Как поставить регулятор на батарею: выбор и установка терморегуляторов. Как выбрать терморегулятор для батарей – виды, правила установки и регулировки отопления

Настольные компьютеры, ноутбуки, нетбуки, смартфоны, КПК и многие другие бытовые электронные устройства обычно требуют более одного источника питания. Этим устройствам может потребоваться адаптер переменного/постоянного тока, зарядное устройство, высоковольтный преобразователь постоянного/переменного тока для подсветки и другие расходные материалы для лазеров, сотовых радиопередатчиков и вспомогательного оборудования. В таблице 1 показаны семь наиболее распространенных топологий регуляторов, начиная с самой простой (линейный регулятор) и заканчивая более специализированными типами (такими как обратноходовой регулятор). В таблице также перечислены плюсы и минусы каждой топологии.

Замена компонентов в базовой компоновке импульсного регулятора изменяет топологию схемы для создания регуляторов, которые повышают (повышают), понижают (понижают) или инвертируют входное напряжение.

В таблице 1 опущены сложные топологии, такие как регуляторы с резонансным режимом, поскольку их схемы управления потребляют слишком много энергии для небольших систем с батарейным питанием.

Линейные регуляторы

Линейные регуляторы являются самыми простыми и наименее дорогими из цепей питания, но за эту простоту использования обычно приходится платить. Как показано в таблице 1, линейный регулятор включает в себя цепь обратной связи, которая контролирует выходное напряжение и регулирует его, управляя внутренним проходным транзистором (BJT или FET). Когда входное напряжение значительно превышает выходное, этот проходной транзистор рассеивает большое количество энергии (в виде тепла) при высоких нагрузках.

Линейные регуляторы особенно полезны при генерировании нескольких напряжений при использовании в сочетании с импульсным стабилизатором. Импульсный регулятор может повысить низкое напряжение батареи. Однако вместо включения нескольких коммутаторов на небольшой плате разработчик может использовать линейные стабилизаторы из-за их низкого напряжения падения напряжения для генерирования напряжения для последующих цепей.

При использовании линейных стабилизаторов в системах с батарейным питанием важно учитывать ток покоя (типовой и при полной нагрузке), падение напряжения, тепловые характеристики и возможность отключения. В таблице 2 приведено краткое сравнение некоторых доступных регуляторов Maxim.

Подробное обсуждение использования линейных стабилизаторов в схемах с батарейным питанием см. в примечании Максима по применению 751 «Линейные регуляторы в портативных устройствах».

Зарядные насосы

В зарядных насосах вместо схемы индуктор-переключатель используются конденсаторы для создания выходного напряжения, которое выше или ниже входного напряжения. Регулируемые зарядовые насосы также могут инвертировать входное напряжение.

Как правило, ток нагрузки, который может быть получен от зарядного насоса, ограничен несколькими десятками миллиампер. Выходное напряжение нерегулируемого зарядового насоса зависит от входного напряжения и падает пропорционально увеличению выходной нагрузки. Регулируемые зарядовые насосы не зависят от входного напряжения для установки выходного напряжения, и, поскольку они регулируются, выходное напряжение остается постоянным во всем диапазоне нагрузки. Некоторые зарядные насосы способны работать с током до 125 мА (например, MAX159).5), а некоторые способны управлять нагрузкой до 250 мА (MAX682).

Зарядные насосы создают шум, поскольку они заряжают и разряжают конденсаторы, подключенные к устройству.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы более эффективны и универсальны, чем их линейные аналоги; однако они также заметно сложнее. Параметры, влияющие на выбор топологии импульсного регулятора, включают пиковые токи нагрузки и катушки индуктивности, уровень напряжения на силовых транзисторах и необходимость магнитного и емкостного накопления энергии.

Импульсные регуляторы имеют два основных режима работы: прерывистая проводимость и непрерывная проводимость. Прерывистая проводимость позволяет току катушки индуктивности уменьшаться до нуля в течение каждого периода отключения, что приводит к передаче накопленной энергии на выходной фильтр во время каждого цикла переключения. В режиме непрерывной проводимости ток дросселя включает постоянную составляющую, пропорциональную нагрузке. Работа в режиме непрерывной проводимости снижает отношение пикового тока катушки индуктивности к постоянному току нагрузки.

Пиковый ток критический

В преобразователях с батарейным питанием важен пиковый ток дросселя, поскольку он напрямую влияет на срок службы батареи и паразитные потери. Это частично зависит от среднего тока нагрузки, который зависит от топологии регулятора, схемы управления и от того, является ли ток катушки индуктивности непрерывным. Некоторые примеры уравнений для пикового тока дросселя для повышающих, понижающих и инверторных регуляторов показаны в таблице 3.

*LIR — отношение пульсирующего тока катушки индуктивности к среднему длительному току при минимальной нагрузке. цикл. Для достижения максимальной производительности и стабильности рекомендуется выбирать LIR в диапазоне от 20% до 40%.
**T _S — период переключения устройства, η — КПД.
***D _MAX — максимальный рабочий цикл.

Стресс напряжения на переключающем транзисторе обычно не является проблемой в преобразователях с батарейным питанием. Номинальное напряжение пробоя 20 В и 50 В для стандартных полевых МОП-транзисторов с логическим уровнем соответствует низким входным и выходным напряжениям, характерным для систем с батарейным питанием.

Потери на рассеяние возникают в резистивных паразитных элементах схемы регулятора. Эти потери включают последовательное сопротивление батареи; эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов фильтра; сопротивление переключающего элемента во включенном состоянии; и сопротивления в проводниках, разъемах и проводке. Потери на рассеяние пропорциональны квадрату пикового тока, поэтому уменьшение пикового тока может значительно минимизировать эти потери. Кроме того, внутренний нагрев ухудшает химический состав батареи; таким образом, чрезмерные пиковые токи могут сократить срок службы батареи.

Другие топологии

Понижающий стабилизатор — лучший выбор для большинства приложений с батарейным питанием, при условии, что вы можете позволить себе несколько ячеек, необходимых для создания напряжения батареи, превышающего выходное напряжение. Ток дросселя течет к нагрузке во время обеих фаз цикла переключения, поэтому средний выходной ток равен среднему току дросселя. Теоретически наивысшая эффективность достигается при низком входном напряжении, что подразумевает меньшее количество последовательно соединенных аккумуляторных элементов. Если предположить, что падение напряжения на ключе во включенном состоянии намного меньше, чем входное напряжение, низкое входное напряжение снижает коммутационные потери переменного тока и среднеквадратичное значение входного тока.

Повышающие или повышающие топологии генерируют выходное напряжение, превышающее входное напряжение. Эти топологии подходят для систем с ограниченным количеством аккумуляторных ячеек. Поскольку напряжение источника и индуктор включены последовательно, средний ток индуктора равен входному постоянному току, определяемому как:

I = P _IN /V _IN .

Топология инвертора, которую иногда называют повышающе-понижающей схемой, генерирует выходное напряжение, полярность которого противоположна входному напряжению. Инвертирующие и обратноходовые регуляторы электрически эквивалентны с точки зрения пиковых токов и скачков напряжения. Эти топологии наиболее подходят для приложений, требующих отрицательных или гальванизированных изолированных выходов. В целом, однако, высокие пиковые токи делают инвертирующую и обратноходовую топологии наименее привлекательными из простых регуляторов.

Топологии инвертирования и повышения напряжения работают аналогично, но выпрямленный ток дросселя инвертора создает отрицательное выходное напряжение, которому не помогает напряжение источника. Переключающий элемент инвертирующего регулятора испытывает большие перепады напряжения, что приводит к высоким потерям при переключении и нагрузке на транзистор. Кроме того, инвертирующие и обратноходовые регуляторы имеют входные и выходные фильтрующие конденсаторы, которые должны поглощать токовые формы с большими резкими переходами. На входном конденсаторе повышающего регулятора или выходном конденсаторе понижающего регулятора отсутствуют быстро движущиеся фронты сигнала.

В перевернутых топологиях используется переключатель нижнего плеча

Вы можете реализовать три отрицательные топологии, соединив классическую понижающую, повышающую и инвертирующую топологии вверх ногами. Поскольку источник входного сигнала инвертирован, вы должны поменять полярность переключателя и выпрямителя (рис. 1). Хотя в настоящее время нет IC для отрицательных топологий, вы можете использовать IC с положительным выходом. Отрицательные понижающие регуляторы обладают всеми преимуществами положительных понижающих регуляторов, а также дополнительным преимуществом переключателя на нижней стороне. В расположении переключателя на нижней стороне используется низкое сопротивление R9.0043 ON n-канальный МОП-транзистор с простыми требованиями к приводу. Отрицательный понижающий стабилизатор имеет некоторую привлекательность в качестве альтернативы основному положительному стабилизатору, если батарея может плавать относительно заземления системы. Если возможно плавание батареи, вы можете подключить заземление к отрицательному выходу, а положительную клемму батареи к V _OUT .

Рисунок 1. Вы можете инвертировать источник входного сигнала для создания трех топологий. Отрицательный понижающий регулятор (а) имеет выходное напряжение меньше, чем входное. Регулятор отрицательного наддува (b) имеет более отрицательный выходной сигнал, чем входной. Регулятор отрицательного инвертора (c) преобразует отрицательное напряжение в положительное.

Обычно создание нескольких независимых источников питания является лучшим способом создания нескольких выходов в системе с батарейным питанием. Используя простые топологии, вы можете генерировать оставшиеся выходы, используя готовые трансформаторы или отводы подкачки заряда.

Схемы со связанными индукторами (рис. 2) добавляют дополнительную обмотку обратного хода к базовым понижающим, повышающим и инвертирующим топологиям. Эти гибридные схемы важны, потому что они сочетают в себе преимущества обратноходовой схемы (изоляция и недорогие несколько выходов) с преимуществами понижающей и повышающей схем (низкий пиковый ток и низкое напряжение на коммутаторе). Схема со связанными индукторами уменьшает количество обмоток, необходимых для обратноходовой цепи, на одну. Это уменьшение позволяет использовать недорогой трансформатор 1:1 для создания двойных выходных напряжений.

Рисунок 2. Вы можете создать вспомогательные выходы, используя обратноходовой трансформатор вместо катушки индуктивности в базовой (а) понижающей, (б) повышающей и (в) инверторной конфигурациях.

Понижающий регулятор с обратноходовой обмоткой представляет собой топологию с превосходными характеристиками для многих приложений с батарейным питанием. Конфигурация отличается превосходной стабильностью, малыми пиковыми токами и низкой пульсацией на выходе. Выходная мощность вторичной обмотки зависит от тока нагрузки основного выхода и величины дифференциального напряжения на первичной обмотке. Оба этих параметра определяют изменение потока ядра, которое запускает механизм обратного хода.

Как правило, общая доступная вторичная мощность равна или меньше половины основной выходной мощности. Это правило применимо только к высоким входным напряжениям. Оценка вторичной мощности должна быть уменьшена для входных напряжений, менее чем в полтора раза превышающих выходное напряжение. Правило также не распространяется на схемы, содержащие вместо простого диода синхронный выпрямитель. Синхронные выпрямители имеют короткий период, когда первичный ток меняется на противоположный, что приводит к тому, что схема ведет себя как прямоходовой преобразователь, а не как обратноходовой преобразователь. Чтобы эффективно передавать мощность в этом режиме прямой проводимости, вы должны минимизировать индуктивность рассеяния, уменьшить импеданс обмотки и выпрямителя и сделать конденсатор фильтра вторичного выхода настолько малым, насколько позволяют пульсации напряжения.

Диодно-конденсаторные зарядные насосы предлагают еще один недорогой способ генерировать несколько выходных напряжений. Любой узел с повторяющимися импульсами может управлять диодно-конденсаторной сетью. Выход драйвера затвора или основной коммутационный узел импульсного стабилизатора является хорошим кандидатом. Повышающие регуляторы, например, могут заряжать летающий конденсатор через заземленный диод, когда на коммутационном узле высокий уровень (рис. 3а). Включение повышающего транзистора приводит к тому, что коммутационный узел и положительное напряжение летучего конденсатора становятся равными 0 В. Когда повышающий транзистор включается, летающий конденсатор генерирует отрицательное напряжение, разряжаясь во вспомогательный выходной конденсатор.

Рис. 3. Отвод подкачки заряда предлагает недорогой способ получения вспомогательного выходного напряжения. Отвод повышающей цепи с летающим конденсатором (а) создает насос отрицательного заряда. Размещение удвоителя напряжения на выходе повышающей схемы (b) создает вспомогательный высоковольтный выход.

Диодно-конденсаторные насосы заряда лучше всего работают с повышающими импульсными регуляторами, потому что узел переключения колеблется между четко определенным напряжением V _OUT и землей. Таким образом, регулирование линии является хорошим. Тем не менее, регулировка не так хороша, когда вы касаетесь переключающего узла понижающего или инвертирующего регулятора, потому что высокое напряжение, В _IN , зависит от напряжения батареи. Регулирование нагрузки в основном зависит от прямого падения напряжения на диоде. В приложениях с очень низким энергопотреблением (20 мА или меньше), где выходной сигнал питает операционный усилитель или драйвер с затвором на полевых транзисторах, вы можете построить накачку заряда, используя недорогой диод 1N4148 и конденсатор емкостью 1 мФ.

ESP8266 Регулятор напряжения для LiPo и Li-ion аккумуляторов

В этом руководстве вы создадите регулятор напряжения для ESP8266, который можно использовать с LiPo и Li-ion аккумуляторами.

Посмотреть видеоверсию

Это руководство доступно в видеоформате (см. ниже) и в письменном формате (продолжить чтение на этой странице).

Энергопотребление ESP8266

ESP8266 хорошо известен своей энергоемкостью при выполнении задач Wi-Fi. Он может потреблять от 50 мА до 170 мА . Таким образом, для многих приложений использование батареи не идеально.

Лучше использовать адаптер питания, подключенный к сетевому напряжению, чтобы не беспокоиться об энергопотреблении или зарядке аккумуляторов.

ESP8266 с LiPo/Li-ion батареями

Однако для некоторых проектов ESP8266, которые используют Deep Sleep или не требуют постоянного подключения к Wi-Fi, использование ESP8266 с перезаряжаемыми LiPo батареями является отличным решением.

Для приложений с питанием от батареи рекомендуется версия ESP-01, так как на ней мало компонентов.

Такие платы, как ESP-12 NodeMCU, потребляют больше энергии, поскольку имеют дополнительные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, микросхемы и т. д.

Поскольку аккумуляторы LiPo настолько легкодоступны, я покажу вам, как питать ESP8266 с помощью этих типов аккумуляторов.

Это руководство не посвящено разным типам аккумуляторов, и я не буду объяснять, как работают аккумуляторы LiPo. Я просто дам вам соответствующую информацию, чтобы завершить представленную схему…

Li-Po/Li-ion аккумуляторы полностью заряжены

Li-Po/Li-ion аккумуляторы можно перезаряжать с помощью соответствующего зарядного устройства, и они выдают примерно 4,2 В, когда полностью заряжены.

Однако по мере того, как аккумулятор продолжает разряжаться, напряжение начинает падать:

Рекомендуемое рабочее напряжение ESP составляет 3,3 В , но он может работать при напряжении от 3 В до 3,6 В. Таким образом, вы не можете подключить аккумулятор LiPo напрямую к ESP8266, вам понадобится регулятор напряжения.

Типовой линейный регулятор напряжения

Использование типичного линейного регулятора напряжения для снижения напряжения с 4,2 В до 3,3 В не является хорошей идеей.

Например: если аккумулятор разрядится до 3,7 В, ваш регулятор напряжения перестанет работать, потому что у него высокое напряжение отсечки.

Регулятор с малым падением напряжения или LDO-регулятор

Для эффективного снижения напряжения с батареями необходимо использовать регулятор с малым падением напряжения или также известный как LDO-регулятор, который может регулировать выходное напряжение.

Низкое падение напряжения означает, что даже если батарея выдает только 3,4 В, она все равно будет работать. Имейте в виду, что вы никогда не должны полностью разряжать батарею LiPo, потому что это повредит батарею или сократит срок ее службы.

Изучив LDO, я нашел пару хороших альтернатив. Один из лучших LDO, которые я нашел, был MCP1700-3302E .

Он довольно маленький и выглядит как транзистор.

Существует также хорошая альтернатива, например, HT7333-A .

Любые LDO, характеристики которых аналогичны характеристикам, указанным в таблице ниже, также являются хорошей альтернативой. Ваш LDO должен иметь аналогичные характеристики, когда речь идет о:

• Выходное напряжение (3,3 В)
• Ток покоя (~1,6 мкА)
• Выходной ток (~250 мА)
• Низкое падение напряжения (~178 мВ)

Распиновка MCP1700-3302E

Вот распиновка MCP1700-3302E. У него есть GND, Vin и Vout:

Другие LDO должны иметь такую ​​же распиновку, но вы всегда должны искать лист данных вашего LDO, чтобы проверить его распиновку.

ESP8266 Схема с LDO и литий-ионным аккумулятором

Вот детали, необходимые для разработки регулятора напряжения для ESP-01:

• LiPo аккумулятор или литий-ионный аккумулятор + держатель батареи
• Регулятор с малым падением напряжения или LDO-регулятор (MCP1700-3302E)
• Электролитический конденсатор 1000 мкФ
• Керамический конденсатор 100 нФ
• Кнопка
• Резистор 10 кОм
• ESP-01 – читать Лучшие платы для разработки Wi-Fi ESP8266
• Макет
• Проволочные перемычки

Вы можете использовать предыдущие ссылки или перейти непосредственно на MakerAdvisor. com/tools, чтобы найти все детали для своих проектов по лучшей цене!

Взгляните на схему ниже, чтобы разработать собственную схему регулятора напряжения.

Или вы можете взглянуть на диаграмму Fritzing (керамический конденсатор и электролитический конденсатор подключены параллельно к GND и Vout LDO):

Кнопка подключена к контакту RESET ESP-01. , для данного руководства это не обязательно, но будет полезно в будущем руководстве.

Вот окончательная схема:

О конденсаторах

LDO должны иметь керамический конденсатор и электролитический конденсатор, подключенные параллельно к GND и Vout для сглаживания пиков напряжения. Конденсаторы предотвращают неожиданные сбросы или нестабильное поведение вашего ESP8266.

Тестирование

Давайте запитаем схему и проверим ее. Измерив мультиметром напряжение Vin литий-полимерного аккумулятора, вы увидите, что оно выдает примерно 4,2 В, потому что в настоящее время аккумулятор полностью заряжен.

Разместим щуп мультиметра на Vвых. Теперь мультиметр измеряет примерно 3,3 В, что является рекомендуемым напряжением для питания ESP8266.

Регулятор напряжения

Популярная схема стабилизатора напряжения для ESP8266 выглядит следующим образом:

Вы припаиваете конденсаторы к LDO, так что в итоге у вас есть регулятор напряжения в маленьком форм-факторе, который можно легко использовать в ваших проектах.

Надеюсь, это руководство было полезным. Эта концепция будет очень полезна для будущих проектов.

Это отрывок из моей электронной книги по домашней автоматизации с использованием ESP8266. Если вам нравится ESP8266 и вы хотите узнать о нем больше. Я рекомендую скачать мой курс: Домашняя автоматизация с использованием ESP8266.

Надеюсь, это руководство было полезным. Спасибо за прочтение!

Создание проектов веб-сервера с платами ESP32 и ESP8266 для удаленного управления выходами и датчиками.