе и симметричные для операционных усилителей. Это не лучшая микросхема для таких мест, но она дешева и относительно проста в использовании.
NE555. Старый добрый таймер может быть основой преобразователей Boost, Buck или Flyback. Однако чаще всего его применяют для выработки высокого напряжения с помощью старых катушек зажигания и обратноходовых трансформаторов для ламп в телевизорах и ЭЛТ-мониторах. Не рекомендуем эту схему, потому что правильная реализация обратной связи слишком большая проблема.
RCC. Это самогенерирующий дроссельный преобразователь с простой конструкцией и высокой устойчивостью к параметрам используемых компонентов. Встречается в простых импульсных источниках питания или зарядных устройствах USB. Также можем найти его в блоках питания ATX в качестве вспомогательного преобразователя. Для его сборки требуется всего несколько компонентов, в том числе 2 транзистора. Единственная трудность заключается в необходимости намотать трансформатор.
Рекомендации по питанию схем
Следующие рекомендации хорошо работают не только в схемах с батареями, но и с питанием от сети.
Экранирование
Первое, что можем сделать, это поместить преобразователь в металлическую коробку, соединенную с землей схемы. Также уместно экранировать чувствительные входные цепи, но в отдельном корпусе. Есть много способов экранировать — можем спаять подходящий контейнер из кусочков ламината, сделать его из листового металла, использовать жестяные баночки. Экран также может быть изготовлен из самоклеящейся медной фольги или путем приклеивания алюминиевой фольги к картону или пластиковой коробке. Пластиковый контейнер ткже может быть покрыт токопроводящей краской содержащей частицы металла, или графитной краской.
Фильтры
Пассивные LC-фильтры с развязывающими конденсаторами должны очищать выходное напряжение преобразователя от всякого мусора. Если энергетический бюджет позволяет, можно добавить стабилизатор LDO для дополнительной фильтрации.
Если питаете операционный усилитель, стоит проверить его PSRR, то есть коэффициент подавления напряжения питания, а также рекомендуемое размещение компонентов и дорожек и значения развязывающих конденсаторов, для получения оптимальных результатов.
Отказ от конвертеров
В борьбе за устранение даже следов шума можем полностью отказаться от преобразователей и использовать батареи/аккумуляторы в конфигурациях, позволяющих получить необходимое напряжение. Готовую схему в любом случае нужно поместить в металлический корпус, а если это чувствительный радиоприемник, то включать его вблизи каких-либо следов цивилизации все равно не стоит.
Лучший способ продлить срок службы схемы — снизить энергопотребление. Старые мобильные телефоны были очень энергоэффективными, потому что у них не было ни цветных экранов, ни WiFi, ни процессоров ARM с вычислительной мощностью компьютеров. Вместо этого у них были более энергоемкие радиосхемы GSM, и все же они «выжимали» неделю работы и 20 часов в режиме разговора между зарядками.
Любитель электроники вряд ли соберет сверхэнергоэффективный смартфон или компьютер, но даже простой электронный гаджет можно оптимизировать чтобы продлить ему жизнь.
Как экономить энергию
Если очень хотим чтобы светодиоды сигнализировали о работе схемы, лучше поставить красный диод и резистор, ограничивающий ток до минимума, необходимого для его просмотра. Человеческий глаз хорошо видит красный цвет. Подсветка ЖК-экрана при необходимости может управляться микроконтроллером и отключаться при отсутствии взаимодействия, а яркость регулируется ШИМ-сигналом.
Если прибор время от времени выполняет измерения с использованием аналоговых микросхем усиления, стоит подумать о выборе операционного усилителя с входом ENABLE/SHUTDOWN, позволяющим отключать его когда он не нужен. Ведь можно включить питание аналоговых цепей только тогда, когда это необходимо. Также следует обратить пристальное внимание на параметр, помеченный как ток покоя — это ток, потребляемый когда м/с не выполняет работу.
У более опытного конструктора может возникнуть соблазн заменить операционный усилитель транзисторной схемой. Транзисторы, как правило, могут работать при более низком напряжении питания, чем большинство усилителей на микросхемах, не требуют симметричного питания и могут обеспечивать более низкий уровень шума. Конечно конструировать на транзисторах сложнее, но иногда оно того стот.
Если делаем удаленный датчик, лучше держаться подальше от ESP8266 или ESP32. WiFi как вид связи энергоемок, и хотя радио можно выключить, процесс включения и инициализации соединения долгий. Впрочем, разумнее любые радиомодули для диапазона, отличного от 433 МГц. Например, модули nRF24L01+, которые в умелых руках не уступают по дальности WiFi, а электроэнергии потребляют гораздо меньше. Для увеличения радиуса действия советуем не использовать каналы на которых работают окружающие сети WiFi. Bluetooth Low Energy кажется хорошей альтернативой, хотя для большей дальности рассмотрите что-то на основе LoRa, правда этот радиомодуль будет потреблять много энергии, особенно на пределе дальности.
Бесперебойные БП
Схема которая должна работать 24 часа в сутки, может быть оснащена альтернативным источником энергии. Самый простой способ — добавить фотогальванический элемент, называемый солнечной батареей. Приблизительно за 1000 рублей можете приобрести панели, обеспечивающие 100 мА при напряжении 3 и 6 В. Добавив схему зарядки ячейки, можно легко получить устройство, которое будет работать вечно или, по крайней мере, до тех пор, пока аккумулятор не сядет окончательно от старости.
