Zasilacz awaryjny SuperCap UPS 5 V

Krótkotrwałe zaniki napięcia zasilającego, zwane fachowo zapadami napięcia, potrafią być brzemienne w skutkach dla naszych routerów, modemów, dysków i... kto wie, czego jeszcze? Pół biedy, jeżeli cały system można podłączyć do dużego zasilacza UPS i na niego zrzucić całą odpowiedzialność za podtrzymanie zasilania w chwilach, kiedy sieć energetyczna „robi sobie wolne”. Problem pojawia się, kiedy takiej możliwości nie ma.

Jako przykład weźmy prosty rejestrator, który po wyłączeniu musi się bardzo długo uruchamiać lub nawet wymaga jakiejś konfiguracji ręcznej, zanim powróci do pracy. Zasilany z ładowarki USB, wciśnięty gdzieś na ciasną półkę. Albo modem LTE, któremu nie w smak, kiedy się go na chwilę odłącza, bo przywrócenie go potem do pełnej sprawności trwa nawet kilka cennych minut. Stawianie dużych i ciężkich zasilaczy przy takich „maluchach” można byłoby uznać za nonsens, zwłaszcza kiedy brak na to miejsca. Wtedy można sięgnąć po opisany niżej układ.

Budowa

Magazynem energii elektrycznej są superkondensatory C1…C4 oraz CX1…CX4 o pojemności 10 F. Niestety, ich dopuszczalne napięcie pracy wynosi jedynie 2,7 V, dlatego trzeba je łączyć po dwa szeregowo, by mogły pracować przy napięciu 5 V (lub zbliżonym), jakie dostarcza magistrala USB. Wypadkowa pojemność każdej gałęzi wynosi wtedy 5 F, choć zgromadzona w nich energia pozostaje bez zmian – po prostu ładunek dzieli się między dwa kondensatory.

Dwa obwody pilnują tego, aby rozkładał się on możliwie po równo. Pierwszym jest dzielnik rezystancyjny, który składa się z rezystorów R2 i R3. Płynie przez niego prąd o natężeniu mniejszym niż 1 mA. Ów dzielnik działa jak źródło napięcia o SEM równej połowie napięcia przyłożonego do bloku kondensatorów, z ustaloną rezystancją wewnętrzną, przez którą będzie płynął prąd wyrównujący potencjały, jeżeli dolna lub górna część tego bloku miałaby inne napięcie od swojego partnera.

Opisany powyżej dzielnik dobrze sobie radzi przy niewielkich prądach upływu, jakie mogą powstać podczas przechowywania już naładowanego urządzenia. W trakcie ładowania oraz rozładowywania przez superkondensatory płyną prądy o sporym natężeniu, których taki dzielnik mógłby nie dać rady skompensować, dlatego tym zadaniem zajmuje się również wzmacniacz operacyjny US1 – skonfigurowany do pracy w roli wtórnika napięciowego. Przez dzielnik R5+R6, który wyznacza mu potencjał równy połowie napięcia na kondensatorach, płynie znacznie mniejszy prąd niż przez R2+R3, za to zadaniem wzmacniacza operacyjnego jest zmniejszenie rezystancji wewnętrznej tak powstałego źródła napięciowego. Rezystor R4 ustala jego rezystancję wewnętrzną na 22 Ω, aby nie uległ on wzbudzeniu podczas sterowania obciążeniem o niskiej impedancji wewnętrznej. Taki obwód ma zdecydowanie większe pole manewru, jeżeli chodzi o wymuszanie prądów upływu o większym natężeniu, za to zaczyna pracować dopiero wtedy, kiedy napięcie na kondensatorach wyniesie co najmniej 2,7 V. Ta wartość to również dopuszczalne napięcie pracy superkondensatorów, więc wzmacniacz operacyjny zajmie się wyrównywaniem napięć między nimi, zanim zostanie przekroczona bezpieczna wartość napięcia na równoległym połączeniu górnych lub dolnych superkondensatorów.

Ładowaniem pojemnościowego magazynu energii zajmuje się zwykły rezystor przewlekany o rezystancji 10 Ω i dopuszczalnej mocy 3 W. Ogranicza on ich prąd ładowania do około 0,4 A w przypadku, gdy superkondensatory są w pełni rozładowane. Szeregowo z nim znajduje się dioda D1, która pełni dwie funkcje. Nie dość, że zabezpiecza baterię superkondensatorów przed wybuchem w razie odwrotnego podłączenia zasilania, to jeszcze separuje wejście zasilania od tejże baterii. Dzięki temu można rozpoznać moment zaniku napięcia zasilającego z zewnętrznego zasilacza – potencjał katody tej diody pozostaje wtedy na wysokim poziomie (utrzymywanym przez kondensatory), zaś potencjał jej anody spada do niskiego poziomu.

Ten spadek wykrywa mikrokontroler z rodziny ATtiny, a to za pomocą dwóch dzielników napięcia. Pierwszy z nich, złożony z rezystorów R12+R16, służy do detekcji obecności napięcia wejściowego. Jego wypadkowa rezystancja, widziana od strony wejścia, jest niewielka (6,6 kΩ), dzięki czemu prąd upływu diody D1 nie może odłożyć na nim napięcia o wartości wystarczającej do fałszywej detekcji. Drugi dzielnik R13+R17 służy do monitorowania stanu naładowania superkondensatorów. Teoretycznie można byłoby się posłużyć potencjałem pochodzącym z dzielnika R5+R6, ale istnieje ryzyko, że sygnał programujący mikrokontroler mógłby zakłócić działanie wtórnika napięciowego, szkodząc tym samym superkondensatorom. Użycie tego wyprowadzenia mikrokontrolera do pomiaru napięcia wejściowego (a nie napięcia na kondensatorach) spowodowałoby natomiast, że ów pin MCU byłby sterowany przez stosunkowo niską rezystancję, co mogłoby zaburzać proces programowania układu. Lepiej zatem było wprowadzić kolejny dzielnik, czyniąc ten pomiar niezależnym od innych czynników.

Napięcie wyjściowe jest z kolei odseparowane od wejściowego dwiema połączonymi równolegle diodami typu SS32. Charakteryzują się one bardzo niskim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia, do czego przyczynia się również połączenie dwóch takich diod szeregowo – zmniejsza to prąd płynący przez każdą z nich, jak również spadek napięcia na ich rezystancjach szeregowych. Z napięcia wyjściowego jest zasilany wspomniany już mikrokontroler i to tłumaczy, dlaczego potrzebne były dzielniki napięciowe do pomiaru napięcia wejściowego oraz potencjału baterii superkondensatorów. Mikrokontroler używa napięcia zasilającego jako odniesienia dla przetwornika analogowo-cyfrowego. W wyniku spadku napięcia na D2 i D3 jego napięcie zasilające może być niższe niż to, które trzeba zmierzyć. Dlatego bezpieczniej było podzielić je w niewielkim stopniu, aby mieć pewność, że potencjały mierzone przez przetwornik nie będą wyższe od napięcia referencyjnego.