Схемы бесперебойного питания для устройств на микроконтроллерах

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.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.