Часть 1. Хорошая, подробная статья с сайта , позволяющая даже "чайнику" сделать неплохой зарядник для своих мобильных гаджетов.
Поделиться этой страницей в:
Часть 1. Основы кулинарии.
Как известно, в мире нет ничего нового. Взглянув на системы питания приборов и "человеков", можно заметить множество аналогий. Поскольку нам нужно сделать походную кормушку для гаджетов, то думаю, лучшим решением будет изучить опыт людей по обеспечению едой самих себя, и использовать этот опыт в технике. Аналогия с человеческой жизнью, как мне кажется, позволит легче расставить на свои места по степени важности те вопросы, что приходится решать при разработке законченной системы, которая исправно кормила бы наши гаджеты в течение всего похода.
Пойдем, как водится, от общего к частному. Как устроена система питания людей. В самом общем виде, она состоит всего из 3х частей:
- Едока (потребителя) - Повара (преобразователя) с его Кладовкой-буфером и - Производителя – фермера (первичный источник энергии).
Такая система самосуществует уже тысячи лет и ничего другого на сегодняшний день не придумано.
Рис.1. Общая схема системы питания электронных устройств.
Задача производителя создать пищу из несъедобных элементов (из земли, или скармливая сено рогатым), задача переработчика сделать продукт удобоваримым, кладовка же нужна потому, что урожай бывает раз или два в году, а кушать хочется ежедневно.
Точно также и в автономной системе электрокормления мы найдем все эти части.
Едоком здесь будут наши гаджеты: телефоны, КПК, GPS, плееры, ноутбуки… да мало ли что ещё. Их "пищевые" запросы определяют требования к повару-преобразователю. Чаще всего, это постоянное напряжение и ток, определенной мощности. Изменить их мы не можем, поэтому вся система должна подстраиваться под их требования, это именно та "печка, от которой нужно плясать" при разработке системы питания.
Угодить едоку, можно преобразуя сырую электрическую энергию в съедобную для него форму. Эту задачу выполняет преобразователь (повар). Он выпрямляет, понижает или повышает, стабилизирует, фильтрует от колебаний конечное "блюдо". Это наиболее гибкая часть системы, задача которой, удовлетворить запросы едоков-потребителей. Собственно, только её параметры мы можем менять при разработке.
Кладовкой в такой электрической системе сегодня в большинстве случаев служат аккумуляторы различных типов. Изменить их свойства мы также не можем, но можем выбрать их число и тип.
Источником может служить любое устройство для получения электричества: вело(ветро) генератор, солнечная или химическая батарея, и даже розетка – его задача добыть электричество. Эту часть системы мы также берём как данность и можем лишь выбирать из списка доступных поставщиков. Либо используем, либо отказываемся, а уж если связались, то вынуждены подстраиваться под их свойства.
Т.о. начиная делать (или подыскивать, чтобы купить) кормушку для своих электронных помощников, нужно ответить себе на ряд вопросов, причем желательно в следующей последовательности.
1. Во-первых, сколько "пищи" в день требуется нашим "едокам".
2. Во-вторых, что будет источником этого электричества. Достаточно ли его производительности для выработки нужного количества электричества за заданное время. Т.е. если КПК съедает в день заряд из одной батареи, то "поставщик" обязан произвести не меньшее количество энергии, чтобы за тот же день зарядить эту же батарею заново. Т.е. производитель обязан вырабатывать не меньше, чем потребляется, иначе система будет неработоспособна.
3. Третье, нужна ли нам "кладовка-накопитель". Т.е. если "производитель", пусть, та же солнечная батарея способна зарядить КПК, но за 10 часов, а КПК требует, чтобы это длилось не более 2х, то остается вариант, когда производитель вырабатывает и "складывает" на полочку свою продукцию в течение этих 10 часов, а потом "приходит" КПК и за 2 часа забирает её всю. Либо же, во время работы солнечной батареи КПК занят, и заряжать его неудобно или вообще невозможно, а когда он освобождается, то солнца уже нет. Т.е. накопитель – это эдакая тумбочка для временного хранения электричества, из которой его можно брать в удобное время и в нужных количествах.
4. Только теперь, определившись, что у нас на выходе, и что на входе, можно начинать разработку или поиск устройства-повара, который бы сумел приготовить из полуфабрикатов источника съедобное для потребителя блюдо.
Вообще говоря, задача подбора источника, преобразователя и накопителя должна решаться с оглядкой друг на друга, т.к. они взаимосвязаны.
Чего бы мне хотелось, так это то, чтобы читатель, который бы хотел сделать, собрать из купленных "кубиков" или просто купить нечто для питания своего КПК или сотового в походе смог бы правильно подойти к этому и быть всегда с заряженными потребителями. Чтобы он не покупался на рекламу "купите солнечную батарею и будете всегда заряженными" не забывая, что к ней нужны еще и другие элементы системы. Или "наш накопитель всегда запитает ваш КПК" забывая о том, что этот склад-накопитель ещё сам должен от чего-то зарядиться. И т.д.
Рассмотрим сказанное на примерах. Собственно, всё, что будет ниже – это примеры построения законченных систем автономного питания с использованием разных типов источников-преобразователей-накопителей. Практически в любой системе эта троица будет присутствовать и когда будете выбирать один из элементов системы, помните и про другие. А кулинарные ассоциации нам помогут.
Пример №1. Зарядим сотовый телефон (или другой маломощный прибор).
В первую очередь, определим вкусы телефона, чего же он хочет. У многих сотовых (не смартфонов) зарядное напряжение может лежать в диапазоне от 4.5 до 8В (оптимально, около 5.5…6В), при этом, ток зарядки желательно ограничить на уровне не более 0.5 Ампера.
Рецепт №1.
Зарядимся от "Кроны". Часто встречающийся способ в дешёвых китайских "заряжалках".
Рис.2. Запитаем телефон от батарейки типа "Крона".
Поставщиком здесь будет сама "Крона". А вот без дополнительного преобразователя-повара здесь часто можно и обойтись, т.к. её выходное напряжение около 9В, а ток невелик. И телефон "проглатывает" данный полуфабрикат – ну что же, иногда можно съесть и сырую картошку прямо с огорода. (Если быть точным, то роль повара здесь выполняет высокое внутреннее сопротивление данной батарейки, которое ограничивает ток зарядки до съедобных величин.)
Диод, который показан на рисунке, вообще говоря, не обязателен, но полезен, т.к. предотвращает разряд аккумулятора сотового телефона через "Крону", либо в случае короткого замыкания в проводах. Это происходит потому, что в некоторых телефонах внутренняя схема зарядки позволяет току выходить "наружу" через контакты разъёма. Кстати, на этом же свойстве основаны кабели для того, чтобы один телефон мог "прикурить" у другого, т.е. подзарядиться от него.
Что плохо у такого способа зарядки?
· У "Кроны" достаточно высокое выходное напряжение, которое может испортить некоторые модели телефонов – не все могут переварить "сырую картошку".
· Повар-преобразователь весьма расточителен и глуп, поскольку весь излишек напряжения, который есть в батарейке, он будет просто переводить в тепло, т.е. всё, что не поместилось на тарелку, он отрежет и выбросит, а глуп потому, что умеет только отрезать, не экономя.
· Ёмкость "Кроны" весьма мала (около 150…300мАч, что при таком способе зарядки позволит зарядить телефон приблизительно на треть), т.е. мы предлагаем телефону порцию, что помещается на маленьком блюдце, а он голоден и готов съесть большую миску.
Рецепт №2.
Вместо "Кроны" используем набор батареек или аккумуляторов. В продаже встречаются коробочки с четырьмя элементами размера ААА внутри. Кстати, почему не АА или более мощных? Об этом чуть позже.
По напряжению такой полуфабрикат из 4-х батареек уже будет более вкусным для телефона. Т.е. около 6.5В без нагрузки. Да и ёмкость комплекта батареек уже много больше, т.е. телефон уже может насытиться и от одного комплекта.
И повару (внутреннему сопротивлению) работы меньше. Меньшая часть напряжения будет отсечена и выброшена, а большая проглочена потребителем.
Рис.3. Питаемся от 4-х или 5-ти аккумуляторов или батареек.
Опасность такого способа зарядки в том, что если сотовый не имеет внутреннего ограничителя тока (т.е. дополнительного повара внутри корпуса телефона), то именно нам, как заварившим всю это кашу, нужно позаботиться о том, чтобы ток при зарядке не вышел за допустимые для телефона пределы (именно для этого, первое что мы сделали в данной задаче - это узнали какое питание нужно телефону). Ограничить можно, например, с помощью резистора в 1..2 Ома, показанного на схеме. Но он желателен лишь в случае использования в источнике аккумуляторов, или качественных щелочных батареек, способных давать большой ток и при этом телефон сам ток ограничивать не умеет.
К счастью, именно самые дешевые солевые батарейки имеют высокое внутреннее сопротивление и потому ток с них идет безопасный для телефона и резистор не используется. Потому китайские заряжалки и делаются под батарейки размера ААА, которые из-за своего малого размера не дают слишком большого тока и потому безопасны.
Таким образом, установив такой токоограничивающий резистор, мы ввели в схему преобразователь, уже как отдельный элемент и поручили ему выполнять определенную работу, пока только ограничивать ток, поскольку другие параметры питания (напряжение) съёдобны для потребителя.
Заметим, что необходимости в промежуточной кладовке-накопителе в данной системе пока нет, поскольку в данном примере специально взят заведомо маломощный потребитель и "сильный" источник, т.е. батарейки способны отдавать ток, который может заряжать телефон, т.е. возможности поставщика выбраны заведомо большими, чем потребителя. В противном случае, сотовый может вообще не заметить, что его пытаются накормить.
Ну что же, недостатки такой простейшей системы зарядки (гальванический элемент – резистор – потребитель) определились. Это:
· Возможный выход зарядного напряжения и тока за допустимые для телефона пределы. Т.е. кормление клиента полуфабрикатами – повар-преобразователь (всего лишь резистор) не может сделать качественный, всегда съедобный продукт.
· И, второе, низкий КПД системы, т.е. расточительность преобразователя, который всё "лишнее электричество" просто выбрасывает.
Что можно улучшить? Начнем с критических моментов, т.е. тех, где возможно повредить телефон. А именно, нужно сделать так, чтобы напряжение и ток зарядки гарантированно были удобоваримы для клиента.
Поскольку ни потребителя, ни источник полуфабрикатов нам поменять не получится, то остается только "поработать с персоналом", т.е. с поваром-преобразователем, который стоит между телефоном и батарейкой.
Чтобы ограничить напряжение, подаваемое на телефон, можно вместо резистора-ограничителя поставить стабилизатор напряжения. Параллельный стабилизатор, т.е. работающий по принципу стабилитрона рассматривать не будем, т.к. у него слишком большие потери, а нам электричества жалко. Поэтому, используем лишь последовательные стабилизаторы, которые можно рассматривать как резистор с переменным сопротивлением, зависящим от выходного напряжения.
На сегодняшний день, обычно, не имеет смысла делать такой стабилизатор самому из дискретных элементов, проще купить готовую микросхему, например из импортных наиболее распространены 78хх, где хх выходное напряжение, отечественные аналоги 142ЕН05 (ЕН06, ЕН12 и т.д.). Эта микросхема с тремя ножками (вход, общий, выход) очень проста для использования, нужно добавить лишь пару конденсаторов на её вход и выход. И всё, гарантированное напряжение питания для телефона обеспечено.
Вполне рабочая схемка такого зарядника выглядит примерно так.
Рис.4. Питание с использованием интегральных стабилизаторов.
Если нужно получить регулируемое выходное напряжение, то можно использовать стабилизатор типа LM317 (Uвых=1.25…37В, Iвых = до 1.5А). Его схема включения будет аналогична показанной на Рис.5.
Заметим, что вместо этих "классических" микросхем стабилизаторов предпочтительней использовать, так называемые, LowDrop стабилизаторы, т.е. стабилизаторы с пониженным падением напряжения между входом и выходом. Их также сейчас выпускается достаточно много. Они чуть дороже, чем "классика", но в устройствах с батарейным питанием, это удорожание с лихвой окупает себя экономией батареек.
Примером таких стабилизаторов являются LM1086 (Uвых=1.2…25В, Iвых=1.5А), LM2940 (Uвых=5В, Iвых=1А), LM2941 (Uвых=5…20В, Iвых=1А), REG1117 (Uвых=1.2…12В, Iвых=1А) или отечественные КР1158ЕНхх (Uвых=ххВ, Iвых=0.5А) и другие. Эти стабилизаторы гарантируют выход, например, 5В при входном напряжении от 5.5В и выше, а "классика" типа 78хх требовала бы от 7.5В и выше. Т.е. мы можем работать до тех пор, пока батарейка не разрядится до уровня 5.5В, а не 7.5В, что более расточительно.
Пример включения стабилизатора LM1086, а также пример его графика падения напряжения между входом и выходом в зависимости от нагрузки, показан на рисунках ниже. (Примеры взяты из технической документации на стабилизатор, по английски – datasheet.)
Рис.5. Включение стабилизатора с регулируемым выходным напряжением от 1.25 до 15В.
Рис.6. Пример графика зависимости падения напряжения между входом и выходом в зависимости от того нагрузки и температуры кристалла.
Замечательно то, что на вход таких микросхем можно подавать не только 9В от "Кроны", но и гораздо большее напряжение (до 40В и даже больше), при этом на выходе всегда останется заданное нами напряжение, например, те же 5.5В.
Недостаток всех этих линейных поваров-стабилизаторов – упомянутая выше расточительность. Т.е. всё, что не уместилось на блюдце, отрезается и выбрасывается, т.е. превращается в тепло. Что для автономных систем, где запас энергии и так невелик, явление очень неприятное. Кроме того, выделившееся тепло нагревает стабилизатор и его приходится порой даже ставить на радиатор, что увеличивает размеры всей конструкции.
Поэтому такие линейные стабилизаторы стараются использовать в таких случаях, когда напряжение на источнике (батарейках) будет лишь немного выше, чем нужно телефону или КПК. И чем меньше эта разница, тем меньше и выбрасывается, т.е. меньше потери и выше КПД, который равен отношению выходного напряжения ко входному. Т.е. КПД=(Uвых/Uвх). Поэтому для снижения потерь входное напряжение желательно выбирать минимально возможным, т.е. для питания телефона Uвых=5.5В и падении на стабилизаторе 1В потребуется Uвх=6.5В. Это примерно 6 шт NiCd/NiMh аккумуляторов, например, "пальчиков" АА, что является оптимальным вариантом с точки зрения получения наибольшего КПД.
При этом КПД в конце зарядки будет: КПД=5.5В/6.5В=0.85 (85%), а средний КПД=5.5В/(1.2В*6шт)=0.76 (76%), что весьма неплохой показатель. Поэтому, используя LowDrop стабилизаторы при правильном выборе входного напряжения, возможно иметь КПД на уровне импульсных стабилизаторов!
Второй же недостаток линейных стабилизаторов тот, что большинство из них не ограничивают ток на том уровне, что нам бы хотелось. Да, в них есть встроенная защита от короткого замыкания, но для них это аварийный, а не штатный режим. Для того, чтобы ограничить ток в удобных именно для нас (т.е. телефона) пределах нужно придумывать дополнительные цепи, что усложняет схему.
Если же напряжение нужно понизить весьма сильно, даже в несколько раз, то используют импульсные стабилизаторы, КПД которых мало зависит от этого перепада напряжений. Внешне, система питания сотового от импульсного стабилизатор будет примерно такой же, как и линейная. И даже более того, сейчас появились в продаже уже собранные такие стабилизаторы, упакованные в такие же стандартные корпуса, что и линейные. Пользователь имеет на выходе те же самые три лапки: вход, выход, и общий, и такую же схему включения, как и в случае линейной схемы на Рис.4. Внешний вид одного из таких стабилизаторов показан на рисунке ниже. Для телефона подойдет с маркировкой R-785.0-0.5. Его характеристики: Uвх=5…34В, Uвых=5В, Iвых=0.5А, КПД=86…97%, вес 5г, цена около 200р. При этом полная совместимость по ножкам с "классическим" 78хх. (См. Рис.4.)
Как видим, для телефона можно подобрать готовый стабилизатор, но для более прожорливых потребителей, их мощности уже недостаточно, и приходится либо придумывать схему самостоятельно, либо применять изолированные DC/DC конверторы (что дорого), либо применять стабилизаторы в виде законченных устройств. Например, тот стабилизатор, что представлен на сайте и является примером понижающего стабилизатора в котором можно менять не только выходное напряжение, но и выходной ток. Пользователю в данном случае ничего паять не придется совсем. Схема включения его будет выглядеть так.
Рис.8. Зарядка телефона через стабилизатор.
Его характеристики: Uвх=5…16В, Uвых=2.8 до 14В, Iвых=до1.5А, КПД=около 90%, вес 45г, цена 350р, размер меньше зажигалки. Вид изнутри показан на Рис.9.
Вообще, импульсные преобразователи позволяют делать с электрической энергией всё, что угодно, при весьма умеренных потерях. Можно не только понижать, но и повышать напряжение, превращать его из переменного в постоянное и наоборот. И наш телефон можно будет запитать не только от "Кроны" или нескольких батареек, но и от пары или даже одной батарейки или другого источника с низким напряжением, главное чтобы он был способен отдавать мощность, достаточную для зарядки нашего подопытного сотового.
Примером повышающего импульсного стабилизатора, который работает от одного аккумулятора размера АА, является устройство AcmePower AP A100. Внешний вид его показан на рисунке ниже. Питаясь от одного элемента АА, он имеет на выходе около 6В при токе до 200мА. Негусто, и не все телефоны можно зарядить, но многие, особенно старые модели, возможно. Цена его около 500р.
Рис.10. Повышающие стабилизаторы А100 и "Вампирчик-мини".
Более мощный повышающий стабилизатор который назывался "Вампирчик-мини", и продавался на сайте , питался от двух элементов размера АА, поэтому выходной ток у него достигал 0.8А при выходном напряжении 5.5В. Кстати, имя "Вампирчик" было ему дано потому, что он буквально высасывал батарейки, пытаясь отдать потребителю ту мощность, которую тот хотел.
Основным недостатком повышающих преобразователей по сравнению с понижающими, является их обычно несколько меньший КПД.
Также существуют схемы, которые могут как повышать, так и понижать входное напряжение. Т.е. фактически на сегодняшний день профессиональные способности повара-преобразователя достигли такого уровня, что возможно стало получать съедобные продукты практически из чего-попало, лишь бы это самое "что-попало" обеспечивало достаточную мощность. (Как напоминает "прогресс" в человеческом обществе, где сегодня колбасу делают из бумаги и сои, а икру из нефти. Жаль только, что в отличие от электроники, эта замена не является полноценной. ;)
Вообще говоря, данная система источник-преобразователь-потребитель универсальна для любой системы, в случае если мощность источника выше или равна потребностям клиента-потребителя. Т.е. вместо батареек может быть использован любой другой мощный источник, например, мощная солнечная батарея, автомобильный аккумулятор или даже сеть 220В. В последнем случае нужен будет преобразователь с расширенными, по сравнению с приведенными здесь характеристиками, поскольку он должен превратить переменное напряжение сети в постоянное, отфильтровать и понизить его уровень. Но всё это отражается лишь на профессиональной подготовке (ой, технической сложности) повара-преобразователя. Общая же структура системы не меняется. Вместо сотового телефона также может быть всё, что угодно.
Пример №2. Зарядка КПК.
Положим, что в данном примере, мощность источника недостаточна для непосредственной зарядки потребителя. (Но общее количество энергии которое может выработать источник, естественно, равно или превышает расходы потребителя, иначе, согласно п.1 система будет неработоспособной в долговременном плане.)
В этом случае требуется некий накопитель – склад временного хранения, где хранится энергия источника до тех пор, пока её не накопится достаточно для того, чтобы потребитель мог нормально ею подкрепиться, а не пытаясь насытиться "в час по чайной ложке".
Рассмотрим пример такой системы, состоящей из солнечной батареи – преобразователя для аккумулятора – аккумулятора – преобразователя для потребителя – потребителя (наш КПК).
Рис.11. Простейшая схема с накопителем.
Что нового в данной схеме, по сравнению с предыдущим примером. Да ничего принципиального – просто добавился еще один преобразователь, который согласовывает вкусы теперь уже накопителя и солнечной батареи. Так же как и в примерах выше, он может быть и линейным, и импульсным, или же просто состоять из одного диода, который работает как клапан, не позволяя току вытекать из накопителя обратно в солнечную батарею, которая без света представляет собой почти короткое замыкание.
В данной системе аккумулятор будет выступать потребителем для источника – солнечной батареи. С другой стороны, аккумулятор будет сам являться источником для конечного клиента. Получилось как бы две относительно независимые системы, аналогичные рассмотренным в первом примере. И подход к их расчёту будет точно таким же.
Рассмотрим цепочку солнечная батарея – преобразователь – аккумулятор. Целью преобразователя служит подготовка электричества от солнечной батареи к поглощению её аккумулятором. Если всеядность аккумулятора позволяет подключить его непосредственно к выходу солнечной батареи, то роль преобразователя будет выполнять обыкновенный диод-клапан, включенный в цепь между ними.
В данной связке солнечная батарея – аккумулятор, также как и в Примере №1 преобразователь может быть построен на различных принципах. И поскольку он обычно менее мощный, чем питающий конечного потребителя, то может быть сделан достаточно простым.
Часть схемы от аккумулятора до конечного потребителя вообще полностью повторяет Пример №1, и строится по тем же принципам.
Вместо солнечной батареи может быть и другой маломощный источник: термо, вело или ветрогенератор или даже ручная зарядка.
Т.о. общий принцип построения и назначения отдельных элементов будет одинаковым для различных устройств, различается лишь сложность реализации (профессиональных способностей повара) преобразователя, как между первичным источником и аккумулятором, так и между аккумулятором и потребителем.
Ну и напоследок, как вариант Примера №2 покажем систему для питания ноутбука. Поскольку, последний потребляет достаточно большую мощность, то вариант непосредственного питания от источника будет слишком громоздким, да и солнышко может светить несильно – в этом случае никакая солнечная батарея не спасет. Потому единственным вариантом является использование накопителя. Обычно это аккумулятор на 12В.
Кроме того ноутбуку требуется достаточно точное напряжение зарядки (часто с отклонением не более вольта от заданного), поэтому необходимо использовать специальный блок питания, здесь применён автомобильный (в прикуриватель) адаптер для ноутбука. Он представляет собой импульсный повышающий стабилизатор, который делает из автомобильных 12В нужное для ноутбука, например 19В.
Вариант схемы автономной "кормушки" для ноутбука выглядит так.
Рис.12. Система зарядки ноутбука от солнечной батареи.
Здесь присутствуют те же самые элементы, что и на Рис.11:
- Источник – солнечная батарея, мощностью желательно более 10Вт.
- Первый преобразователь, который служит для зарядки аккумулятора-накопителя. В качестве такого преобразователя показан и может использоваться стабилизатор напряжения плюс внешний клапан-диод. Также может применяться любой контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи. (Но, для простоты, этот стабилизатор можно и убрать, что чаще всего и делают, оставляя только диод.)
- Аккумулятор-накопитель. Обычно это свинцовый гелевый аккумулятор с напряжением 12В и емкостью от 4Ач и выше. Это самый дешёвый вариант накопителя, но и самый тяжёлый.
- Автомобильный адаптер для ноутбука питается от буферного аккумулятора и обеспечивает на выходе требуемое для работы ноутбука напряжение и ток.
Как видите, ничего сложного. Все элементы в данной системе покупные, остается их только соединить между собой.
Кстати, вместо автомобильного адаптера для ноутбука можно поставить адаптер для питания КПК, сотового и т.п. – структурная схема не изменится.
И ещё, не забываем, что все схемы здесь можно собрать в том составе, что они показаны на рисунках и они будут работать, т.е. это не просто абстрактные рассуждения.
Продолжение см. в , в которой приведены уже конкретные электрические схемы различных стабилизаторов.
На главную
