Источники питания

Для работы любой системы необходим источник энергии. Без него любая система — всего лишь “кусок железа”. Очень важно правильно выбрать источник питания. Подключение малогабаритного переносного устройства к электрической сети привязывает его к розетке, и такое решение вряд ли можно считать приемлемым.

Батареи

Батареи — самый распространенный источник энергии для портативных электронных систем. Батареи различаются по типам, корпусам и энергетическим показателям. Энергетический показатель батареи характеризует количество хранящейся в ней энергии. Батареи бывают двух типов: одноразовые (гальванические элементы) и перезаряжаемые (аккумуляторы). Гальванические элементы дают энергию сразу же после их сборки и продолжают давать ее до тех пор, пока не разрядятся. Перезарядить их нельзя, поэтому после эксплуатации их приходится выбрасывать.

Аккумуляторы необходимо зарядить перед использованием. В течение срока эксплуатации их можно перезаряжать много раз, и поэтому они являются предпочтительными (по сравнению с обычными батарейками), хотя и более дорогими. Кроме того, удельная энергия аккумуляторной батареи хуже, чем у обычной. Удельная энергия — это количество энергии, хранящейся в батарее, на единицу ее массы. Обычная батарея может выдавать рабочее напряжение дольше, чем аккумуляторная такой же массы.

Широко распространен угольно-цинковый гальванический элемент. Его корпус сделан из цинка (который служит отрицательным полюсом). Корпус заполнен пастой из хлорида цинка и хлорида аммония (которая служит электролитом). Положительный полюс батареи — угольный или графитовый стержень, окруженный смесью диоксида марганца и угольным порошком. По мере использования цинковая оболочка становится тоньше (вследствие химической реакции, ведущей к окислению цинка) и в конечном итоге электролит начинает вытекать из корпуса. Угольноцинковые батареи — самые дешевые. Выпускаются также щелочные батареи (рис. 1.16), которые похожи на угольно-цинковые, но в качестве электролита здесь применяется гидроксид калия. Номинальное напряжение угольно-цинковых и щелочных гальванических элементов равно 1,5 В.

Часто встречаются гальванические элементы на основе оксида серебра и лития. Батарейки на оксиде серебра (их напряжение равно 1,8 В) имеют гораздо более высокую удельную энергию, чем угольно-цинковые. В литиевых батареях используются различные химические соединения, в зависимости от комбинации которых напряжение может составлять от 1,5 до 3,7 В. На рис. 1.17 показаны литиевые и щелочные батарейки в форме таблеток.

Главная проблема с одноразовыми батареями состоит в том, что после разряда их необходимо сразу перерабатывать. В этом плане аккумуляторы гораздо привлекательнее: их можно несколько раз перезарядить (до того, как вам придется отправить их на переработку). Аккумуляторные батареи изготавливают как стандартныхразмеров, так и на заказ. Самые распространенные — свинцово-кислотные, никелькадмиевые, никель-металлогидридные, а также литий-ионные батареи. На рис. 1.18 показана литий-ионная батарея. Для зарядки аккумуляторных батарей требуются специальные зарядные устройства. Так, например, заряжать литий-ионную батарею зарядным устройством для никель-металлогидридных батарей нельзя, поскольку при этом батарея будет повреждена, что может привести даже к ее взрыву и пожару.

Рис. 1.16. Щелочные батареи типоразмеров 9 В и AAA

Рис. 1.17. Маленькая LR44 — щелочная батарея, большая CR2032 — литиевая батарея

Рис. 1.18. Литий-ионная батарея

Батареи гальванических элементов и аккумуляторов выпускаются нескольких стандартных размеров. Некоторые из самых распространенных перечислены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Обозначения батарей и их размеры

Обозначение	Форма	Длина, мм	Диаметр/Длина, мм	Высота, мм
ААА	Цилиндр	44,5	12	–
АА	Цилиндр	50,5	14,5	–
9V	Прямоугольный параллелепипед	48,5	17,5	26,5
C	Цилиндр	50	26,2	–
D	Цилиндр	61,5	34,2	–

При выборе батареи необходимо учитывать следующие характеристики:

• Энергетическая емкость. Выражается в ампер-часах (или в миллиампер-часах). Это важная характеристика, которая показывает, как долго “продержится” батарея до полного разряда. Помните, что чем больше емкость батареи, тем больше ее размеры.
• Напряжение, выдаваемое батареей.
• Условия хранения (когда батарея не используется).
• Срок хранения. Показывает, сколько времени пройдет до полного саморазряда батареи. Не стоит покупать батареи про запас на десять лет вперед, если срок хранения составляет, к примеру, всего один год.
• Рабочая температура. Все химические источники тока имеют плохие температурные характеристики, т. к. скорость протекания химических реакций сильно зависит от температуры. При слишком низких (и высоких) температурах батареи работают очень плохо.
• Рабочий цикл. Некоторые батареи работают лучше тогда, когда они используются с перерывами. Рабочий цикл батареи показывает, можно ли включать батарею в непрерывном режиме без потери ее характеристик.

Батарея из фруктов

Для получения электричества можно использовать некоторые фрукты и овощи. Содержащиеся в них электролиты пригодны для изготовления простейших гальванических элементов. Для изготовления “фруктового” источника питания потребуется лимон, а также два электрода: медный и цинковый. Напряжение такого источника питания равно примерно 0,9 В. Величина тока зависит от площади электродов, контактирующих с электролитом, а также от качества самого электролита.

Для нашей “фруктовой” батареи потребуется несколько лимонов (это будет электролит) и несколько кусков меди и цинка (это будут электроды). В качестве меди мы возьмем кусок фольгированного текстолита, а в качестве цинка — полоски, вырезанные из корпуса обычной батареи.

Последовательность изготовления батареи.

1. Начнем с куска текстолита. Его размер должен быть достаточным, чтобы на нем можно было создать три или четыре “острова”, на каждом из которых поместится половинка разрезанного лимона.
2. Затем вскроем несколько батареек размера АА, сделаем из них цинковые полоски и зачистим их наждачной бумагой. Припаяем к каждой полоске по проводу. Вместо цинковых полосок подойдут даже гвозди. Гвозди обычно покрыты цинком, поэтому пригодны для изготовления батареи.
3. На медной печатной плате нужно напильником (или пилой) вырезать “островки” и припаять к каждому из них второй конец провода (от цинковой полоски). На одну ячейку понадобится половина лимона, один медный островок и одна цинковая полоска.
4. Положите половинки лимонов на медные островки. Сделайте на лимонах разрезы и вставьте в них цинковые полоски. На рис. 1.19 показана лимонная батарея из четырех элементов.

Рис. 1.19. “Лимонная” батарея

Адаптер переменного тока

Если вы используете адаптер переменного тока, то потребуется выпрямитель и емкостной фильтр (рис. 1.20). Выпрямитель можно собрать на отдельных диодах (например, 1N4001) либо взять готовый выпрямительный блок. Если источник питания выдает ток 500 мА, то диоды должны быть рассчитаны, по меньшей мере, на 1 А. Нужно учесть еще одну характеристику диода: максимальное обратное напряжение (Peak Inverse Voltage, PIV), которое диод может выдержать до пробоя. Так, например, максимальное обратное напряжение диода 1N4001 равно 50 В, а 1N4007 — 1000 В.

Рис. 1.20. Схема из выпрямителя и емкостного фильтра может использоваться как с переменным током, так и с постоянным

Амплитуда выпрямленного напряжения на конденсаторе фильтра в 1,4 раза выше среднеквадратического значения входного напряжения переменного тока. Значит, переменное напряжение в 10 В создаст на конденсаторе фильтра постоянное напряжение, равное примерно 14 В. Важно также правильно выбрать емкость и рабочее напряжение конденсатора фильтра. Чем больше емкость, тем меньше пульсации напряжения на выходе. При напряжении 14 В следует взять конденсатор с рабочим напряжением не менее 25 В. Схему, изображенную на рис. 1.20, можно использовать и с источником постоянного тока. При этом полярность подключенного источника тока не будет иметь значения.

Чтобы получить законченный блок питания, в схему необходимо добавить стабилизатор напряжения. В продаже имеются готовые микросхемы стабилизаторов. Мы рассмотрим интегральные линейные стабилизаторы напряжения с малым током покоя.

Широко распространены трехвыводные стабилизаторы типа 78ХХ. Они выпускаются многими компаниями и изготавливаются в разных корпусах. Для питания процессора AVR следует выбрать стабилизатор 7805 с выходным напряжением 5 В. Он может выдавать выходной ток до 1 А и питаться постоянным напряжением от 9 до 20 В. Подойдет также микросхема LM317, напряжение на выходе которой (1,25 В и выше) можно настроить при помощи двух резисторов.

Стабилизатор напряжения — это активный компонент, и при работе он потребляет некоторый ток. Этот ток называется током покоя и имеет порядок десятков миллиампер. Существуют специальные стабилизаторы напряжения с очень малым током покоя. Микросхемы LP2950 и LP2951 — это линейные микромощные стабилизаторы с низким током покоя (около 75 мА) компании National Semiconductor, имеющие очень малое падение напряжения (примерно 40 мВ при высокоомной нагрузке и 380 мВ при максимальном токе в 100 мА). Они идеально приспособлены для систем с питанием от батарей. Более того, ток покоя микросхем LP2950/LP2951 при повышении напряжения на них увеличивается очень незначительно. Это самые популярные трехконтактные стабилизаторы с низким током покоя, именно поэтому мы используем их во многих наших проектах.

Питание от разъема USB

USB — это популярный интерфейс, который есть и в персональных компьютерах, и в ноутбуках. В основном он служит для обмена данными между компьютером и периферийными устройствами (такими, как видеокамера, клавиатура и т. д.). USB — это четырехпроводной интерфейс с двумя контактами для питания и двумя для обмена данными. Питание на USB подается с компьютера. Номинальное напряжение равно +5 В, но по спецификации USB 2.0 оно может составлять от +4,4 до +5,25 В. Внешние устройства, подключаемые к компьютеру, например, мышь, могут получать питание от USB. Этим напряжением можно питать и другие внешние схемы, которые не связаны компьютером. Мы применяем питание от USB для устройств, расположенных недалеко от компьютера. С разъема USB можно взять ток до 100 мА (можно получить и больше, но для этого нужно дать запрос с устройства). В табл. 1.3 приведены питающие и сигнальные контакты порта USB.

Таблица 1.3. Контакты разъема USB (для форм-факторов Mini и Micro)

Контакт	Наименование	Цвет провода	Назначение
1	Vcc	Красный	+5 В
2	D	Белый	Сигнал данных –ve
3	D+	Зеленый	Сигнал данных +ve
4	ID	Бесцветный	Идентификация устройства
5	Gnd	Черный	Заземление

Солнечная энергия

Солнечную энергию можно преобразовать для питания электронных схем при помощи фотоэлементов. Солнечные батареи выдают мощность от долей ватта до нескольких сотен ватт. Выходная мощность солнечного элемента прямо пропорциональна интенсивности падающего света и обратно пропорциональна температуре элемента. Для максимально эффективной работы солнечный элемент должен быть расположен перпендикулярно падающему свету. Обычно выходную мощность солнечной батареи регулируют с помощью специальных схем. Чаще всего от солнечных элементов заряжают аккумуляторы, чтобы от них можно было постоянно получать электроэнергию. Подробности по использованию солнечных элементов описываются в одной из последующих глав.

Генератор на эффекте Фарадея

Рабочее напряжение для многих небольших встроенных систем можно получить при помощи интересного устройства, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Подобная конструкция, действие которой основано на эффекте Фарадея, показана на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Генератор напряжения на эффекте Фарадея

Рис. 1.22. Сигнал на выходе генератора Фарадея

Корпусом служит трубка из оргстекла подходящего диаметра и длины. Внутри нее находится магнит. Поверх трубки намотана катушка из нескольких сотен витков медного изолированного провода. Концы трубки закрыты заглушками. Для генерирования напряжения конструкцию встряхивают, магнит перемещается по трубке и создает в медном проводе переменное напряжение, которое можно выпрямить и отфильтровать, например, при помощи схемы, показанной на рис. 1.20. Единственная проблема состоит в том, что вам придется трясти эту трубку ровно столько времени, сколько вы хотите вырабатывать напряжение. Как только магнит останавливается, генерация напряжения прекращается и сохраняется только остаточное напряжение на конденсаторе. Но во многих случаях и этого оказывается достаточно. Одно из возможных решений — применение ионисторов. Однако для их зарядки до требуемого напряжения вам может понадобиться потратить много времени и сил.

В качестве стабилизатора к такому источнику рекомендуем использовать микросхему LP2950.

На рис. 1.22 показана осциллограмма сигнала на выходе генератора Фарадея. Ее размах превышает 17 В.

Питание от энергии радиоволн

Радиоволны вездесущи, и поэтому от них можно получать энергию (при помощи подходящей антенны) и преобразовывать ее в постоянное напряжение. К сожалению, для этого требуется либо значительная мощность источника, либо большая антенна, либо близость к радиопередатчику. Во многих коммерческих системах радиочастотная энергия для таких целей излучается специально. Одно из подобных применений — система радиочастотной идентификации (RFID), блок-схема которой показана на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Принцип питания от источника радиочастоты

Система состоит из передатчика немодулированного сигнала на подходящей частоте. Рабочая частота определяется кварцем. Чем выше частота, тем меньшая передающая антенна потребуется. Передатчик питается постоянным напряжением. Излучаемый сигнал принимается резонансным контуром (состоящим из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости), настроенным на частоту передатчика. Сигнал от резонансного контура поступает на диодный выпрямитель, фильтр и далее на стабилизатор напряжения. На выходе стабилизатора присутствует требуемое рабочее напряжение. Такая система может выдавать несколько милливатт мощности при расстоянии между передатчиком и приемником в несколько десятков сантиметров.

Выполненная по этому принципу реальная система описана в документе “Wireless battery energizes low-power devices”: www.edn.com/article/CA6501085.html.