КАК СОБРАТЬ РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ ДОМАШНИХ УСТРОЙСТВ

11.05.2023 |

Вопрос: Как можно пользоваться маршрутизатором Wi-Fi и другой домашней электроникой во время отключения электроэнергии?
Ответ: Несложно разработать домашний источник бесперебойного питания, используя, например, автомобильный аккумулятор в качестве первичного источника питания. Его можно подключить к повышающему преобразователю, который генерирует стабильное напряжение 12 В c током нагрузки 5 А для питания маршрутизатора Wi-Fi, и к понижающему преобразователю с напряжением 6,5 В и током нагрузки 1,5 А для подзарядки мобильного телефона или портативного компьютера.
По мере того, как современный мир становится все более зависимым от надежной работы электросетей, перебои в подаче электроэнергии могут превратитьсамые современные апартаменты в средневековые жилища. В статье предлагается схема источника бесперебойного резервного питания для дома, который поддерживает маршрутизатор Wi-Fi и другую домашнюю электронику.

Схема источника бесперебойного питания для домашних условий эксплуатации приведена на рис. 1. Эта схема обеспечивает напряжение питание 12 В при токе нагрузки 5 А для точки доступа Wi-Fi и любой другой домашней электроники и, кроме того, дополнительное напряжение питание 6.5 В с током нагрузки 1.5 А, например, для подзарядки мобильного телефона или портативного компьютера.
Первичным источником питания для этой схемы является автомобильный аккумулятор. ИМС LTC3789 представляет собой повышающий/понижающий преобразователь с четырьмя ключами, обеспечивающий постоянное напряжение питания, которое может быть выше или ниже первичного входного напряжения. Так, например, схема поддерживает напряжение12 В с током нагрузки 5 А при входном напряжении от 5 до 36 В. Поскольку маршрутизатору Wi-Fi требуется ток нагрузки не более 1 А, приведенную на рис. 1 схему можно использовать для питания других приложений, требующих напряжение 12 В.
Для подзарядки мобильного телефона требуется напряжение 6,5 В при токе нагрузки не более 600 мА, поэтому в схеме на рис. 1 использована ИМС преобразователя LT8608 с малым током покоя не более 2,5 мкА. ИМС LT8608 и LTC3789 имеют максимальное входное напряжение 42 В и 38 В соответственно, поэтому они подключены непосредственно к автомобильному аккумулятору. Учитывая, что некоторые недорогие зарядные устройства могут генерировать высокое напряжение, способное вывести из строя телефон или компьютер, при ошибочном (неправильном) подключении к аккумулятору, широкий диапазон входных напряжений преобразователей LTC3789 и LT8608 позволяет избежать возникновения опасного высокого напряжения, генерируемого при ошибке в подключении зарядного устройства.

Рис. 1. Схема домашнего источника бесперебойного питания

Устройство на рис. 1 может работать как с постоянно подключенным зарядным устройством, так и без него. Отметим, что сдвоенный диод, который обеспечивает переключение между основным напряжением питания и резервным (от аккумулятора), выполнен в виде ИМС LTC4416. Эта ИМС содержит прецизионный компаратор, который при обнаружении отказа основного источника питания переключает преобразователь на резервный источник питания (в нашем случае на автомобильный аккумулятор) с помощью четырех внешних P-канальных МОП-транзисторов (PFET). Более простой реализацией этой схемы является схема ИЛИ с двумя диодами, в которой катоды двух диодов соединены, а основной и резервный источники питания подключены к анодам. Однако эта схема генерирует только высокий уровень от этих двух источников питания, Кроме того, в данной схеме на диоде падает напряжение примерно 0,6 В, что снижает ее эффективность.
Более эффективная схема может быть построена с использованием полевых или PFET транзисторов вместо диодов. Если падение напряжения на внутреннем диоде полевого транзистора превышает заданный порог, то полевой транзистор включается и внутренний диод замыкается. Если это падение напряжения становится ниже заданного порога, то полевой или PFET транзистор выключается, а внутренний диод блокирует обратный ток. Таким образом, в схеме, приведенной на рис. 2, имеем близкий к идеальному диод с малым падением напряжения в прямом направлении и практически полной блокировкой тока в обратном направлении.
В схеме на рис. 2 внутренний диод каждого полевого транзистора проводит ток от входа к выходу, поэтому, если одно входное напряжение выше другого более чем на 600 мВ, этот внутренний диод будет проводить ток. Когда напряжение резервного источника будет выше основного, то питание нагрузки будет обеспечиваться резервным источником, что нежелательно, т. к. основной источник не утратил свою работоспособность.

Рис. 2. “Идеальная” реализация схемы диодного ИЛИ

Реверсное включение внутренних диодов полевого или PFET транзистора позволяет устранить этот недостаток, но в этом случае внутренний диод полевого транзистора будет проводить ток, если выходное напряжение схемы выше входного более чем на 600 мВ. Чтобы избежать этого, следует добавить дополнительный полевой транзистор в каждый тракт, как показано на рис. 3

Рис. 3. Схема ИЛИ с встречно включенными диодами

В этой схеме два внутренних диода включены встречно, поэтому данная схема представляет собой двунаправленный разомкнутый контур, когда полевые транзисторы выключены, и изолирует каждый канал независимо от уровней входного и выходного напряжения.
Для схемы на рис. 1, с напряжением 12 В была предложена модификация для обеспечения уровня перенапряжения 11.17 В с помощью резистора R3 = 100 кОм и резистора R1= (10 + 2.2) кОм. Однако точке доступа Wi-Fi требуется точное напряжение питания, равное 12 В.
При пониженном напряжении может происходить ложное переключение с основного источника питания на резервный источник, что может привести к сбоям в работе сети Wi-Fi. Этот недостаток можно устранить при R1= 11.47 кОм, что увеличивает уровень перенапряжения переключения до 11.8 В, тем самым сужается зона порога переключения.
Цепь заряда мобильного телефона более чувствительна к уровню питания, поэтому величина сопротивлния резистора R15 имеет величину (22 +10) кОм, что формирует уровень перенапряжения, равный 5 В. Осциллограммы сигналов источника питания, приведенного на рис. 1, показаны на рис. 4.
Зеленая кривая – это напряжение на постоянно включенном выходе с напряжением 12 В, формируемый ИМС LTC4416, красная кривая – это сигнал а выходе с напряжением 12 В, формируемый электросетью, а синяя кривая – это напряжение на выходе автомобильного аккумулятора. Помехи на зеленой кривой не наблюдались, когда осциллограф был включен в режиме измерения постоянного тока.

Рис. 4. Напряжение 12 В (зеленая кривая) практически не содержит помех, когда домашняя электросеть (красная кривая) отключена

При переключении осциллографа в режим переменного тока на осциллограмме наблюдались небольшие помехи, причем уровень помех был выше при работе от электросети по сравнению с резервным питанием от автомобильного аккумулятора. На рис. 5 и 6 показана конструкция модулей резервного питания и полный комплект резервного источника питания с аккумулятором для домашней электроники.

Рис. 5. Конструкция модулей резервного
источника питания для домашней электроники

Рис. 6. Резервный источник питания с автомобильным аккумулятором

Резервный источник питания для удобства можно снабдить светодиодами, показывающими, какой источник первичного питания работает – основной или резервный. Отметим, что рассмотренная схема была протестирована и показала высокие рабочие характеристики.

ВЫВОДЫ
Комплекты ИМС повышающих и понижающих преобразователей напряжения компании Analog Devices могут быть использованы для построения резервных источников питания с длительным сро- ком службы для домашней электроники, включая сетевые маршрутизаторы, зарядные устройства для мобильных телефонов и портативных компью- теров. Такие источники питания не заменимы при долговременных отключениях электроэнергии.