Издательский дом ООО "Гейм Лэнд"ЖУРНАЛ ХАКЕР 116, АВГУСТ 2008 г.

О вкусной и здоровой пище

Артемий «Di Halt» Исламов / di_halt@mail.ru /

Хакер, номер #116, стр. 116-106-1

Электронные исходники-2. Источники питания

Первая статья про основы электроники прошла на ура, поэтому, следуя многочисленным пожеланиям, продолжаю в том же духе. С чего начинается разработка любого девайса? С продумывания источника питания. Это один из важнейших этапов, ведь от него зависит, насколько надежным в работе будет твой девайс.

Существует масса способов решить проблему питания устройства. Чтобы тебе было из чего выбрать, я постараюсь максимально подробно описать каждый из них.

Автономное плавание

Если ты разрабатываешь подслушивающее устройство или что-то мобильное, чего нельзя воткнуть в розетку, то тебе только одна дорога – батарейное питание. Аккумуляторов и батареек ныне разработано на все случаи жизни.

С батарейками все просто: если соединить их последовательно, цепочкой от плюса к минусу, то напряжение складывается. А если связать параллельно, объединив плюсы и минусы, то получим увеличение емкости батареи. Главное тут, чтобы батареи имели равную свежесть. А то если в такой связке попадется одна полудохлая, с более низким напряжением, то остальные тут же подсядут до ее уровня. Особой любовью у меня пользуются батарейки от материнских плат. Они выдают 3 вольта, что в подавляющем большинстве случаев достаточно для запитки микроконтроллера (Tiny или Mega с индексом L) или еще какой мелкой электроники. Кстати, мелкие батарейки на 9-12 вольт (такие обычно стоят в брелках авто-сигнализаций) внутри содержат стопку обычных таблеточных батареек для часов. Так что в следующий раз лучше не тратить бабло на дорогующую 12-вольтовую батарейку, а купить «матрас» китайских таблеток по рублю за штуку и смотать их скотчем. Еще классными батарейками снабжались кассеты от фотоаппаратов Polaroid. Они были плоскими, выдавали девять вольт и обладали чумовой энергоемкостью. Особенно их любили фрикеры, изготовлявшие подслушивающие устройства – такую батарейку вместе с жучком легко сделать в виде картонки, которая закидывается куда-нибудь за шкаф и работает порой до двух-трех месяцев.

Впрочем, на мой взгляд, батарейки уже давно стали моветоном. Где только можно, я перехожу на аккумуляторы. Самые лучшие для мобильного применения – это литий-ионные (Li-Ion). Неудивительно, что их применяют во всех современных сотовых. Но на первых порах я бы не рекомендовал связываться с данным типом аккумуляторов: у них слишком хитрый алгоритм заряда, требующий специального чипа либо сложной прошивки в управляющем контроллере. К тому же, необходимо реализовывать защиту от полного разряда. Чуть ошибешься при зарядке или дашь ему сесть в ноль, – аккумулятор вспухнет и придет в негодность. С никель-металлогидридными (NiMH, они же – пальчиковые аккумуляторы в твоем плеере) батареями проще; там надо только ограничивать зарядный ток, что реализуется микросхемой MAX 712 – это специальный чип, заточенный для изготовления зарядных устройств под NiMH-аккумуляторы. Если интересно, то печатную плату и схему зарядного устройства для таких аккумуляторов я положил на диск.

Для долговременного питания, особенно когда габариты и вес не имеют значения, лучше использовать SLA-аккумуляторы. Это такие здоровенные черные кирпичи с клеммами, они стоят во всех UPS’ax. У меня в домашнем роботе питание сделано именно от SLA-аккумулятора. По конструкции и принципу эти аккумуляторы не отличаются от автомобильных, разве что обладают герметичным корпусом. Они обладают большой емкостью, а главное, им не требуется зарядного устройства. В простейшем случае, чтобы зарядить такой аккумулятор, его надо подсоединить к источнику питания, выдающему напряжение чуть ниже номинала аккумулятора. То есть, если аккумулятор рассчитан на двенадцать вольт, то зарядник должен быть на одиннадцать с половиной. Ну, еще нужно токоограничивающий резистор Ом на сто поставить (только брать надо резистор помощнее, ватта на два). Они здоровые такие, керамические. Самое главное, не подавать на аккумулятор напряжение более, чем его номинал – вскипит и взорвется.

Неиссякаемая сила розетки

Не одними батарейками жив фрикер. Зачастую необходим стационарный источник питания или девайс, которому нужно работать долгие месяцы. Тут на помощь приходит блок питания и розетка в качестве источника энергии. Одно плохо – напряжение в розетке мало того, что переменное, так еще и целых двести двадцать вольт! А нам в подавляющем большинстве случаев надо постоянное – и не более пяти, двенадцати вольт. Приходится городить преобразователи и выпрямители.

Понижаем!

Наиболее простой путь, можно сказать, классика жанра, – обычный трансформаторный блок питания. Трансформатор – это такой девайс, состоящий из двух катушек, которые намотаны на общий металлический сердечник. Прикол в том, что переменный электрический ток, проходя по одной обмотке, вызывает в сердечнике колебания магнитного поля, а эти колебания, за счет явления магнитной индукции, наводят переменный ток во второй катушке. Соотношение напряжений на входе и выходе трансформатора зависит от соотношения числа витков первой и второй обмотки трансформатора. Так, трансформатор с соотношением обмоток один к десяти при подключении к розетке даст на выходе двадцать два вольта. Трансформаторами можно поживиться в убитых колонках или блоках питания разных магнитофонов, или старых сетевых адаптеров. Не стоит выдирать их из древних ламповых телеков, они там в основном повышающие, а тебе нужен понижающий. Также важно не перепутать обмотки высокого и низкого напряжения. Когда будешь выдирать из хлама трансформатор, запомни, каким местом он подключался к розетке и где у него был выход. Обмотки можно определять тестером в режиме замера сопротивления (у обмотки высокого напряжения сопротивление выше). Обязательно замерь тестером напряжение на выходе трансформатора, не забыв при этом поставить тестер на измерение переменного напряжения.

Еще есть такой тип, как импульсные трансформаторы – его ты найдешь в комповом блоке питания. Этот тип обладает малыми габаритами, но работать может только на больших частотах. Поэтому в комповом блоке питания сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, потом переводится опять в переменное, но уже повышенной частоты. Высокочастотный ток напряжением 220 вольт прогоняется через импульсный трансформатор, где понижается. А уж потом снова выпрямляется и идет на выход. Сложно, зато позволяет резко снизить габариты и вес при передаче больших мощностей – у классического низкочастотного трансформатора с увеличением передаваемой мощности резко возрастают размеры магнитопровода. Именно поэтому старые телевизоры такие тяжелые – там много мощных низкочастотных трансформаторов.

Выпрямляем!

Допустим, трансформатор ты воткнул, напряжение уменьшил. Остается еще одна проблема – напряжение-то переменное! Что делать? Тут есть два пути. Первый – последовать совету моего препода по электронике и поставить толкового студента, чтобы он за пиво переключал проводки туда-сюда с частотой пятьдесят раз в секунду. Поскольку недостатки данного метода очевидны, то этот процесс надо как-то автоматизировать. Поднимай подшивку ][ и ищи первую часть «электронных исходников», а конкретно – раздел про диоды. Если не нашел, то напомню, что диод – это такая фиговина, которая пропускает ток только в одном направлении. В переменном напряжении ток идет по синусоиде, сначала в одну сторону, потом плавно уменьшается до нуля и начинает идти в другую сторону. И потом снова обратно. И так – пятьдесят раз в секунду (если мы говорим о розетке, где частота 50 Гц). Если поставить на его пути диод, то ток сможет идти только по одному пути: полпериода ток идти будет – прямое направление для диода, а полпериода идти не будет вообще, диод не даст. Выход из этой ситуации есть – диодный мост. Это когда соединяют диоды таким образом, что какое бы направление у тока не было, диоды его всегда развернут и направят в одном направлении. Вот и выходит, что при положительной полуволне ток идет по одному плечу моста, а при отрицательной – по другому, но неизменно в одну сторону, в итоге. Диодный мостовой выпрямитель стоит почти во всех блоках питания. Есть тут, правда, одно западло – после диодного моста напряжение все равно не ровное, а как бы частыми импульсами – следствие синусоидальности исходного напряжения. Что делать? Правильно, курить первую часть электронных исходников, но уже раздел про конденсаторы и индуктивности.

Если поставить на выходе параллельно конденсатор, да еще катушку последовательно, то конденсатор будет подпитывать нагрузку в момент провала напряжения и заряжаться на пике, а катушка задержит все пульсации и неровности, которые останутся после конденсатора. Впрочем, зачастую катушку не ставят вовсе, ограничиваются конденсаторами. Конденсаторы я рекомендую поставить разные. Один-два электролитических (это такие большие бочки с явно указанным плюсом, поэтому полярность соблюдать обязательно). И керамических пару штук (такие желтенькие круглые с торчащими выводами). Электролиты хорошо отрабатывают на крупных просадках напряжения, а керамика лучше справляется с мелкими помехами.

Стабилизируем!

Но обычно одного трансформатора и выпрямителя мало. Необходимое напряжение может быть совершенно разным, а найти трансформатор под нестандартное напряжение сложно; они на выходе имеют от семи до двадцати вольт, а нам зачастую надо пять, а то и три. Да и напряжение выхода с трансформатора зависит от напряжения питающей сети, а оно далеко не всегда хваленые двести двадцать. Поэтому потребуется стабилизатор. Стабилизатор – это такая схема, задача которой всегда поддерживать выходное напряжение равным определенной величине, вне зависимости от того, что на входе. Как правило, стабилизатор работает на понижение – то есть ему на вход надо подать напряжение несколько больше того, что будет на выходе. В таком случае у него будет некоторый запас по регулированию. Впрочем, существуют и повышающие схемы. Самый простой и дубовый линейный стабилизатор – LM7805, он же 7805, в простонародье КРЕНка, названый так в честь микросхемы КР142ЕН5А. Буржуи его еще называют Linear.

Его достоинство в том, что он стоит крайне дешево, имеет совершенно элементарную схему подключения и надежен, как кувалда. Выглядит он, как черная штукенция с тремя ножками (существуют и другие виды корпусов, просто этот – самый распространенный). Если повернуть его ножками вниз и к себе маркировкой, то средняя ножка – это общий провод, правая – выход, левая – вход. Перед входом и перед выходом надо поставить конденсатор, не менее одного микрофарада, а лучше больше – микрофарад на сто, двести. На вход ему можно подавать вплоть до тридцати двух вольт, а на выходе получишь четкие пять вольт, пригодные для питания какого-нибудь контроллера. Вот только на легкости применения и дешевизне достоинства заканчиваются, дальше пойдет перечисление недостатков. Во-первых, низкий КПД. Излишки напряжения он нагружает на себя же, превращая в тепло. То есть, если у тебя нагрузка кушает пол ампера тока, на выходе – пять вольт, а на входе двенадцать, то потери мощности будут равны разнице между входным и выходным напряжением, помноженным на потребляемый ток. Эта моща раскалит КРЕНку докрасна, разумеется, выведя ее из строя. Поэтому на них приходится ставить здоровенные радиаторы, рассеивающие излишнее тепло. Разумеется, батарейку этот обогреватель будет жрать будь здоров, так что для мобильных решений он малопригоден. Разве что в качестве нагрузки будет что-либо совсем маломощное, например, микроконтроллер, кушающий какие-то считанные миллиамперы. Тогда потерями можно и пренебречь. Но – нежелательно.

С КРЕНкой я неотразим, но в мозгах сидит ШИМ-ШИМ!

Для преобразования постоянного тока без потерь используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM). Если ты вдруг не читал или запамятовал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал тему ШИМ, то я кратко напомню. Суть в том, что тут напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой. Например, на выходе ШИМ-контроллера, сначала в течение десяти микросекунд напряжение двенадцать вольт, потом идет пауза – те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник. У нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно – интегрирование, после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.

В качестве интегратора выступает конденсатор, – он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток. Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и почти не расходуют энергию на лишний нагрев. Для простоты я переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри картинку, где ключевой транзистор ШИМ-контроллера похож на вентиль. Он открывает и закрывает канал. Конденсатор – это банка, накапливающая энергию. Дроссель – массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля. Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, но не стоит напрягаться по этому поводу. Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы, содержащие готовый ШИМ-контроллер. Тебе остается его припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем, в datasheet’ах подробно расписано, что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дается готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский.

А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет – хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт. Страшно? А ты как думал. Я буду постепенно все выше и выше поднимать планочку, чтобы твои мозги кипели и скрипели, не успевая расслабляться.

Почувствуй себя создателем!

Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители главой выше и воткни на входе схемы диодный мост. Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это – плохой тон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит. Дальше – ШИМ-контроллер; я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква (часто – «А»). Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который. Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь, как он выглядит? Затем открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее, как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас – это традиционно минус, а плюс – Vin. Выходом служит Vout в качестве плюса, а минусом служит все тот же общий провод. Тут важно не перепутать подключение к мобильнику, поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.

Точный расчет!

Схему мы набросали, осталось ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, а значит, конфигурация задается установкой необходимых номиналов резисторов.

Резистор Rsc я обычно заменяю перемычкой из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть, если от него потребовать невозможное. Наличие резистора на 0.33 Ом заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке. Чем выше сопротивление Rsc, тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь. Это может быть полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.

Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового). Дроссель можно купить готовый или – намотать самому. Величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри (работать будет, но КПД, возможно, снизится). Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.

Диод купи тот же, который и указан в схеме, благо, он не редкость. Если не найдешь точно такой, то возьми любой диод Шоттки с расчетным током не меньше одного ампера. Диод Шоттки отличается от обычного диким быстродействием. При смене направления напряжения он закрывается куда быстрее, чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону. Через него будет замыкаться цепь «катушка – конденсатор – нагрузка», когда транзистор в микросхеме закроется.

Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить, сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт. Порывшись в даташите, находим формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2. Для Step-Down схемы выглядит она так:

Vout=1.25(1+R1/R2).

Чтобы получить напряжение в 7 вольт, сопротивление R1 должно быть 4.7 кОм, а R2 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно, все. Вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для девайсов. Осталось протравить плату и спаять (готовый рисунок платы, как и всю документацию, ты найдешь на диске). Но ни в коим случае НЕ СУЙ этот зарядник в РОЗЕТКУ: там напряжение 220 вольт, а наша схема рассчитана на 40 вольт максимум!

Кстати, покопайся в даташите, – найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up. Если выкинуть нафиг диодный мост (за ненужностью) и собрать всю конструкцию по схеме Step-Up, то ты сможешь заряжать сотовый телефон от трех, а то и двух пальчиковых батареек, если хватит трех вольт для раскачки микросхемы. Пусть это будет домашним заданием.

Путь фрика

Данный DC-DC зарядник я разработал в качестве блока питания для GSM-сигнализации на базе сотового (обычный сотовый зарядник сделан из низкопробного дешевого хлама, дающего жуткие помехи в работе сигнализации, и, как следствие -- ложные срабатывания). Один такой я таскаю в кармане в качестве дорожного зарядника. Надо было видеть лицо моего закадычного камрада, когда я со словами «Блин, батарея в телефоне сейчас сдохнет» принялся со злобным видом раскручивать его комповую колонку отверткой, чтобы добраться до трансформатора. Цель была самая невинная: от его девяти вольт запитать свой мега девайс, дабы подкормить свой боевой Siemens. Сказать, что чувак был в шоке – ничего не сказать. С тех пор он меня почитает как бога электроники, хотя я не сделал ничего выдающегося.

Для интересующихся я создал тематический блог http://easyelectronics.ru, где буду постепенно выкладывать свои наработки, а также обучающие статьи по электронике, схемотехнике, радиолюбительским хитростям и программированию микроконтроллеров AVR и MSC-51. Welcome! И удачи в работе, коллега!

Виды линейных стабилизаторов

Существуют не только 7805 и КРЕН5А на пять вольт, но и на другие напряжения:

  • КР142ЕН5А он же 7805 – 5 вольт;
  • КР142ЕН5Б он же 7806 – 6 вольт;
  • КР142ЕН8А он же 7809 – 9 вольт;
  • КР142ЕН8Б он же 7812 – 12 вольт;
  • КР142ЕН8В он же 7815 – 15 вольт;
  • LM1117 – 3.3 вольта.

Также бывают регулируемые линейные стабилизаторы, позволяющие менять выходное напряжение. Это, например, LM317. Кроме деления по напряжению, практикуют еще и деление по мощности и максимальному току. Проектируя свой БП, надо всегда прикидывать максимальный ток нагрузки и выбирать стабилизатор исходя из этой цифры. Ну и, конечно же, бывает деление по типу монтажа и виду корпуса.

Изготовление дросселя

Не беда, если не удастся купить дроссель. Его можно намотать и самому, разве что выглядеть будет страшно. Для намотки потребуется пластиковая трубка и несколько метров тонкого обмоточного провода в лаковой изоляции, который можно смотать с какого-нибудь дохлого трансформатора. Дальше – запускаешь софтину для расчета катушки (я ее положил на диск), вводишь в нее диаметр сердечника, желаемую индуктивность в Генри и толщину провода. В ответ получаешь количество витков, которые надо намотать.

Содержание
ttfb: 9.3128681182861 ms