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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ein stromsparender Konverter zur Stromversorgung einer 9-Volt-Last aus einer 3,7-Volt-Li-Ionen-Batterie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Einige moderne Geräte mit geringem Stromverbrauch verbrauchen einen sehr geringen Strom (mehrere Milliampere), benötigen für ihre Leistung jedoch eine zu exotische Quelle – eine 9-V-Batterie, die auch für maximal 30 ... 100 Stunden Gerätebetrieb ausreicht. Besonders seltsam sieht es jetzt aus, wenn Li-Ionen-Akkus aus diversen mobilen Geräten fast billiger sind als die Akkus selbst – Akkus. Daher ist es selbstverständlich, dass ein echter Funkamateur versucht, die Batterien an die Stromversorgung seines Geräts anzupassen, und nicht regelmäßig nach „antiken“ Batterien sucht. Betrachten wir ein herkömmliches (und beliebtes) Multimeter als Last mit geringem Stromverbrauch. M830, angetrieben von einem Element vom Typ „Korund“, dann werden zur Erzeugung einer Spannung von 9 V mindestens 2-3 in Reihe geschaltete Batterien benötigt, was uns nicht passt, sie passen einfach nicht in das Gerätegehäuse. Der einzige Ausweg besteht daher darin, eine Batterie und einen Aufwärtswandler zu verwenden. Auswahl der Elementbasis Die einfachste Lösung besteht darin, einen Timer vom Typ 555 (oder seine CMOS-Version 7555) in einem Impulswandler zu verwenden (kapazitive Wandler sind nicht geeignet, da wir einen zu großen Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung haben). Ein zusätzliches „Plus“ dieser Mikroschaltung ist, dass sie über einen Open-Collector-Ausgang verfügt, außerdem über einen ausreichend hohen Spannungsausgang, der Spannungen von bis zu +18 V bei jeder Betriebsversorgungsspannung standhält. Dadurch ist es möglich, einen Konverter aus buchstäblich einem Dutzend billiger und gemeinsamer Teile zusammenzubauen (Abb. 1.6).
Pin 3 des Chips ist ein normaler Zwei-Zustands-Ausgang und wird in dieser Schaltung zur Aufrechterhaltung der Erzeugung verwendet. Pin 7 ist ein Open-Collector-Ausgang, der einer erhöhten Spannung standhält und daher ohne Transistorfolger direkt an die Spule angeschlossen werden kann. Der Referenzspannungseingang (Pin 5) dient zur Regelung der Ausgangsspannung. Funktionsprinzip des Geräts Unmittelbar nach dem Anlegen der Versorgungsspannung wird der Kondensator C3 entladen, der Strom durch die Zenerdiode VD1 fließt nicht, die Spannung am REF-Eingang der Mikroschaltung beträgt 2/3 der Versorgungsspannung und das Tastverhältnis des Ausgangs Impulse beträgt 2 (d. h. die Impulsdauer ist gleich der Pausendauer), der Kondensator C3 lädt sich mit maximaler Geschwindigkeit auf. Die Diode VD2 wird benötigt, damit der entladene Kondensator C3 den Stromkreis nicht beeinträchtigt (die Spannung an Pin 5 nicht verringert), Widerstand R2 „nur für den Fall“ zum Schutz. Während sich dieser Kondensator auflädt, beginnt sich die Zenerdiode VD1 leicht zu öffnen und die Spannung an Pin 5 der Mikroschaltung steigt. Von hier aus verringert sich die Impulsdauer, die Pausendauer nimmt zu, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt und sich die Ausgangsspannung auf einem bestimmten Niveau stabilisiert. Der Wert der Ausgangsspannung hängt nur von der Stabilisierungsspannung der Zenerdiode VD1 ab und kann bei einer höheren Spannung bis zu 15 ... 18 V betragen, die Mikroschaltung kann ausfallen. Über Details Spule L1 ist auf einen Ferritring gewickelt. K7x5x2 (Außendurchmesser - 7 mm, Innendurchmesser - 5 mm, Dicke - 2 mm), ca. 50 ... 100 Windungen mit einem Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm. Sie können einen größeren Ring nehmen, dann kann die Anzahl der Windungen reduziert werden, oder Sie können eine Industriedrossel mit einer Induktivität von Hunderten von Mikrohenry (µH) nehmen. Die 555-Mikroschaltung kann durch das heimische Analogon K1006VI1 oder durch die CMOS-Version 7555 ersetzt werden – sie hat einen geringeren Stromverbrauch (die Batterie „hält“ etwas länger) und einen größeren Betriebsspannungsbereich, hat aber eine schwächere Leistung (wenn die Multimeter benötigt mehr als 10 mA, es kann sein, dass es keinen solchen Strom liefert, insbesondere bei einer so niedrigen Versorgungsspannung) und es „mag“ wie alle CMOS-Strukturen die erhöhte Spannung an seinem Ausgang nicht. Gerätefunktionen Das Gerät beginnt sofort nach der Montage zu arbeiten. Die gesamte Einstellung besteht darin, die Ausgangsspannung durch Auswahl der Zenerdiode VD1 einzustellen, während ein 3-kΩ-Widerstand (Lastsimulator) parallel zum Kondensator C3,1 (Lastsimulator) an den Ausgang angeschlossen werden muss. aber kein Multimeter! Es ist verboten, den Konverter mit einer ungelöteten Zenerdiode einzuschalten, da dann die Ausgangsspannung unbegrenzt ist und die Schaltung sich selbst „abtöten“ kann. Sie können die Betriebsfrequenz auch erhöhen, indem Sie den Widerstand des Widerstands R1 oder des Kondensators C1 verringern (wenn dieser mit einer Audiofrequenz arbeitet, ist ein hochfrequentes Quietschen zu hören). Wenn die Länge der Drähte von der Batterie weniger als 10 ... 20 cm beträgt, ist ein Filterkondensator für die Stromversorgung optional, oder Sie können einen Kondensator mit einer Kapazität von 1 uF oder mehr zwischen den Pins 8 und 0,1 der Mikroschaltung platzieren. Festgestellte Mängel Erstens enthält das Gerät zwei Oszillatoren (einen Hauptoszillator des ADC-Chips – Analog-Digital-Wandler des Geräts, den zweiten Generator des Wandlers), die mit den gleichen Frequenzen arbeiten, das heißt, sie beeinflussen sich gegenseitig (Frequenzschwebung). ) und die Messgenauigkeit wird sich erheblich verschlechtern. Zweitens ändert sich die Frequenz des Wandlergenerators ständig in Abhängigkeit vom Laststrom und der Batteriespannung (da sich im POS ein Widerstand befindet – positive Rückkopplungsschaltung und kein Stromgenerator), sodass es unmöglich wird, seinen Einfluss vorherzusagen und zu korrigieren . Speziell für ein Multimeter wären ein gemeinsamer Oszillator für den ADC und ein Wandler mit fester Betriebsfrequenz ideal. Die zweite Version des Konverters Die Schaltung eines solchen Konverters ist etwas komplizierter und in Abb. 1.7.
Auf dem DD1.1-Element ist ein Generator montiert, der über den Kondensator C2 den Wandler und über C5 den ADC-Chip taktet. Die meisten kostengünstigen Multimeter basieren auf dem Doppelintegrations-ADC ICL7106 oder seinen Analoga (40 Pins, 3,5 Zeichen auf dem Display). Um diesen Mikroschaltkreis zu takten, müssen Sie lediglich den Kondensator zwischen den Pins 38 und 40 entfernen (sein Bein von Pin 38 ablöten). und an den Pin 11DD1.1 anlöten). Dank der Rückkopplung über einen Widerstand zwischen den Pins 39 und 40 kann die Mikroschaltung auch bei sehr schwachen Signalen mit einer Amplitude von Bruchteilen eines Volts getaktet werden, sodass 3-Volt-Signale vom DD1.1-Ausgang für den normalen Betrieb völlig ausreichen . Übrigens ist es auf diese Weise möglich, die Messgeschwindigkeit um das 5 ... 10-fache zu erhöhen – einfach durch Erhöhung der Taktfrequenz. Die Messgenauigkeit leidet darunter praktisch nicht, sie verschlechtert sich um maximal 3 ... 5 Einheiten der niederwertigsten Ziffer. Für einen solchen ADC ist es nicht erforderlich, die Betriebsfrequenz zu stabilisieren, sodass ein herkömmlicher RC-Oszillator für eine normale Messgenauigkeit völlig ausreichend ist. Auf den Elementen DD1.2 und DD1.3 ist ein wartender Multivibrator aufgebaut, dessen Impulsdauer mit Hilfe des Transistors VT2 zwischen nahezu 0 und 50 % variieren kann. Im Ausgangszustand liegt an seinem Ausgang (Pin 6) eine „logische Einheit“ (hoher Spannungspegel) und der Kondensator C3 wird über die Diode VD1 geladen. Nach dem Eintreffen eines auslösenden negativen Impulses „tippt“ der Multivibrator, an seinem Ausgang erscheint eine „logische Null“ (niedriger Spannungspegel), die den Multivibrator über Pin 2 von DD1.2 blockiert und den Transistor VT1 über den Wechselrichter an DD1.4 öffnet .3 In diesem Zustand bleibt die Schaltung bis dahin, bis der Kondensator C5 entladen ist – danach „kippt“ die „Null“ an Pin 1.3 von DD2 den Multivibrator zurück in den Standby-Zustand (zu diesem Zeitpunkt hat C1 Zeit zum Aufladen und es liegt auch „1.1“ an Pin 1 von DD1), wird der Transistor VT1 geschlossen und die Spule L4 wird zum Kondensator CXNUMX entladen. Nach dem Eintreffen des nächsten Impulses wiederholen sich alle oben genannten Vorgänge erneut. Somit hängt die in der Spule L1 gespeicherte Energiemenge nur von der Entladezeit des Kondensators C3 ab, also davon, wie stark der Transistor VT2 geöffnet ist, was ihm bei der Entladung hilft. Je höher die Ausgangsspannung, desto stärker öffnet der Transistor; Somit wird die Ausgangsspannung abhängig von der Stabilisierungsspannung der Zenerdiode VD3 auf einem bestimmten Niveau stabilisiert. Zum Laden der Batterie wird ein einfacher Wandler an einem einstellbaren Linearstabilisator DA1 verwendet. Da Sie den Akku auch bei häufigem Gebrauch des Multimeters nur ein paar Mal im Jahr aufladen müssen, macht es keinen Sinn, hier einen komplexeren und teureren Schaltregler einzusetzen. Der Stabilisator ist auf eine Ausgangsspannung von 4,4 ... 4,7 V eingestellt, die durch die VD5-Diode um 0,5.0,7 V auf Standardwerte für einen geladenen Lithium-Ionen-Akku (3,9 ... 4,1 V) abgesenkt wird. . Diese Diode wird benötigt, damit der Akku nicht über DA1 offline entladen wird. Um den Akku aufzuladen, müssen Sie eine Spannung von 1 ... 6 V an den XS12-Eingang anlegen und diese 3 ... 10 Stunden lang vergessen. Bei einer hohen Eingangsspannung (mehr als 9 V) wird der DA1-Chip sehr heiß, sodass Sie entweder einen Kühlkörper vorsehen oder die Eingangsspannung senken müssen. Als DA1 können Sie die 5-Volt-Stabilisatoren KR142EN5A, EN5V, 7805 verwenden. Um die „überschüssige“ Spannung zu dämpfen, muss VD5 jedoch aus zwei in Reihe geschalteten Dioden bestehen. Transistoren in dieser Schaltung können in fast allen NPN-Strukturen verwendet werden, KT315B sind hier nur, weil der Autor zu viele davon angesammelt hat. KT3102, 9014, VS547, VS817 usw. funktionieren normal. Die Dioden KD521 können durch KD522 oder 1N4148 ersetzt werden, VD1 und VD2 sollten hochfrequenzideal sein, BAV70 oder BAW56. VD5 jede Diode (nicht Schottky) mittlerer Leistung (KD226, 1N4001). Die VD4-Diode ist optional, der Autor hatte nur Zenerdioden mit zu niedriger Spannung und die Ausgangsspannung erreichte nicht das Minimum von 8,5 V, und jede zusätzliche Diode in direkter Verbindung erhöht die Ausgangsspannung um 0,7 V. Die Spule ist die gleiche wie bei der vorherigen Schaltung (100...200 µH). Das Schema zur Fertigstellung des Multimeterschalters ist in Abb. dargestellt. 1.8.
Der Pluspol der Batterie ist mit dem zentralen Spurring des Multimeters verbunden, wir verbinden diesen Ring jedoch mit dem „+“ der Batterie. Der nächste Ring ist der zweite Kontakt des Schalters und ist in 3-4 Spuren mit den Schaltungselementen des Multimeters verbunden. Diese Leiterbahnen auf der gegenüberliegenden Seite der Platine müssen unterbrochen und miteinander sowie mit dem +9-V-Ausgang des Konverters verbunden werden. Der Ring ist an den +3-V-Stromversorgungsbus des Wandlers angeschlossen. Somit wird das Multimeter an den Ausgang des Konverters angeschlossen und mit dem Multimeterschalter schalten wir den Konverter ein und aus. Wir müssen auf solche Schwierigkeiten stoßen, da der Konverter auch bei ausgeschalteter Last etwas Strom (3 ... 5 mA) verbraucht und die Batterie in etwa einer Woche durch einen solchen Strom entladen wird. Hier schalten wir den Konverter selbst aus und der Akku hält mehrere Monate. Ein korrekt aus zu wartenden Teilen zusammengebautes Gerät muss nicht konfiguriert werden, manchmal muss die Spannung nur mit den Widerständen R7, R8 (Ladegerät) und einer Zenerdiode VD3 (Konverter) angepasst werden.
Die Platine hat die Abmessungen einer Standardbatterie und wird in das entsprechende Fach eingebaut. Der Akku wird unter dem Schalter platziert, in der Regel ist dort genügend Platz, man muss ihn zunächst mit mehreren Lagen Isolierband oder zumindest Klebeband umwickeln. Um den Ladestecker im Multimetergehäuse anzuschließen, müssen Sie ein Loch bohren. Die Pinbelegung für verschiedene XS1-Anschlüsse ist manchmal unterschiedlich, daher müssen Sie möglicherweise die Platine ein wenig modifizieren. Damit die Batterie und die Konverterplatine nicht im Inneren des Multimeters „baumeln“, müssen sie mit etwas im Inneren des Gehäuses angedrückt werden. Autoren: Koshkarov A.P., Koldunov A.S.
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