Kenneth Martin
По удельной плотности энергии литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы превосходят аккумуляторы большинства остальных типов. Номинальное выходное напряжение у них также больше: 3.7 В против 1.2…2 В у других. Но при необходимости замены старого 6-вольтового аккумулятора литий-полимерными возникают определенные проблемы. Напряжение одного аккумулятора слишком мало, а напряжение батареи из двух LiPo аккумуляторов (с номинальным напряжением 7.4 В) может оказаться слишком велико.
К примеру, я купил на распродаже фонарь с силой света 2 млн. кандел. Устройство выдавало мощный луч хорошо сфокусированного света, но его маленький свинцово-кислотный аккумулятор моментально разряжался. Я решил установить в фонарь батарею из двух LiPo аккумуляторов для радиоуправляемых моделей самолетов емкостью 2800 мАч, в результате чего и была разработана схема, которую я предлагаю вашему вниманию.
Показанная на Рисунке 1 схема преобразует постоянное напряжение LiPo батареи диапазона 6.4…8.4 В в импульсное напряжение с номинальным среднеквадратичным значением 6.25 В, от которого питается 18-ваттная лампочка накаливания на напряжение 6 В и ток 3 А. Когда заряд батареи подходит к концу, и напряжение на ней падает до 6.3 В, коммутация входного напряжения прекращается, и батарея подключается к лампочке напрямую. При напряжении 6 В батарея, во избежание глубоко разряда, совсем отключается от нагрузки.
 |
|
| Рис. 1. | С помощью понижающего преобразователя напряжения аккумуляторы устаревших технологий можно заменить литий-полимерными аккумуляторами большой емкости. |
Схема высокоэффективна и использует недорогие, производимые в течение многих лет компоненты. Важно обратить внимание на то, что схема пригодна только для питания нагрузок, способных работать на переменном токе, таких как лампы, реле, некоторые типы моторов и небольшие нагреватели. Выходное напряжение схемы не фильтровано и не стабилизировано.
На U1a, одном из четырех компараторов микросхемы LM339, сделан автоколебательный мультивибратор, работающий на частоте порядка 750 Гц. Размах напряжения на конденсаторе C1 уменьшается по мере того, как LiPo батарея разряжается и напряжение на ней падает. Компаратор U1b сравнивает пилообразное напряжение на конденсаторе C1 с опорным напряжением 4.49 В, вырабатываемым микросхемой U3 регулируемого параллельного стабилизатора TL431 (Рисунок 2). Выход U1b соединен с затвором коммутирующего нагрузку N-канального MOSFET транзистора T1.
 |
|
| Рис. 2. | Включенный автоколебательным мультивибратором компаратор U1a формирует пилообразные импульсы на конденсаторе C1 (VC1). U1b сравнивает VC1 с опорным напряжением VRef, которое создается микросхемой U3. При напряжении на батарее аккумуляторов более 6.4 В, на выходе U1b вырабатываются прямоугольные импульсы VOut. |
При напряжении на LiPo батарее, превышающем 6.4 В, U1b вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью, зависящей от напряжения батареи. С уменьшением напряжения батареи коэффициент заполнения растет до тех пор, пока импульсы на выходе U1b не исчезнут совсем. При напряжении батареи менее 6.3 В, пики напряжения на конденсаторе C1 становятся меньше опорного напряжения 4.49 В, и на выходе U1b устанавливается постоянное напряжение высокого уровня. Соответственно, нагрузка будет постоянно подключена к батарее открытым MOSFET транзистором.
Компаратор U1c сравнивает напряжение батареи (на делителе R11, R12) с опорным напряжением 4.49 В. Выходы U1c и U1b соединены вместе (выходы с открытым коллектором) и выключают MOSFET транзистор (отключают нагрузку), когда напряжение батареи опускается ниже 6 В.
Особенностью этой схемы является взаимосвязь коэффициента заполнения и среднеквадратичного значения коммутируемого постоянного напряжения. При разряде батареи коэффициент заполнения увеличивается, стремясь поддерживать среднее напряжение на выходе постоянным. Тщательно подобранные номиналы показанных на Рисунке 1 компонентов позволяют сохранять номинальное среднеквадратичное выходное напряжение равным 6.25 В с отклонениями на более 0.25 В (4%) при изменении напряжения на батарее LiPo аккумуляторов от 8.4 до 6 В.
На Рисунке 3 изображена, полученная расчетным путем, зависимость среднеквадратичного значения выходного напряжения от напряжения батареи. Фонарь горит ярко, и яркость остается практически постоянной до полного разряда батареи.
 |
|
| Рис. 3. | Расчетные характеристики схемы демонстрируют сравнительно слабую зависимость выходного напряжения от напряжения батареи в диапазоне от 6.4 до 8.4 В. |
Основные расчетные выражения для схемы были введены в электронную таблицу Microsoft Excel. Вы можете скачать эту таблицу для оптимизации номиналов компонентов.
