Стабилизация электропитания

Важным моментом в электротехнике является наличие прочного контакта в цепи источников питания — особенно это касается подвижных роботов, рывки и толчки которых могут приводфить к разрыву питающей цепи. Для того чтобы разрывов питающей цепи не происходило, следует использовать подпружиненные контакты и специальные боксы с подобными контактами (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Бокс для элементов питания

Электронные компоненты — такие как контроллеры, датчики, приемопередающие устройства — очень чувствительны к скачкам напряжения в цепи электропитания. Аккумуляторы хотя и промаркированы номинальным напряжением, но реальное их напряжение колеблется в зависимости от уровня заряда в широких пределах. Решением вопроса стабилизации электрического питания занимаются специальные приборы — стабилизаторы питания.

Стабилизация напряжения

Самым доступным понижающим стабилизатором напряжения питания является микросхема КР142ЕН5А или ее аналог L7805CV. Схема подключения L7805CV показана на рис. 3.4: на вход поступает нестабилизированное напряжение 7 В или выше, а на выходе получаем стабильное постоянное напряжение 5 В.

а

 

б

Рис. 3.4. Стабилизация питания при помощи микросхемы L7805CV: а — схема соединений; б — электрическая схема

Существуют подобные стабилизаторы и на другое напряжение, а также настраиваемые стабилизаторы. Платы Arduino UNO и Nano содержат как минимум один стабилизатор напряжения на 5 и на 3,3 В.

Широкое применение получили портативные импульсные стабилизаторы. Они имеют высокий коэффициент полезного действия, достигающий 95%.

В последнее время стали популярны импульсные понижающие стабилизаторы
китайского производства с настройкой выходного напряжения на основе микросхемы LM2596 (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Понижающий импульсный стабилизатор на основе микросхемы LM2596

Существуют также повышающие импульсные стабилизаторы. Они могут, имея на входе 3,7 В, преобразовать это напряжение в нужные для питания электроники робота повышенные значения. Визуально они мало отличаются от понижающих стабилизаторов напряжения, но работают на микросхеме XL6009 (рис. 3.6).

Хорошо зарекомендовал себя в работе повышающий импульсный стабилизатор со входным напряжением от 2 В и стабилизированным выходным напряжением 5,1–5,2 В (рис. 3.7). Такие стабилизаторы удобны, если требуется сэкономить на массе элементов питания и размерах создаваемого прибора, применяя низковольтную батарею, — например, один литий-ионный аккумулятор на 3,7 В. Таким образом, если для электропитания нашей схемы необходимо 5 В и небольшой ток (не более 0,5 А), можно получить довольно компактное устройство.

Рис. 3.6. Повышающий импульсный стабилизатор на микросхеме XL6009	Рис. 3.7. Повышающий импульсный стабилизатор на заданное напряжение 5,2 В

 

Стабилизация электрического тока

В некоторых случаях может потребоваться получить не стабильное напряжение, а стабильный ток, — например, при подключении светодиодов. В этом случае используются стабилизаторы тока. Стабилизатор тока несложно построить на микросхеме LM317T (рис. 3.8). Значение стабилизируемого тока зависит от величины сопротивления R1.

Рис. 3.8. Источник тока на базе LM317T

 

Защита от короткого замыкания по питанию

Возьмите солевую или алкалиновую батарейку формата ААА и на небольшое время (4–5 секунд) замкните проводом положительный и отрицательный контакт батареи. Батарея начнет нагреваться и через весьма непродолжительное время выйдет из строя — это результат короткого замыкания по питанию. Мы выбрали для эксперимента именно батарейку формата ААА не случайно, дело в том, что она не рассчитана на генерацию тока, величина которого приведет к серьезным последствиям, — например, к возгоранию или расплавлению изоляции провода. Если подобное сделать с Li-ion аккумулятором, то вполне возможен настоящий пожар.
У меня лично дело доходило до расплавления изоляции проводов и бокса, в котором находились аккумуляторы, при этом стальные контакты аккумуляторов аккумуляторного отсека накалялись докрасна, что может стать причиной пожара или серьезных ожогов.

На рис. 3.10 приведен пример схемы короткого замыкания. Здесь в правильную схему после выключателя добавлен проводник с надписью КЗ, который напрямую соединяет между собой положительный и отрицательный контакты блока питания. При этом ток потечет не через нагрузку, а по правилу наименьшего сопротивления через проводник КЗ, что приведет к короткому замыканию со всеми описанными последствиями. Как правило, короткое замыкание происходит вследствие ошибочного монтажа, плохой изоляции или случайного замыкания проводников питания.

Рис. 3.10. Короткое замыкание в электрической цепи

Как не допустить короткого замыкания?

1. Профилактика.

Мы уже научились пользоваться мультиметром. Вынем из робота батарею/
аккумулятор и включим мультиметр в режим тестирования наличия соединения (режим ). Если у робота есть выключатель, установим его в положение «Включено». Затем присоединим одну измерительную клемму к положительному контакту питания робота, а вторую — к отрицательному контакту (рис. 3.11). Прибор может сразу показать наличие прямого соединения, а через несколько секунд начать показывать высокое сопротивление, — это нормально и означает, что заряжаются конденсаторы внутри робота. Если же и через несколько секунд наличие прямого соединения не ушло, значит, в цепи вашего робота имеется короткое замыкание, и устанавливать в него элементы питания нельзя до устранения аварии.

Рис. 3.11. Схема замера мультиметром для профилактики короткого замыкания

Рис. 3.12. Установка предохранителя в цепь питания

1. Предохранители.

В цепь питания, например до выключателя питания, добавляем предохранитель (рис. 3.12). Задача предохранителя — разорвать электрическую цепь, если ток через предохранитель превысит установленный для конкретного предохранителя лимит. Существуют плавкие предохранители и восстанавливающиеся (многоразовые). Плавкий предохранитель при протекании через него высокого тока плавится и размыкает цепь, восстанавливающийся предохранитель при протекании через него тока больше установленного значения нагревается и перестает проводить ток.

Защита от неверной установки элементов питания (переполюсовки)

На предшествующих рисунках в качестве нагрузки (потребителя) для блока питания мы приводили мотор постоянного тока — для него изменение направления
тока в цепи питания не страшно, вал мотора просто начнет вращаться в другую сторону. Но есть потребители электричества, неправильное подключение которых приведет к выходу их из строя, — к ним относятся электронные схемы, микро­контроллеры, умные датчики. Для защиты их от неправильного подключения можно установить диод или диод Шоттки (рис. 3.13). Диод проводит электрический ток только в одну сторону, благодаря чему неправильное подключение аккумуляторов приведет к тому, что устройство не включится, — на него просто не будет подано напряжение.

На диоде при нормальном включении происходит небольшое падение напряжения: для обычного диода примерно 0,5–0,6 вольта, для диода Шоттки — примерно 0,2 вольта. Из-за этого напряжение, подаваемое на вашу схему, будет немного меньше того, что выходит от источника питания.

Рис. 3.13. Схема с защитой от переполюсовки питания

Зарядка аккумуляторов на примере Li-ion и Li-pol

Разберемся, каким образом производится зарядка аккумуляторов, на примере Li-ion-аккумулятора формата 18650 с номинальным напряжением 3,7 вольта (мы планируем использовать для питания нашего робота именно их).

Существуют профессиональные устройства для зарядки аккумуляторов, которые подключаются к сети ~220 вольт и заряжают, разряжают и тестируют аккумуляторы, но подобные устройства довольно дорогие и не всегда все их функции нам необходимы. Поэтому мы рассмотрим два самых простых примера.

На рис. 3.14 представлено зарядное устройство на основе модуля TP4056 для аккумуляторов формата 18650 с номинальным напряжением 3,7 В. Такой зарядкой, если ее припаять к аккумуляторному боксу, можно заряжать аккумуляторы поочередно. Модуль подключается к обычному зарядному устройству от смартфонов с разъ-
емом micro-USB или USB Type-C (в зависимости от того, какая это версия модуля), а к его контактам B+ и B– подключается заряжаемый аккумулятор. Если к контактам OUT+ и OUT– подключить нагрузку, модуль дополнительно защитит аккумулятор от глубокого разряда (отключит аккумулятор заранее). Когда идет заряд, на модуле горит красный светодиод, после прекращении заряда загорается синий.

Рис. 3.14. Зарядное устройство на основе модуля TP4056 для одного аккумулятора

Следующий модуль заряда (рис. 3.15) появился недавно — его отличие от предыдущего в том, что он рассчитан на заряд двух последовательно соединенных аккумуляторов 18650. На практике этот модуль можно установить прямо на робота и заряжать аккумуляторы, не вынимая их из бокса, что весьма удобно. Однако учтите, что аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость, иначе один из них, что с меньшей емкостью, быстро выйдет из строя.

Рис. 3.15. Зарядное утройство для пары последовательно соединенных аккумуляторов 18650

Выводы

Мы познакомились здесь с различными источниками электропитания, в том числе наиболее эффективными никель-металлогидридными или литий-ионными аккумуляторами, которые и рекомендуется использовать для питания роботов. Рассмотрели наиболее распространенные схемы стабилизаторов питания — от них следует запитывать контроллеры, датчики, приемопередающие устройства и другие чувствительные к питанию устройства, защиту от короткого замыкания и переполюсовки, а также простейшие устройства зарядки литий-ионных аккумуляторов.

В следующей главе мы обратимся к основам программирования контроллера Arduino, на котором строится система принятия решений робота, — его «компьютера».