Источники питания. Часть 1 — Батарейное и сетевое питание

С батарейками тут все просто, если соединить их последовательно, цепочкой от плюса к минусу, то напряжение складывается. А если связать параллельно, объединив все плюсы и все минусы, то получим увеличение емкости батареи. Главное тут, чтобы все батареи имели равную свежесть. А то если в такой связке попадется одна полудохлая, с более низким напряжением, то остальные через нее тут же подсядут до ее уровня.

Особой любовью у меня пользуются батарейки от материнских плат. Так как 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 девять-двенадцать 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 двенадцати вольтовую батарейку, а купить матрас китайских таблеток по рублю за штуку и смотать их скотчем.
Еще классными батарейками снабжались кассеты от фотоаппаратов Polaroid. Она была плоской, выдавала девять вольт и обладала чумовой энергоемкостью, их особенно любили фрикеры, изготовлявшие подслушивающие устройства. Так как такую батарейку, вместе с жучком было легко сделать в виде картонки, которая закидывалась куда-нибудь за шкаф и работала порой до двух трех месяцев.

Способы включения батарей

Аккумуляторы

Работа диодного моста

Блок питания на LM7805

С Никель металло-гидридными (NiMH, пальчиковые аккумуляторы) батареями попроще, там надо только ограничивать зарядный ток, что реализуется микросхемой MAX712 это специальный чип, заточенный для изготовления зарядных устройств под NiMH аккумуляторы.

Для долговременного питания, особенно когда габариты и вес не имеют значения, то 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 зарядного устройства им не надо. В простейшем случае, для заряда такого аккумулятора его надо подсоединить к источнику питания, выдающего напряжение чуть выше номинала аккумулятора, вольта на полтора. Ну еще нужно токоограничивающий резистор ом на сто поставить, только брать надо резистор помощней, ватта на два. Они здоровые такие, керамические.

Самое главное, не подавать на такой аккумулятор напряжение намного более чем его номинал – вскипит и взорвется.

Неиссякаемая сила розетки

Зачастую нужен стационарный источник питания или же девайс, которому нужно работать долгие месяцы. Тут на помощь приходит блок питания и неиссякаемая 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. Вот тут приходится городить преобразователи и выпрямители.

Понижаем!
Самый простой путь, можно сказать классика жанра, это 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. Трансформатором можно поживиться в каком нибудь старом блоке питания, главное не перепутать обмотки высокого и низкого напряжения. Так что когда будешь выдирать из хлама трансформатор, то запомни каким местом он подключался к розетке, а где у него был выход. Обмотки можно определять тестером в режиме замера сопротивления. У обмотки высокого напряжения сопротивление выше. И обязательно замерь тестером напряжение на выходе трансформатора, не забыв при этом поставить тестер на измерение переменного напряжения.
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.
Еще есть такой тип как импульсные трансформаторы, его ты найдешь в комповом блоке питания, он 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 двести двадцать 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. Так как у классического низкочастотного трансформатора, с увеличением передаваемой мощности резко возрастают необходимые размеры магнитопровода. Именно поэтому старые телевизоры такие тяжелые – там много мощных низкочастотных трансформаторов.

Выпрямляем!

Так, допустим, трансформатор ты воткнул, напряжение уменьшил, однако остается еще одна проблема – напряжение то переменное! Что делать? Тут есть два пути, первый это 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. Сделать это может 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, потом обратно. И так пятьдесят раз в секунду (если мы говорим о розетке, где частота 50Гц).

Если поставить один диод на его пути, то ток сможет идти только по одному пути, вот и будет, что у тебя пол периода ток идти будет – прямое направление для диода, а пол периода идти не будет вообще, т.к. диод не даст. Импульсы будут, короче. 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. Так и работает диодный мостовой выпрямитель. Подобная сборка 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 мануалы 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.

Стабилизируй это!

Но обычно одного трансформатора и выпрямителя мало. Необходимое напряжение может быть совершенно разным, а найти трансформатор под нестандартное напряжение сложно, они обычно на выходе имеют от семи до двадцати вольт, а нам зачастую надо пять, а то и три вольта. Да и напряжение выхода с трансформатора зависит от напряжения питающей сети, а оно далеко не всегда двести двадцать вольт. Поэтому тут потребуется стабилизатор. Стабилизатор это такая схема, задача которой всегда поддерживать выходное напряжение равным определенной величине, вне зависимости от того, что на входе. Обычно стабилизатор работает на понижение, т.е. 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 это LM7805 или просто 7805, а в простонародье КРЕНка, названый так в честь микросхемы КР142ЕН5А. Буржуи его еще называют Linear. Его главное достоинство в том, что он стоит крайне дешево, имеет совершенно элементарную схему подключения и надежен как кувалда. Выглядит он как черная фиговина с тремя ножками (впрочем, существуют и другие виды корпусов, этот просто 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 побольше – 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, остальное это недостатки.
Самый главный это низкий КПД. Суть его работы в том, что 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. Вот эта моща раскалит КРЕНку докрасна, разумеется выведя ее из строя. Поэтому на них приходится здоровенные радиаторы, рассеивающие излишнее тепло. Разумеется, батарейку этот обогреватель будет жрать будь здоров, так что для мобильных применений он мало пригоден, разве что в качестве нагрузки будет что либо совсем маломощное, например, микроконтроллер, жрущий какие то считанные миллиамперы, тогда этими потерями можно и пренебречь. Но нежелательно.

Наивысший КПД среди стабилизаторов имеют импульсные стабилизаторы на основе широтно импульсного моделирования (ШИМ) о которых я расскажу несколько позже.