Zasilacz buforowy 12 V z akumulatorem

Rolą zasilaczy buforowych jest nieprzerwane dostarczanie energii elektrycznej do określonego odbiornika. Najpopularniejszym rodzajem takiego urządzenia jest zasilacz awaryjny UPS, gdzie magazynem energii są akumulatory. Ale nie zawsze istnieje konieczność stosowania tak rozbudowanych rozwiązań.

Zasilacze typu UPS dają na swoim wyjściu napięcie odpowiadające temu, jakie można znaleźć w gniazdku elektrycznym, czyli sinusoidalnie zmienne o wartości skutecznej 230 V. W przypadku konieczności podtrzymania „przy życiu” chłodziarki czy telewizora, jest to konieczne. Jednak jest spora grupa urządzeń, które tego nie potrzebują.

Można do nich zaliczyć szeroką gamę routerów sieciowych, rejestratorów wideo, central alarmowych, systemów inteligentnego budynku itd., które są zasilane napięciem stałym o wartości 12 V. W wielu przypadkach można je zasilać wprost z akumulatora żelowego. Wystarczy tylko zadbać o samoczynne przełączenie między zasilaczem a wspomnianym akumulatorem oraz o prawidłową konserwację samego akumulatora, w tym o uniemożliwienie nadmiernego rozładowania. Wszystkie te zadania realizuje opisany układ.

Budowa i działanie

Działanie niniejszego urządzenia polecam rozpocząć od analizy jego schematu blokowego, który został pokazany na rysunku 1. Znajdujące się na nim bloki i połączenia mają swoje odzwierciedlenie w schemacie ideowym.

Rysunek 1. Schemat blokowy układu

Na wejściu obu źródeł zasilania – zasilacza sieciowego i akumulatora, znajduje się selektor, który dokonuje wyboru jednego z nich. Priorytet ma tutaj zasilacz sieciowy, aby możliwie jak najmniej korzystać z energii zgromadzonej w akumulatorze. Wyjście selektora można odłączać przełącznikiem mechanicznym, co jest równoznaczne z odłączeniem zasilanego urządzenia. Gdyby nie on, konieczne byłoby stosowanie podwójnego przełącznika, z oddzielnymi sekcjami dla akumulatora i zasilacza.

Monitor napięcia sprawdza, czy jest ono dostatecznie wysokie. Jeżeli nie, odcina wyjście. Przede wszystkim chroni to akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jednak jego ulokowanie w tym miejscu schematu, czyli tuż przed wyjściem, powoduje, że kontroluje on również napięcie podawane przez zasilacz. Gdyby jego wartość spadła zanadto, wskutek np. uszkodzenia, zasilany układ również zostanie odcięty.

Obwód odpowiedzialny za ładowanie akumulatora przetwarza napięcie z zasilacza (w momencie, kiedy jest on podłączony) na wyższe, a następnie ładuje nim akumulator. Ładowanie odbywa się w trybie stałego prądu, a później stałego napięcia (constant current/constant voltage, CC/CV).

To najpowszechniejszy algorytm ładowania akumulatorów kwasowych. Prąd ładowania wynosi około 0,28 A, a napięcie końcowe około 13,8 V.

Dioda LED1 swoim świeceniem sygnalizuje, że akumulator jest naładowany, ponieważ napięcie na nim osiągnęło wartość docelową. Kiedy pozostaje zgaszona, ładowanie trwa. Ładowarka pracuje cały czas i podtrzymuje w tym czasie napięcie. Wyłącza się dopiero wtedy, kiedy zanika napięcie pochodzące z zasilacza.

Rysunek 2. Schemat ideowy układu

Schemat ideowy układu został pokazany na rysunku 2. Nie zawiera układów programowalnych, więc jego analiza nie będzie zbyt skomplikowana.

Selektorem źródeł jest zwykły przekaźnik elektromagnetyczny. Jego cewka jest zasilana z zasilacza. Kiedy na zaciskach złącza J1 pojawia się napięcie, styki ulegają przełączeniu: do wyjścia dołączany jest zasilacz, a akumulator zostaje podłączony do ładowarki. Kiedy napięcie z zasilacza zniknie, do wyjścia – przez styki NC – podłączany jest akumulator. Dzięki temu, pobór prądu z akumulatora jest zerowy, zaś kilkanaście miliamperów więcej dla zasilacza sieciowego nie stanowi żadnej różnicy.

Wyjście układu jest odcinane przełącznikiem, który podłącza się do zacisków złącza J3. Jeżeli nie ma takiej konieczności, można wkręcić w te zaciski odcinek grubego przewodu, żeby je trwale zewrzeć.

Monitorowanie napięcia podawanego przez akumulator lub zasilacz odbywa się przy użyciu prostego układu z komparatorem. Aby maksymalnie zredukować pobór prądu, użyto komparatora typu TS391. Przy napięciu zasilania rzędu 12 V i w temperaturze 25°C, pobiera około 0,3 mA prądu zasilania. To bardzo ważne, ponieważ ten prąd będzie cały czas wypływał ze źródła zasilania, nawet wtedy, kiedy napięcie na nim będzie niedostatecznie wysokie.

Napięcia referencyjnego o wartości 2,5 V dostarcza dobrze znany układ typu LM385. W odróżnieniu od tańszego TL431, ten wymaga tylko 10 µA prądu zaporowego do poprawnego działania. Tutaj rezystor R3 zapewnia około 90 µA, aby pracował prawidłowo nawet przy mocno obniżonym napięciu zasilającym. Porównywanie napięcia referencyjnego z zasilającym, które jest zmniejszone przy użyciu dzielnika, przełącza tranzystor wyjściowy. Jednak, jak pokazuje praktyka, trzeba w tym przełączaniu dodać pewną histerezę, aby nie dochodziło do częściowego otwarcia tranzystora. Realizują to rezystory R4 i R5.

Załączenie zasilanego urządzenia jest możliwe po otwarciu tranzystora polowego T1. Jest wpięty w konfiguracji wspólnego źródła, więc do jego otwarcia wystarczy zmniejszyć potencjał bramki niemal do zera. Dzieje się to po nasyceniu tranzystora, który obsługuje wyjście komparatora.

Rezystor R6 polaryzuje ów tranzystor, aby miał skąd płynąć prąd kolektora. Zwiększa on pobór prądu o ponad 1 mA, ale przecież podłączone urządzenie może pobierać o wiele, wiele więcej.

Czemu nie został zastosowany prostszy układ monitora napięcia, z układem TL431 w roli komparatora z wbudowanym źródłem napięcia referencyjnego? Powód jest bardzo prosty: progi przełączenia zbyt silnie zależą od natężenia pobieranego z tranzystora MOSFET prądu. Im większy, tym wyższe musi być napięcia bramka-źródło, aby taki tranzystor zaczął przewodzić. To wpływa na szerokość pętli histerezy.

Ponieważ w tym układzie nie znamy natężenia prądu pobieranego przez obciążenie, musiał zostać zaimplementowany układ, który byłby niewrażliwy na ten parametr. Użycie zewnętrznego komparatora uniezależnia zmianę potencjału jego wyjścia od napięcia bramka-źródło tranzystora T1.

W roli ładowarki akumulatora kwasowego wystąpił bardzo prosty tandem: przetwornica podwyższająca napięcie + układ stabilizatora liniowego, który je obniża. Takie rozwiązanie jest bardzo proste i stosunkowo tanie, chociaż nie cechuje się wysoką sprawnością. Jeżeli jednak prąd ładowania nie jest zbyt wysoki, można się z tym pogodzić, uzyskując w zamian bardzo prosty i pewny w działaniu układ.

Jako przetwornica podwyższająca pracuje układ MC34063A w swojej typowej aplikacji. Napięcie wyjściowe wynosi 20 V, ponieważ musi uwzględniać spadek napięcia na elemencie regulacyjnym przy niemal całkowicie naładowanym akumulatorze.

Elementem ograniczającym natężenie prądu w pierwszej fazie ładowania jest źródło prądowe na układzie LM317. Połączone szeregowo rezystory R12 i R13 ustalają prąd ładowania. Odkłada się na nich napięcie 1,25 V, sam LM317 wymaga ok. 3 V spadku napięcia. Napięcie na zaciskach ładowanego akumulatora jest cały czas nadzorowane przez układ TL431. Kiedy będzie ono już dostatecznie wysokie, przez katodę układu zacznie płynąć prąd. Jego źródłem będzie węzeł zawierający wejście ADJ układu LM317. Rezystor R14 ogranicza prąd diody LED i, tym samym, katody układu TL431. Działanie tego obwodu można łatwo wyjaśnić: kiedy napięcie jest niskie, dioda nie świeci, ponieważ z wymienionego wyżej węzła nie jest pobierany prąd. Spadek napięcia na R14 jest niemal zerowy. Jeżeli napięcie wzrośnie powyżej progu zadziałania TL431, z rezystora R14 zaczyna być pobierany prąd, co „oszukuje” LM317, ponieważ musi on tak ustawić swój element regulacyjny, aby przez R12 i R13 płynął mniejszy prąd. Suma spadków napięć na R12, R13 i R14 musi wynosić 1,25 V, ponieważ wynika to z zasady działania układu LM317.

W skrajnej sytuacji, układ TL431 pobierze prąd o natężeniu ok. 12 mA. Stanie się tak, gdy niemal całe napięcie 1,25 V będzie odłożone na R14, zaś przez R12 i R13 będzie płynął prąd o niemal takim samym natężeniu. Akumulator nie będzie wtedy ładowany, ponieważ cały prąd z wyjścia LM317 zostanie pobrany przez TL431.Zwiększając sztucznie napięcie na R14, doprowadzamy do ograniczenia prądu wyjściowego. Następuje wtedy przejście do drugiego etapu ładowania – utrzymywanie stałego napięcia.

Rysunek 3. Szczegóły działania obwodu ładującego akumulator

Rozpływ prądów i wartości napięć (z pewnymi zaokrągleniami) na elementach pokazuje rysunek 3. Jego lewa strona obrazuje sytuację ładowania akumulatora stałym prądem (CC), a prawa, stałym napięciem (CV). Założono, że wejście ADJ układu LM317 pobiera prąd bliski zeru, co jest prawdziwe w odniesieniu do pozostałych prądów w tym węźle.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 65×40 mm. Wzór ścieżek oraz schemat montażowy został pokazany na rysunku 4. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się otwory montażowe o średnicy 3,2 mm.

Rysunek 4. Schemat montażowy i wzór ścieżek płytki

Montaż należy rozpocząć od elementów lutowanych powierzchniowo (SMD). Są zlokalizowane wyłącznie na wierzchniej stronie płytki. Potem można wlutować elementy THT, według ich rosnącej wysokości.

Jeżeli układ został zmontowany prawidłowo, można go podłączyć według schematu z rysunku 1. Nie wymaga jakichkolwiek regulacji czy innych czynności uruchomieniowych.

Eksploatacja

Napięcie odłączenia wyjścia wynosi około 11,2 V, a załączenia 11,8 V – są to wartości zmierzone w egzemplarzu prototypowym. Oznacza to, że użyty zasilacz sieciowy musi dawać napięcie wyższe od 11,8 V, również pod obciążeniem, aby układ mógł działać prawidłowo.

Warto zwrócić uwagę na grubość przewodów połączeniowych oraz ich długość. Powinny mieć możliwie małą rezystancję. Jeżeli prąd pobierany przez zasilane urządzenie byłby na tyle wysoki, że jego załączenie powodowałoby spadek napięcia na wejściu poniżej 11,2 V, układ odłączy obciążenie, co spowoduje szybki wzrost napięcia powyżej 11,8 V. Powstanie zamknięty cykl, układ wpadnie w oscylacje.

Napięcie, do którego ładowany jest akumulator, powinno teoretycznie wynosić 13,8 V. W prototypie uzyskano wartość 13,82 V. Takie warunki nie dopuszczają do gazowania akumulatora w temperaturze pokojowej lub zbliżonej do niej. Maksymalny prąd ładowania wynosi, jak wspomniano wcześniej, 0,28 A.

Prąd pobierany z zasilacza 12 V zależy od stanu naładowania akumulatora. W pierwszej fazie ładowania należy liczyć się z poborem prądu bliskim 0,6 A. Z kolei, po pełnym naładowaniu, kiedy tylko jest podtrzymywane napięcie, pobór prądu spada do 60 mA. Nie uwzględnia to prądu pobieranego przez zasilane urządzenie. Z akumulatora pobierany jest prąd o zdecydowanie mniejszym natężeniu. Kiedy wyjście jest załączone, wynosi on ok. 1,6 mA. Po odłączeniu wyjścia, kiedy napięcie jest niewystarczająco wysokie, pobór prądu spada do 0,4 mA.

Ogólne zalecenia dotyczące użytkowania akumulatorów żelowych nakazują rozpoczęcie ładowania w przeciągu kilkunastu godzin od rozładowania do zadanego w tym układzie progu. W przeciwnym razie, może dojść do zasiarczenia ołowianych płyt, co ma negatywny wpływ na pojemność.

Bardziej szczegółowych danych należy szukać w nocie katalogowej określonego modelu akumulatora.

Szerokość ścieżek oraz parametry użytych elementów pozwalają na podłączenie do zacisków złącza J4 urządzenia, które pobiera prąd rzędu 5 A.

Jeżeli wokół elementów będzie swobodny przepływ powietrza, a temperatura nie przekroczy znacząco wartości typowej dla pomieszczeń (25°C), tranzystor T1 nie wymaga dodatkowego chłodzenia. Układ LM317 (US4) będzie rozpraszał nawet kilka watów w początkowej fazie ładowania, więc jemu polecałbym dodać niewielki radiator. Może to być, na przykład, A22139 o wymiarach 30×30 mm.

Pełne naładowanie akumulatora będzie sygnalizowane świeceniem diody LED1. Może się okazać, że podczas ładowania akumulatora o zwiększonym prądzie upływu, nie zacznie ona świecić pełną jasnością. Jednak różnica między napięciem aktualnym a docelowym wyniesie kilkanaście miliwoltów, co wynika ze skończonego wzmocnienia układu TL431. Można to uznać za zakończone naładowanie akumulatora.

Michał Kurzela, EP