Схема источник резервного питания. Автоматическое включение резервного электропитания (АВР)

И так - как-то в одно время потихоньку на нашем предприятии (фирма очень бедная: как и большинство ТЕПЛОЕНЕРГО в Украине) начали выходить из строя, т.е. выгорать "по горячей стороне" импульсные БП которые в последствии были заменены.
Пришлось сообразить, т.е. сделать 6шт. источников питания для питания некоторых приборов (имеют отношение к метрологии, КИПиА).
Требования к ним были такими:
1) стабилизированное питание датчика - 20:28В/0.1А
2) стабилизированное питание самого прибора - 10:14В/0.2А
3) гальваническая развязка между каналами питания
4) резервное питание прибора (датчика нет) от АКБ 12В (дальше перечислять не буду)
Решил велосипед не изобретать, а использовать уже наработанные схемные решения, тем более надо было, чтоб получилось дешево и качественно. Да и как то сильно не заморачивался с выбором схемотехники - в голове сами по себе вырисовывались примеры реализации БП.
Ну вот и вся история а теперь - к делу.
Схема устройства:

Как видно из схемы, БП состоит из двух независимых каналов 24В и 12В построенных на "кренках". По 12В к LM7812 установлен диод VD5, что поднимает напряжение до 12.7В для компенсации падения на VD12. Больше по стабилизаторам нечего сказать, так как это общеизвестная схемотехника и описана в любом справочнике и конечно, все это есть в "Обучалке".
Для обеспечения бесперебойного питания используется аккумуляторная батарея (в моем случае - это "GEMBIRD 12V4.5A").
Схема, показанная на рисунке, исключает повреждение аккумуляторов из-за получения ими избыточного заряда. Она автоматически отключает процесс заряда при повышении напряжения на элементах выше допустимой величины и состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT3, усилителя VT2, детектора уровня напряжения на VT1 .
Индикатором процесса заряда является свечение светодиода VD4, который при его окончании гаснет.
Настройку устройства начинаем со стабилизатора тока. Для этого временно замыкаем вывод базы транзистора VT3 на общий провод, а вместо аккумуляторов подключаем эквивалентную нагрузку с миллиамперметром 0...500 мА. Контролируя прибором ток в нагрузке, подбором резистора R3 устанавливаем номинальный ток заряда для конкретного типа аккумуляторов.
Вторым этапом настройки является установка уровня ограничения выходного напряжения с помощью подстроечного резистора R4. Для этого, контролируя напряжение на нагрузке, увеличиваем сопротивление нагрузки до момента появления максимально допустимого напряжения (13.8 В для АКБ 12В/4.5А). Резистором R5 добиваемся отключения тока в нагрузке (погаснет светодиод).
Трансформатор подойдет любой малогабаритный с напряжением на вторичных обмотках 15...18 В; для 24В-го канала - 25..28В.
Транзистор VT3 крепится к теплорассеивающей пластине. Для удобства настройки в качестве R4 желательно использовать многооборотный резистор типа СП5-2 или аналогичный, остальные резисторы подойдут любого типа.
Для осуществления резервного питания по 12В от АКБ используются цепи схемы на элементах VD7, VT4, VT5 и реле (импортное 12В) с одной группой контактов переключения. При наличии сетевого питания а значит и +U на конденсаторах С4, С5 , транзистор VT4 открыт и реле обесточено, через замкнутые контакты происходит заряд АКБ. При пропадании напряжения в сети, транзистор VT4 закрывается - VT5 открывается и срабатывает реле - своими контактами подключая "+" АКБ через VD11 к нагрузке.
Теперь немного об использованных деталях:
- диоды - любые..исходя из токов и напряжений, я применил самые дешевые импортные 1N4007;
- транзисторы VT1, VT2, VT4 - КТ3102, можно КТ315 или импортные аналоги.
- транзистор VT3 можно применить КТ814 или КТ816 - зависит от емкости АКБ и тока которым будет заряжаться;

Теперь немного в фотографиях - процесс изготовления:

Печатная плата. Впаял "релюху" - потом вспомнил, что надо для истории сфотографировать. Дорожки не залуживал, т.к. сам текстолит оказался плохого качества - отслаивались дорожки даже при мин. температуре паяльника. После пайки покрыл всю плату лаком.

Для обеспечения бесперебойной работы любого электронного устройства необходимо резервировать питание, или иными словами – вводить в схему дополнительные (резервные) источники электроэнергии. Для гарантированной непрерывной работы требуется как минимум один источник независимого питания. Как правило, это аккумуляторная батарея .

Самое приятное в этой задаче – простота реализации. Для резервирования питания любой маломощной электронной схемы достаточно всего три компонента: выпрямительный диод , резистор и аккумулятор .

Схема резервирования

Схема резервирования питания может выглядеть как-то так:

Рисунок 1. Простая схема резервного питания устройства.

Схема условно состоит из трёх частей: сетевой (левая часть схемы), к выходным клеммам 2-3 которого подключено электронное устройство (правая часть схемы); параллельно с выходом источника питания подключается аккумулятор GB1 через зарядное сопротивление R1 и нагрузочный диод VD1.

Для нормальной работы схемы источника питания должно быть чуть выше номинального напряжения аккумулятора GB1. При недостаточном напряжении источника питания аккумулятор GB1 всегда будет в недозаряженном состоянии, что ускорит ухудшение его характеристик. При напряжении источника питания, значительно превышающего напряжение батареи, будет происходить её перезаряд с преждевременным ухудшением характеристик, и кроме того, при питании устройства от батареи в режиме резервирования питания может наблюдаться недостаток напряжения питания. Это может быть критично для работы схем от стабилизированного питания, не имеющих собственной стабилизации напряжения.

Принцип действия

Представленная к рассмотрению схема имеет два режима работы, которые есть смысл рассматривать:

Нормальный режим питания

Рассмотрим рисунок 2.

Рисунок 2. Нормальный режим питания схемы.

В нормальном режиме сетевой источник питания обеспечивает энергией электронное устройство и параллельно заряжает аккумуляторную батарею GB1 через зарядное сопротивление R1. VD1 в этом режиме заперт, поскольку на его катоде присутствует повышенный потенциал от источника питания, по отношению к электрическому потенциалу анода, подключенному к аккумуляторной батарее. Это исключает возникновение недопустимо большого заряда при сильно разряженной батарее, и перегрузку источника питания. Максимальный ток заряда ограничивает R1. В идеале его нужно подобрать таким образом, чтобы при полном заряде батареи через него протекал ток, равный по величине току утечки батареи.

Стрелками красного цвета показаны токи. Ток источника питания складывается из тока электронного устройства и тока заряда батареи.

Режим резервного питания

Переходим к рисунку 3.

Рисунок 3. Режим резервного питания.

При исчезновении или значительном снижении напряжения со стороны сетевого источника питания, когда электрический потенциал на катоде диода VD1 становится ниже потенциала его анода, подключенного к аккумулятору, диод открывается и через него течёт основной ток нагрузки, питающий устройство. Через R1 так же будет протекать часть тока нагрузки. Ток нагрузки показан стрелками зелёного цвета.

При восстановлении напряжения со стороны сетевого источника питания, электрический потенциал катода снова возрастает, диод запирается, и схема переходит в нормальный режим питания, при котором энергией источника питания снабжается устройство и заряжается аккумуляторная батарея GB1.

Если в данной схеме использовать батарею из обычных гальванических элементов питания, то необходимо исключить из схемы резистор R1 для исключения процесса заряда, к которому они не приспособлены. При расходовании энергии элементов, они подлежат замене на новые.

Обеспечение надежности и бесперебойности электроснабжения имеет первостепенное значение. И, естественно, одним из основных средств решения этой задачи есть автоматизация включения резервного электропитания (АВР). Схемы АВР широко применяются в энергосистемах и распределительных электросетях всех напряжений.

Ниже даются описания трех вариантов выполнения АВР в простых электросетях напряжением до 1000 В, из который больше всего часто придется иметь дело электромонтерам.

Схема АВР в двухпроводных сетях напряжением до 220 В (рис.1) рассчитанная на наличие двух линий, одна из которых является рабочей, другая - резервной, и применяется как в однофазных сетях переменного тока, так и в двухпроводных сетях постоянного тока.

Практическое применение системы двух линий из АВР распространяется на ответственные электросети с небольшой подключенной мощностью токоприемников, как, например, аварийное освещение, цепи управления и сигнализации и др. В случаях питания исключительно ламп накаливания при равенстве напряжений рабочей и резервной линий схема может быть использована совместно для переменного и постоянного токов, например с питанием рабочей линии от источника переменного, а резервного - от источника постоянного тока.

Самая простая схема АВР осуществляется с помощью реле контроля наличия напряжения РКН, контакты которого непосредственно включены в линии рабочего и резервного питания. В двухпроводных сетях переменного тока 220 В в качестве реле РКН может быть применено реле типа ЭП -41/33Б. Контакты этого реле рассчитаны на рабочий ток до 20 А, что при 220 В отвечает мощности 4,4 кВт, достаточной для большинства небольших однофазных установок переменного тока. При постоянном току необходимо выбрать соответствующее реле другого типу, имея при этом в виду, что размыкать цепь при постоянном току значительно труднее, чем при переменном. Следовательно, даже при сравнительно небольших токах придется применить не реле, а контактор с дугогасящими камерами.

Действие схемы показано на мал.1. Реле РКН получает питание от рабочей линии и имеет запирающие контакты в той же линии, что и размыкающие линии резервного питания. Поэтому при наличии питания на рабочей линии реле РКН используется и питание нагрузки осуществляется от нее; резервная линия (независимо от того, есть на ней напряжение или нет) от нагрузки отсоединена. При отсутствии напряжения в рабочей линии происходит переключение контактов реле РКН, то есть размыкаются контакты в цепи питания от рабочей линии и защелкивающиеся в цепи питания резервной.

Рис 1. Схема АВР в двухпроводных сетях.

При возобновлении напряжения на рабочей линии происходит обратное переключение.

Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока к 380/220В без контроля обрыва фаз (рис. 2). Как и в предыдущем случае, схема рассчитана на наличие двух линий, из которых одна рабочая, другая - резервная.

Вообще говоря, схемы АВР в трехфазных сетях переменного тока с электросиловой или смешанной электросиловой и осветительным нагрузками требуют контроля обрыва фаз. Это объясняется тем, что трехфазные электродвигатели не могут работать под нагрузкой на двух фазах: они остановятся, и их обмотки могут сгореть (предохранители в этом случае вовремя не перегорают). Однако в некоторых, но достаточно распространенных случаях необходимость контроля отпадает. Это имеет место при защите линий автоматическими выключателями, которые отключают все три фазы одновременно при любом повреждении в электросети, которая защищается, без предохранителей, и выполнении линий питания трехжильными или четырехжильными кабелями, в которых обрыв одной фазы маловероятен. Отсутствие контроля обрыва фаз позволяет существенно упростить схему АВР.

В противовес описанной выше схеме для двухпроводных сетей, где переключения в цепях рабочей и резервной линий осуществлялись непосредственно контактами реле, в схеме АВР для сетей трехфазного переменного тока как исполнительные органы используются магнитные или пускатели трехполюсные контакторы. Это позволяет существенно расширить область применения схемы, потому что номинальные рабочие токи для магнитных пускателей серии П лежат в пределах от 15 до 135 А, а трехполюсных контакторов (типов КТЭ и КТВ) - от 75 до 600 А.

Режимы работы схемы. В рассмотренной схеме каждое из четырех возможных положений переключателя режимов ПП (пакетный переключатель) определяет один из четырех режимов работы схемы.

Положение АВР-1: линия №1 является рабочей, линия №2 - резервной с автоматическим включением резерва.

Положение АВР-2: линия №2 рабочая, линия №1 резервная с автоматическим включением резерва.

Положение Мест, (местное управление) : переключение линий происходит пакетными выключателями 1В и 2В.

Положение 0 (нуль) : обе линии отключенные от цепи управления контакторами 1К и 2К и лишенные питания.

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению схемы, необходимо обратить внимание на то, что в цепи управления обеими линиями введенные контакты того же переключателя Пп. Потому его контакты, которые отвечают потому или другому положению, в цепях катушек 1К и 2К обоих контакторов замкнуты одновременно. Так, например, при замыкании контакта переключателя 1-7 Линии №1 одновременно оказывается замкнутым контакт 11-13 Линии №2, на что указывают черные кружки на пунктирных линиях АВР-1.

Рис. 2. Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока напряжением к 380/220В без контроля обрыва фаз.

Но контакты 1-3 и соответственно 11-17, а также контакты 1-5 и 11-15 разомкнуты. Контакты 1-3 и 11-17 замкнутся в положении ЛВР-2, при этом контакты 1-7, 11-13, 1-5 и 11-15 будут разомкнуты. Контакты 1-5 и 11-15 замкнуты в положении Мест и, наконец, в положении 0 все контакты разомкнуты, на что указывает отсутствие черных кружков на пунктирной линии 0.

Автоматическая работа схемы. В положении АВР-1, катушка контактора 1К питательного Линии №1 получает питание по цепи 1-7-0. При этом главные контакты 1К замкнуты и нагрузку питает Линия №1, тем временем катушка контактора 2К Линии №2 (цепь которой разомкнута блоком-контактом 1К) лишена питания. Следовательно, Линия №2 отключена от шин и является резервной.

Допустимо теперь, что Линия №1 осталась без напряжения. В этом случае контактор 1К отпустит, его главные контакты отсоединят Линию №1 от шин, а блок-контакт замкнет цепь катушки 2К (11-13- 17-0). Если на Линии №2 есть напряжение, то контактор 2К включится и питание шин возобновится. Другими словами, состоится АВР, то есть автоматическое включение резерва.

При возобновлении питания по Линии №1 создаются обратные переключения, то есть автоматически включится контактор 1К, а потом отключится контактор 2К, потому что при включении контактора 1К его блок-контакт 13-17 размыкает цепь катушки 2К.

Таким образом, рассмотренная схема относится к категории схем из самовозвратом.

Необходимо подчеркнуть, что такое самовозвратом не всегда допустимая, особенно в сложных сетях высокого напряжения. В этих случаях схема возвращается в исходное положение после ряда предыдущих операций, осуществляемых вручную или с помощью телемеханики.

Если переключатель ПП занимает положение АВР-2, то рабочей является Линия №2, а резервная - Линия №1. Катушка контактора 2К включена по цепи 11-17-0, тем временем как катушка контактора К1 отключена блоком-контактом 2К 3-7. При исчезновении напряжения на Линии №2 автоматически включается Линия №1 аналогично описанному выше.

Работа схемы на местном (ремонтному, «ручному») управлении. В положении переключателя Мест цепи АВР разомкнуты. Контактор 1К руководствуется выключателем 1В по цепи 1-5-7-0, контактор 2К. - выключателем 2В по цепи 11-15-17-0. Этот режим предвиден для испытания и проверок действия всего устройства потом или ремонту налаживания, а также на случай неисправности в цепях автоматического управления.

Наконец, положение переключателя 0 отвечает полному отключению как главных цепей, так и цепей управления, что необходимо при ремонтных работах.

Предупредительная сигнализация. Действие АВР возобновляет питание электроустановки по резервной линии, но вместе с тем свидетельствует о нарушении нормального режима работы и необходимости принять меры к устранению причины, что вызывало действие АВР. Поэтому нужно немедленное оповещение дежурного персонала пункта, в ведении которого находится электроустановка, о переключении. Для оповещения служит предупредительная сигнализация, которая особенно необходима для полностью автоматизированных установок, которые работают без дежурного персонала, где ненормальность в питании, которое вызывало действие АВР, может оставаться незамеченной очень долгое время.

Для предупредительной сигнализации используется третий полюс переключателя режимов ПП, через который включенные блоки-контакты 1К и 2К. Схема работает таким способом. При нормальном питании шин цепь предупредительной сигнализации разомкнута.

При автоматическом переключении введений в положение переключателя ПП АВР-1 Линия №2 включится, блок-контакт 2К замкнется, благодаря чему на дежурный пункт подается предупредительный сигнал. В положении переключателя АВР-2 при включении Линии №1 цепь предупредительной сигнализации защелкивающаяся блоком-контактом 1К.

Аварийная сигнализация. Оповещение о полном отключении установки выполняет аварийная сигнализация. Для аварийной сигнализации, которая действует при отсутствии напряжения на обеих линиях, используется специальная цепь с включенными последовательно блоками-контактами контакторов обеих линий. Если хотя бы одна из линий находится в рабочем состоянии, то цепь аварийной сигнализации прервана соответствующим блоком-контактом 1К или 2К. При исчезновении напряжения на обеих линиях оба блоки-контакта окажутся замкнутыми и по цепи аварийной сигнализации будет поданный сигнал на дежурный пункт.

Важное замечание. Рассмотренная схема, так же как рассмотрена ниже схема с контролем обрыва фаз, допускает возможность одновременного питания шин по двум линиям в течение очень короткого времени, необходимого для процесса переключения. Хотя это время вычисляется долями секунды, однако для обеих линий должны быть соблюденные условия рівнобіжної работы (тот же вид тока - постоянный или переменный, равенство напруг, соблюдение фаз).

Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока к 380/220В с контролем обрыва фаз (рис. 3) применяется в случаях, когда возможен обрыв одной или двух фаз без отключения всей питательной линии.

Наиболее часто это возникает в электросетях, защищенных плавкими предохранителями, когда короткое замыкание или перегрузка вызывает перегорание предохранителя лишь в одной или двух фазах. Аналогичное явление возможно при обрыве одного или двух проводов в результате ветра, гололеда, неосторожность обслуживающего персонала и тому подобное

Как и в схеме на рис. 2, шины электроустановки получают независимое одно от одного питания по двум трехфазным линиям, одна из которых является рабочей, а вторая резервной. На введениях линий устанавливаются магнитные пускатели или трехполюсные контакторы.

Выбор режима осуществляется с помощью переключателя режимов ПП, что выполняет той же функции, что и в описанной выше схеме.

Реле контроля обрыва фаз. Для контроля обрыва фаз служит специальное реле типа Е-511 Киевского завода реле и автоматики. Оно состоит из двух электромагнитных реле напряжения: основного реле 2ПП для линии №1 (4ПП для линии №1) и вспомогательного реле 1ПП (3ПП), а также содержит конденсаторы C1, С2 и активные опоры R1 и R2. Как видно из схемы, конденсатор C1 и сопротивление R1 соединены последовательно и включены между фазами А1 и В1 линии №1 (А2, В2 линии №2). Конденсатор С2 и сопротивление R2 также соединены последовательно и присоединены между фазами В1 и С1 (У2, С2).

Величины сопротивлений и конденсаторов подобраны таким образом, что при отсутствии обрыва фаз (нормальный режим) между точками X1 и Y1 для реле линии №1 (Х2 и Y2 для реле линии №2) напряжение равняется нулю. Следовательно, реле 1ПП (3ПП, проходит между точками X1 и Y1 (X2 и Y2), отпущенный и его контакт в цепи реле 2ПП (4ПП) замкнут: реле 2ПП (4ПП) притянуто.

При обрыве одной из фаз симметрия напряжений нарушается. Вследствие этого между точками X1 и Y1 (Х2 и Y2) возникает разница потенциалов, достаточная для срабатывания реле 1ПП (3ПП). При срабатывании реле 1ПП (3ПП) его контакт размыкает цепь катушки реле 2ПП (4ПП), реле отпускает, что, как будет объяснено ниже, приводит к действию АВР.

Рис. 3. Схема АВР в трехфазных сетях переменного тока напряжением к 380/220В с контролем обрыва фаз. Пунктирными линиями обведенные элементы, которые входят в состав реле типа Е-511.

При обрыве двух фаз, например А1 и В1, реле 2ПП также отпускает, потому что оно остается присоединенным только к одной фазе С1. При обрыве фаз У1 и С1 реле 2ПП отпускает, потому что остается присоединенным только на одной фазе А1. И, наконец, при обрыве фаз А1 и С1 реле 2ПП полностью избавляется от питания.

Взаимодействие реле обрыва фаз с схемой АВР. Для приведения схемы в рабочее состояние необходимо переключатель режимов ПП установить в положение АВР-1, а потом включить рубильник 1P. При этом реле 2ПП сработает и включит катушку контактора 1К: на шины будет поданное напряжение от линии №1. Потом нужно включить рубильник 2Р. При включении рубильника 2Р контактор 2К не включится, потому что цепь его катушки уже разомкнута блоком-контактом 11-13 включенного ранее контактора 1К, но реле 4ПП сработает и замкнет свой контакт 15-13.

При перегорании предохранителей и обрыве проводов в одной, двух или трех фазах линий № 1 реле 2ПП отпустит и контактом 1-3 отключит контактор 1К, после чего через блок-контакт, который замкнулся, 1К 11-13 включится контактор 2К: питание шин возобновится от линии №2.

При возобновлении нормального питания по линии №1 схема автоматически вернется в первобытное положение: включится контактор 1КО, после чего отключится контактор 2К.

В положении переключателя ПП АВР-2 будут происходить аналогичные переключения.

Необходимо особенно подчеркнуть следующее:

а) В процессе возобновления питания после действия АВР обе линии кратковременно оказываются соединенными через шины.

б) При переключении переключателя ПП из положения АВР-1 (АВР-2) в положение АВР-2 (АВР-1) возможный перерыв питания шин на время, необходимое для включения контактора 2К (1К).

в) Прежде чем переводить схему на местное управление, необходимо включить выключатель 1В или 2В в зависимости от того, какая линия должна будет продолжать питать шины.

Причины применения в схеме реле типа Е-511. Реле типа Е-511, как видно из приведенного выше описания, являет собой сравнительно сложное устройство, и, естественно, возникает вопрос: или нельзя контролировать обрыв фаз более простыми средствами. Ответ дает рис. 4. На нем показано, что в системах трехфазного переменного тока при наличии присоединенных к сети электродвигателей обрыв одной фазы не вызывает полного отсутствия напряжения в этой фазе со стороны нагрузки. Некоторая часть напряжения в оборванной фазе Uост будет поддерживаться через обмотки неотключенного электродвигателя, и она достаточно большая, чтобы удерживать притянутым якорь простого промежуточного реле (какое с целью осуществления контроля за обрывом фазы должно было бы отпустить). Выходит, контроль даже с помощью трех промежуточных реле не достигает цели.

Рис. 4. Недопустимость контроля обрыва фаз тремя промежуточными реле.

а - при соединении обмоток электродвигателя в звезду; бы - при соединении в треугольник.

Надежный контроль обеспечивается или тремя реле минимального напряжения, значительно более чувственными, чем промежуточные реле, или специальным реле, например типа Е-511.

Источником аварийного питания во многих объектах является аккумуляторная батарея. Для длительного использования батареи ее необходимо регулярно заряжать, сделать это можно с помощью предложенной схемы.

Устройство работает от сетевого напряжения 220В. Во время зарядки аккумулятора тиристор Т1 открыт. При этом напряжение на С1 (R4) ниже порогового напряжения 12-14В стабилитрона Д7, и тиристор Т2 закрыт. Когда напряжение батареи приближается к значению полного заряда, отпирается тиристор Т2, и через делитель напряжения R6-R7 на управляющий электрод Т1 подается запирающее напряжение отрицательной полярности. Т1 закрывается, батарея разряжается и переходит в режим дозарядки малым током, определяемым величиной сопротивления резисторов R1 R2 R3.

Величину зарядного тока можно контролировать амперметром. Повторный заряд батареи начинается автоматически, когда ее напряжение упадет настолько, что тиристор Т2 закроется.

При первом включении схему следует настроить. Это достигается изменением сопротивления R4 до такого значения пока в цепи батареи не появится ток и не откроется тиристор Т1.

В дальнейшем схема в подстройке не нуждается и работает автоматически. Амперметр необходим только для контроля тока подзарядки в момент настройки, после чего его можно заменить на перемычку.

Литература - Бастанов В.Г. 300 практических советов. Москва: Издательство «Московский рабочий», 1982

• Похожие статьи

Ни одно электронное устройство не может быть застраховано от внезапного пропадания питания. Особенно, если речь идёт о сетевом напряжении 220 В и дело происходит в сельской местности. Для повышения надёжности стараются предусмотреть запасной источник энергии. В идеальном случае он должен при аварии автоматически включаться в работу, причём самостоятельно, без участия человека.

Для резервирования обычно используют сменные батареи и аккумуляторы. При батарейном питании желательно применять «алкалиновые» гальванические элементы (Alkaline). Они имеют большую ёмкость, низкий саморазряд, правда, и по цене дороже. Отличить, что есть что, можно по маркировке на корпусе, например, «R6» (обычная батарея типоразмера АА) и «LR6» (то же самое, но Alkaline).

Специфика современных МК заключается в том, что они могут программно переходить в энергосберегающий ждущий режим SLEEP с очень малым потреблением тока. Это позволяет вместо батарей/аккумуляторов использовать электролитические конденсаторы большой ёмкости или, ещё лучше, ионисторы.

Первые ионисторы были разработаны в 1966 г. фирмой Standard Oil Company. Они представляют собой специальные накопительные конденсаторы с органическим электролитом. Типовая ёмкость достигает 0.1...50 фарад при рабочем напряжении 2... 10 В. Для справки, ёмкость Земли (шара размером с Землю, как уединённого проводника) составляет всего лишь 0.0007 фарад.

Ионисторы известны в зарубежной технической литературе как конденсаторы с двойным электрическим слоем (Double-Layer capacitors), суперконденсаторы (SuperCaps), резервные конденсаторы (Backup capacitors). Встречаются и фирменные названия: UltraCap (EPCOS), Gold Capacitors (Panasonic), DynaCap (ELNA), BOOSTCAP (Maxwell Technologies). В странах СНГ используется устойчивый термин «ионистор», отражающий другую особенность этих приборов — участие ионов в формировании заряда.

Современные ионисторы условно делятся на три группы в зависимости от рекомендуемого в даташите длительного тока нагрузки:

• Low current (низкий ток, меньше 1.5 мкА);
• Medium current (средний ток, от 1.5 мкАдо 10 мА);
• High current (большой ток, от 10 мА до 1 А).

Рабочее напряжение ионисторов подчиняется ряду: 2.5; 3.3; 5.5; 6.3 В.

На Рис. 6.16, а...т показаны схемы организации бесперебойного питания.

Рис. 6.16. Схемы организации бесперебойного питания (начало):

а) диоды VDI, VD2 служат для развязки каналов, чтобы ток из основного источника не перетекал в резервный, и наоборот. Если два источника питания разные по величине, то основным будет канал с более высоким напряжением. При абсолютном равенстве питающих напряжений диод Шоттки в резервном канале следует заменить обычным кремниевым диодом 1N4004.

б) развязывающие диоды VDI, VD2 включаются до (а не после) стабилизатора напряжения DA 1. Основное питание поступает через обычный диод VD1 (чтобы на нём рассеивалось побольше мощности), а резервное батарейное — через диод Шоттки VD2 (чтобы напряжение на входе стабилизатора DA I было как можно выше);

в) диоды VD2...VD4 включаются после (а не до) стабилизатора DA 1;

г) диод VD2 позволяет организовать дополнительный источник отрицательного напряжения -0.7 В, который, однако, перестаёт функционировать с переходом на резервное питание от батареи GB1. Диод Шоттки VD1 можно заменить обычным кремниевым диодом КД102А;

д) ионистор С J позволяет «на ходу» производить замену истощившихся батарей GBl, GB2, не прерывая питание МК достаточно длительное время. Если напряжение на ионисторе снижается медленно, то М К не требует рестарта. Резистор RI ограничивает ток заряда ионистора;

Рис. 6.16. Схемы организации бесперебойного питания (продолжение):

е) стабилизатор DAI ограничивает начальный ток заряда резервного ионистора СЗ на уровне не более 100 мА. Для справки, большой ток, начиная примерно с 250 мА, может повредить иони-стор. Диод VDI снижает выходное напряжение на 0.2 В. Кроме того, при отключении основного питания он не даёт разряжаться ионистору СЗ через выходные цепи внутри стабилизатора DA1

ж) транзистор VT1 выполняет функцию развязывающего диода наравне с «настоящим» диодом VD1, но имеет меньшее падение напряжения «коллектор — эмиттер» в открытом состоянии (0.1...0.15 В вместо 0.2 В). Основное питание +5 В(1), резервное питание +5 В(2);

з) аналогично Рис. 6.16, ж, но на полевом транзисторе VT1, при этом падение напряжения на открытом переходе «сток — исток» будет меньше, чем у биполярного транзистора при прочих равных условиях;

и) накопительный конденсатор C1 поддерживает некоторое время работоспособность МК при отключении батареи GB1. Длительность аварийного функционирования зависит от ёмкости и тока утечки конденсатора C1, а также от тактовой частоты МК и его способности устойчиво работать при пониженном питании;

к) благодаря диодному мосту VDI... VD4, входное напряжение 9... 12 В может быть как постоянным (DC), так и переменным (АС);

Рис. 6.16. Схемы организации бесперебойного питания (продолжение): л) резервный ионистор С2 некоторое время поддерживает напряжение в цепи +4.8 В (к которой подключается МК) при снятии основного питания +11 В от сетевого источника. Транзисторы VTI, VT2 не дают разряжаться ионистору через внутреннее сопротивление микросхемы DAI и нагрузку в цепи +5 В;

м) светодиод HL1 индицирует питание только в том случае, когда работает резервная батарея GB1. Резистором R1 устанавливается требуемая яркость свечения. При замыкании контактов переключателя SAI питание поступает от основного источника +5 В, при этом диод VD1 и транзистор VT1 закрываются и светодиод HL1 гаснет;

н) основной канал питания — это пальчиковые батареи GBl, GB2, а резервный канал — литиевый аккумулятор GB3. При отключённых батареях GBl и GB2 МК будет получать питание от аккумулятора GB3, находясь в дежурном режиме, поскольку внешние исполнительные устройства (цепь +3.2 В) будут обесточены. Диод VD1 не позволяет разряжаться аккумулятору GB3 через нагрузку, подключённую к цепи +3.2 В;

о) в исходном состоянии питание устройства производится от трёх батарей GB1...GB3, при этом индикатор HL1 светится зелёным цветом. При подаче внешнего питания +5 В срабатывает реле К1, контакты К1.1 замыкаются, батареи отключаются, индикатор HL1 светится красным цветом. Если вместо красного наблюдается жёлтый цвет индикатора, то следует последовательно с выводом «G» светодиода включить диод типа КД522Б катодом к HL1. Резистор R1 уменьшает ток потребления по цепи +5 В, однако, при неустойчивом срабатывании реле этот резистор можно заменить перемычкой; О

Рис. 6.16. Схемы организации бесперебойного питания (окончание): п) резервный аккумулятор GB1 постоянно подзаряжается небольшим током через резистор R1. Стабилитрон VD6 совместно с диодом VD7 ограничивают напряжение на аккумуляторе на уровне +13.7 В. Диоды VD4, VD5 открываются только при снятии основного питания +16 В. Диоды VD3, VD8 небходимы, поскольку ёмкость конденсаторов на выходе стабилизаторов DAI, DA2 больше, чем на входе (сравнить C1 и CJ, СЗ и С4)

р) питание +5 В является основным, а питание от литиевой батареи/аккумулятора GBI — резервным. На выход OUT поступает большее из двух напряжений, подаваемых на входы VCC и ВАТ микросхемы DA1. При снижении напряжения на выводе VCC ниже +4.75 В (подстраивается резистором R2), на выходе PFO формируется НИЗКИЙ уровень. Это система раннего предупреждения о неполадках в питании, чтобы МК мог переключиться на резервный источник. При снижении напряжения на выводе VCC ниже +4.65 В, генерируется импульс сброса RES;

с) аналогично Рис. 6.16, р, но с резервным питанием от ионистора C1. Сигнал сброса RES поступает на вход прерывания INT, поскольку аппаратно сбрасывать МК не обязательно из-за плавного снижения напряжения OUT;

т) ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем с выхода МК питание коммутируется или от цепи +5 В, или от резервного аккумулятора GB1, который подзаряжается небольшим током через элементы VDI, R4. При пропадании питания +5 В аккумулятор GB1 включается автоматически, при этом в МК надо произвести сброс, поскольку он может «зависнуть» при резком скачке напряжений.