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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Convertitore a bassa potenza per alimentare un carico da 9 volt da una batteria agli ioni di litio da 3,7 volt. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche Alcuni moderni dispositivi a basso consumo consumano pochissima corrente (diversi milliampere), ma per la loro alimentazione richiedono una fonte molto esotica: una batteria da 9 V, che dura anche per un massimo di 30...100 ore di funzionamento del dispositivo. . Ciò sembra particolarmente strano ora, quando le batterie agli ioni di litio di vari gadget mobili sono quasi più economiche delle batterie stesse. È quindi naturale che un vero radioamatore cerchi di adattare le batterie per alimentare il suo apparecchio, e non cerchi periodicamente batterie “antiche”. Se consideriamo un multimetro normale (e popolare) come un carico a bassa potenza. M830, alimentato da un elemento di tipo “Corindone”, quindi per creare una tensione di 9 V sono necessarie almeno 2-3 batterie collegate in serie, il che non è adatto a noi; semplicemente non entrano nel corpo del dispositivo. Pertanto, l'unica via d'uscita è utilizzare una batteria e un convertitore di tensione step-up. Selezione della base dell'elemento La soluzione più semplice è utilizzare un timer tipo 555 (o la sua versione CMOS 7555) in un convertitore di impulsi (i convertitori capacitivi non sono adatti; la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita è troppo grande). Un ulteriore "vantaggio" di questo microcircuito è che ha un'uscita a collettore aperto, che è piuttosto ad alta tensione e può resistere a tensioni fino a +18 V con qualsiasi tensione di alimentazione operativa. Grazie a ciò, puoi assemblare un convertitore da letteralmente una dozzina di parti economiche e comuni (Fig. 1.6).
Il pin 3 del microcircuito è una normale uscita a due stati, viene utilizzato in questo circuito per supportare l'oscillazione. Il pin 7 è un'uscita a collettore aperto in grado di sopportare tensioni più elevate, quindi può essere collegato direttamente alla bobina, senza un inseguitore di transistor. L'ingresso della tensione di riferimento (pin 5) viene utilizzato per regolare la tensione di uscita. Principio di funzionamento del dispositivo Immediatamente dopo l'applicazione della tensione di alimentazione, il condensatore C3 è scarico, nessuna corrente scorre attraverso il diodo Zener VD1, la tensione all'ingresso REF del microcircuito è pari a 2/3 della tensione di alimentazione e il ciclo di lavoro degli impulsi di uscita è 2 (ovvero la durata dell'impulso è uguale alla durata della pausa), il condensatore C3 viene caricato alla massima velocità . Il diodo VD2 è necessario affinché il condensatore scaricato C3 non influisca sul circuito (non riduca la tensione sul pin 5), il resistore R2 "per ogni evenienza", per protezione. Mentre questo condensatore si carica, il diodo zener VD1 inizia ad aprirsi leggermente e la tensione sul pin 5 del microcircuito aumenta. Di conseguenza, la durata dell'impulso diminuisce e la durata della pausa aumenta finché non si verifica l'equilibrio dinamico e la tensione di uscita si stabilizza ad un certo livello. Il valore della tensione di uscita dipende solo dalla tensione di stabilizzazione del diodo zener VD1 e può arrivare fino a 15...18 V; a una tensione più elevata il microcircuito potrebbe guastarsi. Informazioni sui dettagli La bobina L1 è avvolta su un anello di ferrite. K7x5x2 (diametro esterno - 7 mm, interno - 5 mm, spessore - 2 mm), circa 50...100 spire di filo di diametro 0,1 mm. Puoi prendere un anello più grande, quindi il numero di giri può essere ridotto, oppure prendere un induttore industriale con un'induttanza di centinaia di microhenry (μH). Il chip 555 può essere sostituito con un analogico domestico K1006VI1 o con una versione CMOS 7555 - ha un consumo di corrente inferiore (la batteria “durerà” un po' più a lungo) e una gamma più ampia di tensioni operative, ma ha un'uscita più debole (se il multimetro richiede più di 10 mA, potrebbe non produrre una tale corrente, soprattutto con una tensione di alimentazione così bassa) e, come tutte le strutture CMOS, “non gradisce” l'aumento della tensione in uscita. Caratteristiche del dispositivo Il dispositivo inizia a funzionare subito dopo il montaggio, l'intero setup consiste nell'impostare la tensione di uscita selezionando un diodo zener VD1, mentre all'uscita deve essere collegata una resistenza da 3 kOhm (simulatore di carico) in parallelo al condensatore C3,1, ma non un multimetro! È vietato accendere il convertitore con un diodo zener non saldato, altrimenti la tensione di uscita sarà illimitata e il circuito potrebbe "uccidersi". È inoltre possibile aumentare la frequenza operativa diminuendo la resistenza del resistore R1 o del condensatore C1 (se funziona a una frequenza audio, si sente un cigolio ad alta frequenza). Quando la lunghezza dei fili della batteria è inferiore a 10...20 cm, non è necessario un condensatore di filtro di potenza oppure è possibile posizionare un condensatore con una capacità di 1 μF o più tra i pin 8 e 0,1 del microcircuito. Svantaggi identificati Innanzitutto, il dispositivo contiene due generatori (un oscillatore principale del microcircuito ADC - il convertitore analogico-digitale del dispositivo, il secondo generatore del convertitore), che funzionano alle stesse frequenze, cioè si influenzeranno a vicenda ( battiti di frequenza) e la precisione della misurazione si deteriorerà seriamente. In secondo luogo, la frequenza del generatore del convertitore cambia costantemente a seconda della corrente di carico e della tensione della batteria (perché nel circuito di feedback positivo è presente un resistore, non un generatore di corrente), quindi diventa impossibile prevederne e correggerne l'influenza. Nello specifico per un multimetro, l'ideale sarebbe un generatore comune per l'ADC e il convertitore con una frequenza operativa fissa. La seconda versione del convertitore Il circuito di un tale convertitore è leggermente più complicato ed è mostrato in Fig. 1.7.
Sull'elemento DD1.1 è assemblato un generatore che sincronizza il convertitore tramite il condensatore C2 e il chip ADC tramite C5. I multimetri più economici si basano sull'ADC ICL7106 a doppia integrazione o sui suoi analoghi (40 pin, 3,5 cifre sul display); per sincronizzare questo microcircuito è sufficiente rimuovere il condensatore tra i pin 38 e 40 (dissaldare la sua gamba dal pin 38 e saldarlo al pin 11 DD1.1). Grazie al feedback attraverso un resistore tra i pin 39 e 40, il microcircuito può essere sincronizzato anche con segnali molto deboli con un'ampiezza di una frazione di volt, quindi i segnali a 3 volt dall'uscita DD1.1 sono sufficienti per il suo normale funzionamento . In questo modo potete aumentare la velocità di misurazione di 5...10 volte, semplicemente aumentando la frequenza del clock. La precisione della misura praticamente non ne risente, peggiorando al massimo di 3...5 unità della cifra meno significativa. Non è necessario stabilizzare la frequenza operativa per un ADC di questo tipo, quindi un generatore RC convenzionale è abbastanza sufficiente per la normale precisione di misurazione. Un multivibratore di standby è assemblato sugli elementi DD1.2 e DD1.3, la cui durata dell'impulso può essere variata da quasi lo 2 al 0% utilizzando il transistor VT50. Nello stato iniziale, alla sua uscita (pin 6) è "logico" (livello di alta tensione) e il condensatore C3 viene caricato tramite il diodo VD1. Dopo l'arrivo dell'impulso negativo di attivazione, il multivibratore “si ribalta”, alla sua uscita appare uno “zero logico” (basso livello di tensione), che blocca il multivibratore attraverso il pin 2 di DD1.2 e apre il transistor VT1 attraverso l'inverter su DD1.4. Il circuito rimarrà in questo stato fino a quando il condensatore C3 non sarà scarico, dopodiché lo "zero" sul pin 5 di DD1.3 "ribalterà" il multivibratore riportandolo allo stato di standby (a questo punto C2 avrà il tempo di caricarsi e anche il pin 1 di DD1.1 sarà "1"), il transistor VT1 si chiuderà e la bobina L1 si scaricherà sul condensatore C4. Dopo l'arrivo dell'impulso successivo, tutti i processi sopra indicati si ripeteranno nuovamente. Pertanto, la quantità di energia immagazzinata nella bobina L1 dipende solo dal tempo di scarica del condensatore C3, cioè da quanto è aperto il transistor VT2, che lo aiuta a scaricarsi. Maggiore è la tensione di uscita, maggiore è l'apertura del transistor; Pertanto, la tensione di uscita viene stabilizzata ad un certo livello, a seconda della tensione di stabilizzazione del diodo zener VD3. Per caricare la batteria viene utilizzato un semplice convertitore su uno stabilizzatore lineare regolabile DA1. Devi solo caricare la batteria, anche con un uso frequente del multimetro, un paio di volte all'anno, quindi non ha senso installare qui uno stabilizzatore di commutazione più complesso e costoso. Lo stabilizzatore è configurato per una tensione di uscita di 4,4...4,7 V, che viene ridotta di 5 V dal diodo VD0,5.0,7 ai valori standard per una batteria agli ioni di litio carica (3,9...4,1 V). Questo diodo è necessario per impedire che la batteria si scarichi tramite DA1 in modalità offline. Per caricare la batteria è necessario applicare una tensione di 1...6 V all'ingresso dell'XS12 e dimenticarsene per 3...10 ore. Con una tensione di ingresso elevata (più di 9 V), il chip DA1 diventa molto caldo, quindi è necessario fornire un dissipatore di calore o abbassare la tensione di ingresso. Come DA1, è possibile utilizzare gli stabilizzatori da 5 volt KR142EN5A, EH5V, 7805 - ma poi, per sopprimere la tensione "in eccesso", VD5 deve essere costituito da due diodi collegati in serie. I transistor in questo circuito possono essere utilizzati in quasi tutte le strutture npn; i KT315B sono inclusi qui solo perché l'autore ne ha accumulati troppi. Funzioneranno normalmente KT3102, 9014, BC547, BC817, ecc.. I diodi KD521 possono essere sostituiti con KD522 o 1N4148, VD1 e VD2 dovrebbero essere ad alta frequenza, idealmente BAV70 o BAW56. VD5 è qualsiasi diodo (non Schottky) di media potenza (KD226, 1N4001). Il diodo VD4 è opzionale, è solo che l'autore aveva diodi zener a tensione troppo bassa e la tensione di uscita non ha raggiunto il minimo di 8,5 V, e ogni diodo aggiuntivo in connessione diretta aggiunge 0,7 V alla tensione di uscita. come per il circuito precedente (100..200 µH). Lo schema di modifica per l'interruttore multimetro è mostrato in Fig. 1.8.
Il terminale positivo della batteria è collegato all'anello centrale del multimetro, ma colleghiamo questo anello al “+” della batteria. L'anello successivo è il secondo contatto dell'interruttore ed è collegato agli elementi del circuito del multimetro tramite 3-4 tracce. Queste tracce sul lato opposto della scheda devono essere interrotte e collegate tra loro, così come con l'uscita +9V del convertitore. Colleghiamo l'anello al bus di alimentazione +3 V del convertitore. Pertanto, il multimetro è collegato all'uscita del convertitore e accendiamo e spegniamo l'alimentazione del convertitore con l'interruttore del multimetro. Tali difficoltà devono essere affrontate a causa del fatto che il convertitore consuma una certa corrente (3...5 mA) anche quando il carico è spento, e la batteria si scaricherà con tale corrente in circa una settimana. Qui spegniamo l'alimentazione al convertitore stesso e la batteria durerà per diversi mesi. Un dispositivo correttamente assemblato da parti riparabili non necessita di regolazione, a volte è sufficiente regolare la tensione con i resistori R7, R8 (caricatore) e diodo zener VD3 (convertitore).
La scheda ha le dimensioni di una batteria standard ed è installata nell'apposito vano. La batteria è posizionata sotto l'interruttore, di solito lì c'è abbastanza spazio, prima è necessario avvolgerla con diversi strati di nastro isolante o almeno nastro adesivo. Per collegare il connettore del caricabatterie, è necessario praticare un foro nel corpo del multimetro. La disposizione dei pin dei diversi connettori XS1 a volte differisce, quindi potrebbe essere necessario modificare leggermente la scheda. Per evitare che la batteria e la scheda del convertitore “penzolino” all'interno del multimetro, è necessario premerle con qualcosa all'interno della custodia. Autori: Koshkarov A.P., Koldunov A.S.
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