Источник бесперебойного питания-зарядное

Схема предложенного бесперебойника-зарядного скорее всего пригодится тем, кто использует низковольтную аппаратуру в паре с резервным источником питания. Самый яркий пример – это свитч висящий в железном шкафу в подъезде с примотанным к нему 12-вольтовым аккумулятором от ИБП. Как правило аккумуляторы в таких “схемах” долго не живут – и если защиту от перезаряда еще как-то можно учесть подобрав напряжение источника питания, то вот от глубокого разряда – с защитой дело обстоит хуже. В общем и целом согласование аккумулятора, нагрузки и источника основного питания редко уходит дальше, чем в китайском фонарике. Три детали в два ряда… Обычные же компьютерные ИБП малопригодны для эксплуатации, так как громоздки и не расчитаны на работу в таких полевых условиях. Да и имеют куда худшие характеристики. В плане того что ИБП работает от силы минут 15-20, а от того же аккумулятора свитч / роутер / модем / точка доступа и т.д. в состоянии проработать 2-3 и более часов. Специализированные же устройства, более чем уверен есть, но мне не попадались. Да и не готова основная масса провайдеров тратить на это деньги. Мне тут Киевстар с полгода назад интернет подключал – качество кабеля – “покрасить и выбросить”.
Итак идея простая: есть устройство с напряжением питания 5…24в., в конце цепи может стоять повышающий или понижающий преобразователь с хорошим КПД, 12-вольтовый аккумулятор (например самый распространенный от ИБП) и основной источник питания. Все это нужно скоммутировать таким образом, чтобы при наличии 220в. устройство питалось от основной сети, в ее отсутствие от аккумулятора, аккумулятор мог подзаряжаться от сети и процесс зарядки был контролируем, в т.ч. была защита от глубокого разряда. Также было бы недурно, чтобы имелся индикатор напряжения аккумулятора и устройство имело минимальные габариты.

Низковольтный источник бесперебойного питания по габаритам сравнимо со спичечным коробком, содержит в себе микроконтроллер ATtiny24, три ключа на p-канальных полевых транзисторах, четырех-светодиодный многофункциональный индикатор, кнопку и стабилизатор напряжения 7805. Сразу оговорюсь: разработка пригодна для применения / коммутации больших токов при применении других аккумуляторов, ключей и диодов, здесь же будет рассматриваться устройство способное отдать в нагрузку 1…2А при 12в и зарядить стандартный аккумулятор 12в 7а током 0.5…0.7А.

Сама схема:

Логика работы следующая: при первом появлении напряжения на входе основного питания МК открывает ключ Q3, т.е. подключает к своему питанию кроме основного – резервное (аккумулятор). Зачем такие сложности вы поймете дальше. Далее после выдержки нескольких секунд подключается нагрузка, ключ Q1, т.е. питание на нагрузку при полном обесточивании системы подается автоматически. Такое поведение устройства можно изменить, но об этом тоже позже. Далее измеряется напряжение на аккумуляторе и если оно менее 14.5 в – включается зарядка (Q2). Во время нормальной работы напряжение на аноде D2 ниже, чем на катоде и потому диод заперт – энергия из аккумулятора не расходуется, ток течет через D1. При пропадании основного напряжения, резервное питание через D2 теперь уже беспрепятственно попадает в нагрузку, а D1 в свою очередь препятствует разряду аккумулятора на цепи источника питания. Примерно также работает пара из D3, D4 но для питания МК. При кратковременных пропаданиях напряжения питания зарядка (ключ Q2) временно отключается во избежание дополнительной нагрузки на источник питания при переходных процессах. Наличие основного напряжения питания детектируется МК через цепь R1, R3. При длительной работе от аккумулятора по достижении 10.8в включается настойчиво-быстрое моргание светодиода LED1, по достижении 10.5в отключается сначала нагрузка, и если напряжение осталось в тех же пределах МК отключит сам себя ключом Q3 и аккумулятор фактически останется нагруженным только на высокоомную цепь измерительного делителя R7R13, что позволит ему находиться в таком состоянии довольно долгое время без вреда для здоровья. Повторный старт будет возможен только от основного питания. Примерно так работает логика зарядки на ноутбуках.

Управление.
В устройстве присутствует кнопка. Кратковременное (обычное) ее нажатие в момент включенной нагрузки не значит ничего, а в момент когда нагрузка выключена – на несколько секунд выведет информацию о состоянии аккумулятора. Длительное же нажатие >2c циклически включит – выключит нагрузку (Q1) те кому эта функция не нужна – могут ее (кнопку и C5) не ставить и этот абзац до конца не читать – по умолчанию все будет работать как описано выше. Но есть возможность переключить устройство в режим запоминания состояния питания. Т.е. если устройство работает не круглосуточно, включается-выключается оператором и нуждается в резервировании питания – этот режим для этих целей. Например вы выключили устройство, ночью пропал свет и причем надолго – утром вы не получите посаженный аккумулятор и отсутствие возможности поработать. Для того чтобы изменить эту настройку – нужно отключить аккумулятор, основное питание, зажать кнопку и подать основное питание. Вы увидите два моргающих средних светодиода (что-то вроде “-00-“) мнемонически символизирующих непрерывную линию, т.е. “всегда включен”. Это и есть значение по умолчанию. Далее кнопкой выбираем мигающие два крайних светодиода (“0–0”) и длинным нажатием >2c подтверждаем выбор. Загорятся все четыре светодиода, нажимаем кнопку (можно кратко) еще раз, устройство перезагрузится и отныне будет запоминать последнее состояние перед пропаданием питания.

Индикация. Тут все достаточно просто. Пороги отображения есть уже на схеме. Также индикатор является и индикацией включенной нагрузки и как вы уже, надеюсь поняли не светится если она отключена. Но тем не менее есть возможность посмотреть состояние аккумулятора кратковременным нажатием кнопки. При включенной нагрузке и полностью заряженным аккумулятором (Q2 – зарядка выключена) просто светится один светодиод LED4. Его лучше выделить отдельным цветом и фактически эта индикация – нормальное состояние устройства. Когда зарядка включена (подразумевается что основное питание присутствует) – индицируется полоса из светодиодов: LED1 или LED1+LED2 и т.д. Причем заметьте – горящие все четыре светодиода будут означать, что аккумулятор достиг напряжения 14в, но зарядка продолжается. Во время отсутствующего основного напряжения индикация работает иначе. В целях экономии используется только один светодиод в “проблесковом” режиме. Как я уже и писал – по достижении напряжения 10.8в светодиод LED1 начинает мигать очень быстро – и это означает что конец очень близок.

Конструкция. Расположено все на плате размерами 55×25 мм на одностороннем текстолите. Плата не содержит ни одного отверстия, что позволяет разместить ее на двухстороннем скотче непосредственно на аккумуляторе. Токоограничительный резистор R5 может быть составлен из комбинации SMD резисторов и/или в виде 2-ваттного резистора припаянного к контактным площадкам обозначенными как квадраты с отверстиями.

Налаживание. Сводится к точной настройке порогов зажигания светодиодов резистором R7 (или R13) и настройкой при помощи R5 тока зарядки аккумулятора. Поcчитать можно по формуле R=(Uп-Uб)/I, где Uп – основное напряжение питания, Uб – минимальное напряжение аккумулятора, I – максимальный ток заряда.

Фузы:

И полезная информация для дочитавших до конца:
С5 ставим после программирования.

Обновление 31.03.13:
1. Исправлена ошибка с ложным попаданием в меню настройки при включении. Виновник C5, точнее недостаточное время на его зарядку в процессе начальной инициализации. Хотя как вариант, его можно и не ставить. Программное подавление дребезга контактов справляется и без него.
2. Добавлена индикация “мертвого” аккумулятора. Порог 9.5в, все светодиоды равномерно моргают.
Оновлення 05.12.17:

Файлы:
Схема в SPlan 7.
Печатная плата в Spint Layout 6.
Прошивка.