Портативный аккумуляторный источник питания

В настоящее время широкое распро­странение получили различные компактные устройства с питанием от встроенных аккумуляторов, например, мобильные телефоны, мультимедийные карманные плейеры, планшетные ком­пьютеры, навигаторы, цифровые фото­аппараты и т. п. Из-за стремления к уменьшению габаритов и массы этих устройств в большинстве случаев они оснащаются аккумуляторами неболь­шой ёмкости, что может причинять неудобства при их автономной эксплуа­тации.

Чтобы уменьшить зависимость таких устройств от ёмкости и состоя­ния встроенных аккумуляторов, а также наличия сети 230 В, можно изготовить предлагаемое устройство, от которого можно будет питать различную радио­аппаратуру и заряжать встроенные в неё аккумуляторы. Схема устройства по­казана на рис. 1. Оно представляет со­бой источник питания с четырьмя Li-Ion аккумуляторами типоразмера 18650. Донором таких аккумуляторов и конт­роллера для них послужила аккумуля­торная батарея от неисправного нет­бука. На ней было указано наименова­ние — P22-900, ёмкость — 5800 мА ч и номинальное напряжение — 7,2 В. Устройство обеспечивает на выходе стабилизированное напряжение 5 или 6,2 В при токе нагрузки до 1 А или нестабилизированное 6. .8,4 В при токе до 1,4 А. Кратковременно (менее 5 с раз в две минуты) ток нагрузки при любом выходном напряжении может быть до 2 А, это позволит подключать фотоаппарат с фотовспышкой с разря­женным внутренним источником пита­ния.

Рис. 1

Аккумуляторная батарея состоит из четырёх аккумуляторов G1— G4, кото­рые подключены к контроллеру А1 по­парно параллельно-последовательно. Нумерация выводов контроллера — условная, начинается от первого мину­сового вывода разъёма для подключе­ния батареи к нетбуку. Чтобы иметь воз­можность питать от батареи различные устройства и для её подзарядки необ­ходимо на вывод 5 подать напряжение низкого логического уровня.

Для зарядки аккумуляторной бата­реи на вход устройства (гнездо XS1) по­дают постоянное напряжение 12… 16 В. Диод VD1 служит для защиты от непра­вильной полярности этого напряжения. На интегральной микросхеме DA1 со­бран линейный стабилизатор напряже­ния 9 В. С его выхода напряжение через токоограничивающие резисторы R7, R8 и диод VD5 поступает на выводы пита­ния контроллера А1. Транзистор VT1 открывается при подключении к гнезду XS1 внешнего источника питания, что включает контроллер А1. Светящийся светодиод HL1 сигнализирует о проте­кающем процессе зарядки аккумуля­торной батареи. При токе более 50 мА транзистор VT2 (германиевый) откры­вается и светодиод HL1 светит с макси­мальной яркостью. Прекращение свече­ния этого светодиода означает оконча­ние зарядки батареи. Конденсаторы С2—С4 и С6 — блокировочные по пита­нию микросхемы DA1. Светодиод HL3 светит при наличии напряжения 9 В. На монтажной плате контроллера А1 был обнаружен самовосстанавливающийся предохранитель на ток 5 А. Поскольку изготовленное устройство рассчитано на меньший ток, для защиты от повреждений был установлен дополнительный самовосстанавливающийся предохра­нитель F1 на ток 1,6 А.

На микросхеме KA78R05 (DA2) собран стабилизатор напряжения 5 и 6,2 В. Эта микросхема представляет собой управ­ляемый линейный стабилизатор напря­жения положительной полярности 5 В с выходным током до 1 А, максимальная рассеиваемая мощность — 15 Вт, по­требляемый ток — около 10 мА. Микро­схема отличается от обычных интег­ральных стабилизаторов малым мини­мально допустимым падением напря­жения между входом и выходом, кото­рое при токе нагрузки 1 А не превыша­ет 0,5 В. Также имеется вход (вывод 4) для включения и выключения стабили­затора.

При замкнутых контактах кнопки SB1 на выводе 5 контроллера А1 будет низ­кий логический уровень, поэтому на выходе контроллера (выводы 7 и 8) при­сутствует напряжение аккумуляторной батареи. При этом через резистор R1 протекает ток около 0,3 мкА Через замкнутые контакты кнопки SB2.1 на­пряжение батареи поступает на вход стабилизатора напряжения 5/6,2 В. При замкнутых контактах кнопки SB3.1 напряжение на выходе — 5 В, при ра­зомкнутых — 6,2 В, которое задаётся последовательно включёнными диода­ми VD2 и VD3. Резисторами R4, R6 зада­ётся пороговое напряжение включе­ния/выключения стабилизатора. При указанных на схеме номиналах резисто­ров — это напряжение 6,3 В при замкну­тых контактах SB3.1 и 7,3 В — при ра­зомкнутых. Гистерезис переключения — около 0,12 В.

Когда контакты кнопки SB2 находят­ся в нижнем по схеме положении, пита­ние поступает не на стабилизатор напряжения ОА2, а на гнездо XS2. В этом случае можно контролировать состояния аккумуляторной батареи и питать различные устройства, не тре­бующие стабилизированного напряже­ния.

Двухцветный светодиод HL2 светит зелёным цветом при выходном напря­жении устройства 6,2 В и красным при 5 В. При выходном напряжении 5 В оно поступает на выходные гнёзда XS2 и XS3 (разъём USB). Выходное напряже­ние 5, 6,2 и 7,2 В поступает на гнездо XS2.

Перед тем как дать вторую жизнь литиевой аккумуляторной батарее нетбука, её склеенный пластмассовый корпус аккуратно вскрывают по шву. Если аккумуляторы окажутся разряжен­ными «в ноль», их можно несколько ми­нут подзарядить напрямую, минуя конт­роллер, током 0,5… 1 А через токоогра­ничивающий резистор или от источника тока. За это время аккумуляторы набе­рут напряжение, достаточное для вклю­чения контроллера. Измеренная ём­кость полностью заряженной батареи составила около 5400 мА ч при разряд­ке током 1 А, что для батареи возрастом около десяти лет неплохой показатель. На плате контроллера (рис. 2) была маркировка BLA4AE00. Назначение проводов следующее. В центре два си­них — минус контроллера, зелёный — управление, два красных — плюс конт­роллера. По краям платы: контакт VC (синий провод) — минус элементов G2 и G4, контакт VP (красный провод) — плюс элементов G1 и G3, контакт VM в центре (провод не припаян) — общий элементов G1—G4. Контроллер отклю­чает зарядку аккумуляторной батареи при достижении напряжения 8,4 В. Если в вашем распоряжении окажется другая батарея с другим контроллером, назна­чение его выводов можно узнать в Ин­тернете или экспериментально. В слу­чае, если применить батарею от ноутбу­ка на рабочее напряжение 10,8 В или 14,4 В, то из-за большой разницы меж­ду входным и выходным напряжениями на месте стабилизатора DA2 рекомендуется применить импульсный пони­жающий стабили­затор напряжения. Перед сборкой уст­ройства аккумуля­торы отсоединя­ют от контроллера. Подключают их на финальной стадии сборки и тестиро­вания конструк­ции, при этом надо быть вниматель­ным — ток корот­кого замыкания вы­водов даже мало­габаритного акку­мулятора может достигать десят­ков ампер.

Рис. 2

Часть элемен­тов размещена на монтажной плате размерами 37×62 мм, а микросхемы — на теплоотводе (рис. 3). Монтаж — двухсторонний навесной. Микросхему AN78M09 можно заменить отечествен­ной КР142ЕН8А или любой из серии ххх78М09хх. Если применить микросхему серии xxx78R09, минимальное входное напряжение устройства может быть 10,5 В. Микросхему KA78R05 можно заменить любой из серии xxx78R05 в изолированном четырёхвы­водном корпусе TO-220F-4L. Обе мик­росхемы установлены на общий реб­ристый дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 50 см² с применением теплопроводной пасты КПТ-8 или аналогичной. В корпу­се устройства рядом с теплоотводом необходимо сделать несколько десят­ков вентиляционных отверстий. Соеди­нительные провода, идущие к выводам микросхем, должны быть как можно короче.

Рис. 3

Транзистор 2SC3199 можно заме­нить любым из серий 2SC815, 2SC845, 2SC1815, 2SC9014, КТ3102, КТ6111, германиевый транзистор SFT307 — отечественными из серий МП25, МП26, МП39, МП40, МП41, МП42. Чем больше коэффициент передачи тока базы этого транзистора, тем лучше. Диод SR504 можно заменить диодом SR505, SR506, SR306, SR360, 1N5822. Вместо диода 1N5402 подойдёт любой из серий 1N540x, SRP300X, FR30x. Диоды 1N4002 можно заменить любыми из серий 1N400x, RL10x. Резисторы — лю­бые соответствующей мощности. Ок­сидные конденсаторы — импортные, С1 — керамический или плёночный на номинальное напряжение не менее 35 В. Конденсаторы СЗ, С4, С8, С9, С11 — керамические для поверхност­ного монтажа, они припаяны непосред­ственно к выводам питания соответст­вующих микросхем или выводам оксидных конденсаторов. Остальные конденсаторы — керамические К10-17. Светодиод RL30-VG414S зелёного цвета свечения и RL30-SR114S красно­го можно заменить любыми обычными маломощными. Двухцветный свето­диод L119SURKMGKWT можно заме­нить любым двухцветным с общим катодом из серии L119. Если светодиод будет с повышенной яркостью свече­ния, сопротивление резистора R10 можно увеличить в несколько раз, что уменьшит ток, потребляемый устройст­вом от аккумуляторной батареи.

Переключатель режимов работы (кнопки SB1—SB4) — счетверённый блок переключателей П2К с зависимой фиксацией, по две группы переклю­чаемых контактов на каждой кнопке. При нажатии на одну из них остальные возвращаются в исходное положение. Перед сборкой конструкции протести­руйте такой переключатель, при не­обходимости очистите его контакты от окислов. Он приклеен к корпусу уст­ройства термоклеем и полимерным клеем «Квинтол». Аккумуляторные эле­менты закреплены в корпусе с помо­щью мягкой двухсторонней липкой ленты.

Устройство собрано в пластмассо­вом корпусе размерами 28x91x175 мм. Вид на компоновку узлов показан на рис. 4. Масса собранного устройства — около 380 г. Для питания устройства можно использовать автомобильную бортовую сеть 12 В или другой источ­ник напряжения 12…16 В, рассчитан­ный на ток нагрузки не менее 0,7 А. При подаче на гнездо XS1 напряжения пита­ния на подключённую к устройству на­грузку будет поступать напряжение пи­тания вне зависимости от положения контактов кнопки SB1.

Рис. 4

Емкости батареи 5,8 А·ч достаточно для питания, например, радиоприём­ника “Океан-209″ в течение около 170 ч, работающего на средней гром­кости (100 мВт), или на 60…80 часов питания компактного карманного МР3-плейера (потребляемый ток — 60…80 мА), что примерно десятикрат­но превышает возможности встроенно­го аккумулятора. Можно также несколь­ко раз полностью зарядить аккумулятор (ёмкостью 800…1000 мА ч) мобильного телефона. Не забывайте после пользо­вания устройством выключать его пита­ние и подключённых к нему нагрузок нажатием на кнопку SB 1.

Автор: А. БУТОВ, с. Курба Ярославской обл.

Источник: журнал Радио №10, 2015