Zasilacz buforowy do przedwzmacniaczy gramofonowych

Zasilacz składa się z baterii ogniw NiMH oraz inteligentnego układu ładowania. Podczas korzystania z zasilanego przedwzmacniacza (odsłuchu audio), urządzenie to jest zasilane z baterii akumulatorów, a gdy użytkownik nie słucha muzyki, akumulatory są doładowywane. Dzięki takiemu rozwiązaniu nasz przedwzmacniacz – urządzenie najbardziej wrażliwe na zakłócenia sieciowe w całym torze audio – nie jest w żaden sposób podłączony do sieci energetycznej. Takie rozwiązania stosowane są w sprzęcie audio o najwyższych parametrach.

Mikroprocesor nadzoruje proces ładowania ogniw po każdym powrocie do stanu spoczynku, aby w każdej chwili możliwe było ponowne zasilanie toru audio z baterii akumulatorów. Mikrokontroler nie dopuszcza do przeładowania ogniw oraz do ich zbyt głębokiego rozładowania. Jeśli użytkownik korzysta na tyle długo z ogniw, że doprowadzi do ich rozładowania, urządzenie automatycznie zacznie ładować ogniwa i przełączy zasilanie przedwzmacniacza na zasilacz sieciowy, aby nadmiernie nie rozładować ogniw.

Wszystkie stany pracy urządzenia sygnalizowane są dwukolorową diodą LED.

Czas, przez który można korzystać z zasilania z ogniw, wynika z pojemności akumulatorków (2000 mAh) oraz z wartości prądu pobieranego przez przedwzmacniacz. Jeśli przedwzmacniacz jest wykonany w tradycyjnej technologii półprzewodnikowej (z elementów dyskretnych lub układów scalonych), to pobierany przez niego prąd jest mniejszy niż 100 mA – a to oznacza, że w pełni naładowane ogniwa wystarczą na 20 godzin pracy. Jeśli natomiast korzystamy z przedwzmacniacza lampowego, którego pobór prądu wynosi np. 700 mA, pojemność ogniw wystarczy na ponad 2,5 godziny pracy.

Schemat ideowy urządzenia znajduje się na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy zasilacza buforowego

Cały układ zasilany jest napięciem 12 V DC. Nominalne napięcie dziesięciu ogniw to 12 V, ale w trakcie ładowania mogą one osiągnąć napięcie nawet 14,3 V – do tego należy wziąć pod uwagę spadek napięcia na źródle prądowym, które ładuje owe ogniwa. To wszystko powoduje, że konieczne było zastosowanie konwertera, który podniesie napięcie zasilania. Układ ten zbudowano w oparciu o scalony kontroler MC34063 (IC4), współpracujący z dławikiem L1 i kondensatorem C2, który ładowany jest do napięcia 18 V. Wartość ta ustalana jest przez dzielnik rezystancyjny R2 i R8.

Bateria ogniw ładowana jest z dwóch źródeł. Pierwsze to rezystor R9 załączany przez mikrokontroler za pośrednictwem tranzystorów T3 i T8. Przy naładowanych akumulatorach zapewnia on doładowywanie prądem spoczynkowym (gwarantującym pełne ich naładowanie bez możliwości nadmiernego przeładowania) o wartości około 115 mA (0,06 C). Drugim źródłem jest układ IC2 wraz z rezystorami R3 i R4, załączany przez mikrokontroler tranzystorami T1 i T2. To główne źródło prądu ładujące akumulatory prądem I=Vref(IC1)/(R3+R4), czyli około 220 mA (około 0,1 C).

Procesem automatycznego ładowania, nadzorowaniem napięcia baterii oraz sterowaniem napięciem wyjściowym zajmuje się mikrokontroler IC1 – ośmionóżkowy PIC12F675. Port GPIO1 (IC1) jest ustawiony jako wejście przetwornika ADC. Przez dzielnik rezystancyjny R14 i R15 mikrokontroler dokonuje pomiaru napięcia baterii. Wykrywa w ten sposób stany: rozładowania, normalnej pracy i ładowania. Generalnie za rozładowane ogniwo uważa się takie, którego napięcie jest niższe niż 1,05 V. Nie należy takiego ogniwa dłużej rozładowywać, gdyż może to skutkować skróceniem jego żywotności. Ogniwo w pełni naładowane może osiągnąć napięcie 1,43 V bez „uszczerbku na zdrowiu”, a napięcie nominalne to 1,2 V.

Ponieważ niepozorny mikrokontroler ma jedynie osiem wyprowadzeń, z czego dwa tracimy na zasilanie, a jedno na obsługę przycisku włącznika (port GPIO3 może być tylko wejściem cyfrowym lub wejściem RESET), do dyspozycji pozostaje pięć wolnych wyprowadzeń – za mało na zapewnienie pełnej funkcjonalności opisywanego układu. Dlatego dodano rejestr szeregowo–równoległy IC5 typu 4094. Do jego wyjść podłączone są: dwukolorowa dioda LED2 ze wspólną anodą, klucz tranzystorowy T6+T7, który włącza na wyjście układu baterię akumulatorów, a także klucz tranzystorowy T4+T5 podający na wyjście układu napięcie z zasilacza zewnętrznego. Ponadto wyjścia Q3 i Q8 układu IC5 sterują ładowaniem akumulatorów.

Linia GPIO0 mikrokontrolera (pin nr 7) pracuje w trybie wejścia przetwornika ADC i mierzy napięcie odkładające się na rezystorze R6, proporcjonalne do prądu pobieranego przez zasilany przedwzmacniacz. Masa zasilania przedwzmacniacza podłączona jest właśnie przez rezystor R6. Jeśli zasilany przedwzmacniacz pobierałby prąd 100 mA, na porcie GPIO0 mikrokontrolera pojawiłoby się napięcie 10 mV – to niewiele, ale przy 10-bitowym przetworniku ADC to 2 bity, więc może to być zauważone przez mikrokontroler. Z reguły przedwzmacniacze oparte na wzmacniaczach operacyjnych lub elementach dyskretnych nie mają zresztą włącznika zasilania i w tym przypadku pomiar poboru prądu przez przedwzmacniacz nie ma sensu. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku przedwzmacniaczy lampowych, których typowy pobór prądu to kilkaset miliamperów. Pomiar tak znacznego natężenia pozwala jednoznacznie ustalić, kiedy przedwzmacniacz został włączony (a zatem – kiedy użytkownik chce słuchać muzyki) i należy przełączyć zasilanie na baterię ogniw.

Mikrokontroler zasilany jest za pomocą tradycyjnego stabilizatora szeregowego IC3 typu LM78L05.

Montaż

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 100×58 mm (rysunek 2). Montaż należy rozpocząć od mikrokontrolera w obudowie SO-8. Można przylutować zaprogramowany układ lub wgrać program po zamontowaniu mikrokontrolera na PCB.

Rysunek 2. Schemat montażowy płytki drukowanej zasilacza (a – strona TOP, b – strona BOTTOM)

Programowanie przed montażem wymaga kosztownej podstawki, zatem dużo łatwiej jest – już po przylutowaniu mikrokontrolera na PCB – podłączyć 4 przewody z programatora do punktów GND, MCLR, GPIO0, GPIO1 i wgrać program.

Po zamontowaniu mikrokontrolera należy przylutować pozostałe elementy SMD (oprócz rezystora R9). Na końcu należy zamontować komponenty przewlekane. Po zakończeniu montażu warto w pierwszej kolejności sprawdzić, czy po włączeniu układu na kondensatorze C2 mamy napięcie 18 V (co potwierdza poprawne działanie konwertera). Następnie, jeszcze przed podłączeniem baterii akumulatorów, warto w miejsce ogniw włączyć amperomierz. Powinien on wskazać około 220 mA – oznacza to poprawne działanie źródła prądowego IC2 w układzie ładowania akumulatora. Następnie można wlutować R9 i podłączyć baterię akumulatorów.

Do złożenia „pakietu” można użyć dostępnych w sprzedaży koszyków, podłączając np. dwa koszyki na 4 akumulatorki i jeden koszyk podwójny. Trzeba jednak mieć świadomość, że jakość wykonania typowych koszyków pozostawia wiele do życzenia. Rezystancja łączeń jest na tyle wysoka, że przy procesie ładowania może powodować wzrost napięcia odczytywanego przez mikrokontroler i wyłączać ładowanie zanim akumulatory osiągną 100% swej pojemności. Warto zastanowić się nad przylutowaniem odpowiedniego pakietu akumulatorów lub obniżeniem rezystancji połączeń zastosowanych koszyków.

Podłączenie

Urządzenie jest przystosowane do współpracy z zasilaczem sieciowym, który należy podłączyć do gniazda znajdującego się na tylnej części zasilacza buforowego (zgodnie z rysunkiem). Z zasilacza buforowego wyprowadzony jest natomiast przewód zakończony wtykiem koncentrycznym 2,5 mm/1,5 mm (rysunek 3).

Rysunek 3. Schemat podłączenia zasilacza buforowego do przedwzmacniacza i zasilacza sieciowego 12 V

Po podłączeniu zestawu wskaźnik LED zasilacza buforowego zaświeci się na kolor czerwony, a po dwóch sekundach zmieni kolor na żółty. Po kolejnych dwóch sekundach uzyska kolor zielony, a po upływie następnych dwóch – zgaśnie. Wówczas urządzenie jest gotowe do pracy. Na przedwzmacniacz podawane jest napięcie z zasilacza sieciowego, a zasilacz buforowy oczekuje na naciśnięcie przycisku obsługi.

Program

Program został napisany w asemblerze i zajmuje jedynie 1 kB pamięci Flash. Na początku deklarowane są porty mikrokontrolera, przy czym GPIO3 jest ustawiony jako wejście (podłączone do przycisku obsługi) co oznacza, że reset systemu zapewnia wewnętrzny moduł POR (Power-On Reset) mikrokontrolera.

Wejścia GPIO0 oraz GPIO1 skonfigurowane są jako wejścia analogowe przetwornika ADC i umożliwiają kontrolę stanu akumulatora oraz pomiar prądu pobieranego przez obciążenie zasilacza. Porty GPIO2, 4, 5 są wyjściami cyfrowymi, przy czym port GPIO5 jest wyjściem zegarowym taktującym rejestr, GPIO4 to wyjście danych zapisywanych do rejestru, a GPIO2 to wyjście STROBE zatrzaskujące (przepisujące) dane na wyjście rejestru.

Po ustawieniu portów mikrokontrolera sprawdzany jest stan linii podłączonej do przycisku – pozwala to przejść do trybu programowania ustawień użytkownika (jeśli istnieje taka potrzeba) lub do normalnej pracy zasilacza.

Następnie mikrokontroler odczytuje pamięć EEPROM, w której przechowywane są informacje dotyczące trybu pracy zasilacza buforowego oraz wartości progowej prądu, przy której ma zostać uruchomiona praca z baterii (tryb nr 2).

Gdy nie korzystamy z przedwzmacniacza, akumulator jest doładowywany prądem spoczynkowym lub prądem maksymalnym, jeśli wcześniej był głębiej rozładowany. Cyklicznie sprawdzana jest wartość napięcia baterii, co pozwala w odpowiednim momencie przerwać proces ładowania. Sprawdzany jest też przycisk (pozwalający użytkownikowi na wymuszenie przejścia na zasilanie bateryjne) oraz – jeśli zasilacz pracuje w trybie nr 2 – pobór prądu na wyjściu zasilacza (wzrost natężenia prądu obciążenia powyżej progu włączenia przedwzmacniacza także musi skutkować przejściem w tryb pracy bateryjnej).

Podczas pracy z zasilaniem akumulatorowym mikrokontroler cyklicznie odczytuje stan baterii, aby nie doprowadzić do zbyt głębokiego rozładowania. Odczytuje także stan przycisku, co pozwala użytkownikowi na żądanie powrotu do pracy z zasilacza sieciowego. Podczas pracy w trybie nr 2 mikrokontroler sprawdza też, czy prąd pobierany z zasilacza nie spadł poniżej wartości progowej po to, aby móc automatycznie powrócić do pracy z zasilacza sieciowego w chwili, gdy użytkownik wyłączy przedwzmacniacz (tryb pracy nr 2).

Wszystkie te stany sygnalizowane są dwukolorową diodą LED.

Obsługa

Tryb 1 – obsługa przyciskiem. Po włączeniu urządzenia do sieci ładowane są ogniwa, a przedwzmacniacz zasilany jest napięciem z zewnętrznego zasilacza sieciowego. Przyciśnięcie przycisku powoduje przełączenie obciążenia na zestaw ogniw. Stan ten jest sygnalizowany miganiem wskaźnika LED, przy czym jego kolor zależy od stopnia naładowania ogniw. Zielony wskaźnik oznacza 100% naładowania ogniw i stan ten podczas zasilania przedwzmacniacza ogniwami jest stosunkowo krótki. Gdy napięcie ogniw spadnie, wskaźnik LED miga na kolor żółty. Jest to naturalny stan pracy na zasilaniu bateryjnym. Kiedy wskaźnik LED zmieni kolor na czerwony oznacza to, że dłuższe rozładowywanie ogniw mogłoby skrócić ich żywotność, dlatego układ automatycznie przełączył przedwzmacniacz na pracę z zasilacza sieciowego, zaś ogniwa będą ładowane. Przez cały czas ładowania ogniw wskaźnik LED świeci na kolor czerwony i nie jest możliwe ponowne zasilanie przedwzmacniacza z ogniw, aż do czasu ich naładowania.

Po naładowaniu ogniw wskaźnik LED zmieni kolor na zielony i po chwili zgaśnie, a zasilacz buforowy będzie oczekiwał ponownego naciśnięcia przycisku.

Podczas gdy przedwzmacniacz zasilany jest z ogniw (wskaźnik LED świeci pulsacyjnie), możliwy jest powrót do pracy z zasilacza sieciowego przez przyciśnięcie przycisku obsługi. Wówczas wskaźnik LED przestaje pulsować, a ogniwa są ładowane do uzyskania stanu całkowitego naładowania. W każdej chwili można, poprzez ponowne naciśnięcie przycisku, powrócić do pracy z zasilania bateryjnego (tylko jeśli ogniwa nie były całkowicie rozładowane).

Tryb ten zalecany jest dla posiadaczy przedwzmacniaczy zbudowanych na elementach dyskretnych lub układach scalonych (bez lamp), ale pozbawionych włącznika (przewidzianych do pracy ze stale włączonym zasilaczem).

Tryb 2 – obsługa automatyczna. Zasilacz nadzoruje pobór prądu przedwzmacniacza. Jeśli przedwzmacniacz nie pobiera prądu w ogóle lub pobiera stosunkowo niewielki prąd (np. niezbędny do wstępnego wygrzewania lamp), to przedwzmacniacz zasilany jest z zasilacza sieciowego. Jeśli pobór prądu w układzie wzrośnie w wyniku włączenia przedwzmacniacza, zasilacz automatycznie przełączy się na zasilanie z ogniw. Tryb ten zalecany jest dla posiadaczy przedwzmacniaczy lampowych oraz przedwzmacniaczy wyposażonych w włącznik zasilania. Podczas pracy z ogniw powrót do zasilania sieciowego oraz ładowania ogniw jest możliwy po przyciśnięciu przycisku lub po wyłączeniu przedwzmacniacza (użycie wyłącznika zasilania przedwzmacniacza powoduje spadek poboru prądu w układzie) lub po rozładowaniu ogniw.

Działanie diody LED jest analogiczne, jak w trybie 1. Po naładowaniu ogniw wskaźnik LED zaświeci się na kolor zielony i po chwili zgaśnie, a zasilacz buforowy będzie oczekiwał ponownego wzrostu poboru prądu w obwodzie (włączenie przedwzmacniacza).
Podczas gdy przedwzmacniacz zasilany jest z ogniw (wskaźnik LED świeci pulsacyjnie), możliwy jest powrót do pracy sieciowej przez wyłączenie przedwzmacniacza (spadek poboru prądu w obwodzie). Wówczas wskaźnik LED przestaje pulsować, ogniwa są ładowane do uzyskania stanu całkowitego naładowania. W każdej chwili można powrócić do pracy z zasilaniem bateryjnym (tylko, jeśli ogniwa nie były całkowicie rozładowane).

Zasilacz oferuje ponadto tryb programowania, który umożliwia użytkownikowi ustawienie progów prądów w swoim domowym zestawie tak, aby zasilacz rozpoznawał stan włączenia i wyłączenia przedwzmacniacza. Programowanie dotyczy tylko użytkowników, którzy chcą korzystać z trybu 2 (automatycznego).

Początkowo urządzenie zaprogramowane jest na tryb 1 obsługi. Użytkownicy, którzy chcą korzystać z tego trybu (manualnie – przyciskiem) nie mają potrzeby korzystać z trybu programowania.

Ci spośród Czytelników, którzy chcą korzystać z trybu 2 (automatycznego), powinni podłączyć cały zestaw i wypróbować jego działanie, a dopiero po uzyskaniu pewności, że układ działa prawidłowo, należy przejść do trybu programowania.

Programowanie

Funkcja programowania pozwala użytkownikowi zdecydować, który z trybów obsługi jest preferowany.

Tryb 1 – obsługa przyciskiem. Po włączeniu zasilacza sieciowego podłączonego do zasilacza buforowego wskaźnik LED zasilacza zaświeci się na czerwono, a po dwóch sekundach zmieni kolor na żółty. Po kolejnych dwóch sekundach uzyska kolor zielony i wówczas należy przycisnąć przycisk obsługi oraz przytrzymać go przez sekundę. Po zwolnieniu przycisku wskaźnik LED mignie trzykrotnie i zasilacz potwierdzi tym samym gotowość do pracy w trybie 1.

Tryb 2 – tryb automatyczny. Po włączeniu zasilacza sieciowego, podłączonego do zasilacza buforowego, wskaźnik LED zaświeci się na czerwono – wówczas należy przycisnąć przycisk i przytrzymać go przez sekundę. Po zwolnieniu przycisku wskaźnik LED mignie trzykrotnie i pozostanie zaświecony na czerwono, potwierdzając tym samym wejście w funkcję programowania trybu drugiego obsługi. Jeśli w zestawie mamy przedwzmacniacz wyposażony w funkcję wstępnego żarzenia lamp, należy odczekać kilka sekund do momentu, aż lampy lekko się rozgrzeją, a następnie włączyć przedwzmacniacz. Jeśli przedwzmacniacz nie posiada takiej funkcjonalności, można go włączyć od razu.

Po włączeniu przedwzmacniacza należy odczekać około 20 sekund, aż parametry się ustabilizują (czas pełnego rozgrzewania lamp), a następnie jednokrotnie przycisnąć przycisk obsługi w zasilaczu. Wskaźnik LED błyśnie na kolor żółty, potwierdzając zapisanie do pamięci parametrów pracy. Prąd pobierany przez przedwzmacniacz zostanie zapisany w pamięci jako próg, powyżej którego układ będzie przechodził do pracy z zasilaniem akumulatorowym. Po wyłączeniu przedwzmacniacza wskaźnik LED przestanie migać i będzie świecił światłem ciągłym. Oznacza to, że układ przeszedł do pracy z zasilacza sieciowego, a ogniwa są ładowane. Gdy ogniwa będą naładowane w pełni, wskaźnik LED zmieni kolor na zielony i po kilku sekundach zgaśnie.

Przez cały czas możliwy jest powrót do zasilania z ogniw przez włączenie przedwzmacniacza, a tym samym zwiększenie poboru prądu w obwodzie obciążenia.

Grzegorz Mazur