ENGINEERING AND IT

UDC 621.314

DOI 10.36074/2663-4139.04.04

БІЛЕВСЬКА Олена Станіславівна

Український науково-дослідний інститут спеціальної техніки та судових експертиз Служби Безпеки України

БІЛЕВСЬКИЙ Петро Станіславович

Український науково-дослідний інститут спеціальної техніки та судових експертиз Служби Безпеки України

ОЗЕРЧУК Ігор Михайлович

Український науково-дослідний інститут спеціальної техніки та судових експертиз Служби Безпеки України

УКРАЇНА

Галузь застосування портативних електронних пристроїв охоплює різні сфери діяльності людини. Різноманітні пристрої, що потребують електроживлення, міцно увійшли у життя туристів. Ліхтарі, GPS-навігатори, телефони, портативні радіостанції (рації), фото- та відеоапаратура. Існує багато видів елементів живлення. Як одноразові (батарейки) так і багаторазові із можливостю перезаряджання (акумулятори). Специфіка застосування портативних засобів накладає певні вимоги на системи батарейного електроживлення і визначає тенденції їх розвитку.

Вибір джерела живлення портативного пристрою виконувався із урахуванням наступних умов експлуатації:

• температура  навколишнього середовища від мінус 30ºС до 50ºС;

• довготривала відсутність можливості заряджання акумулятору;

• висока надійність елементу живлення при розряджанні малим та великим струмом;

• універсальність та можливість застосування в багатьох пристроях;

• довготривалий термін зберігання та стійкість до впливів механічних чинників.

Враховуючі перелічені вище умови експлуатації для живлення портативного пристрою було обрано елемент живлення типу DL123A Duracell.

Основні параметри елементу:

• енергетична щільність - 1500 mAh;

• термін зберігання - 10 років;

• температурні умови - від мінус 40ºС до 60ºС .

Елемент живлення широко використовується у ліхтарях, камерах, фотоапаратах, фарах, сиренах та електроінструментах.  На ринку також  широко представлені якісні аналоги елементу живлення типу DL123A виробництва Varta, GP, Panasonic, Energizer, Kodak, Camelion, Robiton.

Джерело живлення портативного пристрою має мати конструкцію вбудованого розташування та складатися із двох елементів живлення постійного струму типу DL123A Duracell [1] або аналога. Виходячи із графіків розряду елементу  DL123A (рис.1) його працездатність (при різних струмах розряду) зберігається при розрядженні до рівня напруги 2,4 В. Таким чином, робочий діапазон напруги вбудованого джерела живлення буде становити (4,8-6,0) В.

Рис 1. Час безперервної роботи

Напруга живлення зовнішнього джерела живлення постійного струму становить (5 ± 0,1) В, що обумовлено широким розповсюдженням цього значення серед мережних блоків живлення для портативної електротехніки. Також це значення відповідає стандартному ряду значень стабілізованої вихідної напруги (3.3, 5, 9, 12, 15, 24) AC/DC перетворювачів виробництва  Traco Power [2] та інших виробників.При підключенні зовнішнього джерела живлення необхідно виконувати відключення батарейного блоку живлення портативного пристрою. Існують різні способи та схеми автоматичного перемикання між декількома джерелами живлення.

Сама проста – використання двох діодів (рис. 2) для комутації батареї BT та зовнішнього джерела живлення UЖ. Буде відкритий тільки один з діодів, від того джерела живлення, напруга якого більша [3]. Переваги такої схеми – простота і дешевизна. Недоліки схеми очевидні – залежність вихідної напруги, що надходить на навантаження, від струму, температури навколишнього середовища та типу діода. Напруга завжди буде нижча на величину падіння напруги на діоді.

Наступна схема трохи складніша. Проте вона має і свою перевагу - для комутації батареї без втрат напруги використовується р-канальний польовий МДН-транзистор  (рис. 3).

Рис 2. Комутація за допомогоюдіодів діоди

Рис 3. Комутація за допомогою діоду та транзистору

Також для виключення втрат при комутації використовуються спеціалізовані мікросхеми для так званих “ідеальних діодів” (рис. 4), зокрема LTC4412 [4]. Мікросхема використовується для керування р-канальним польовим МДН-транзистором з ізольованим каналом.Для зменшення падіння напруги від зовнішнього джерела живлення UЖ на діоді VD1 використовується діод Шотткі.

Щоб зменшити втрати напруги до мінімуму при підключенні зовнішнього джерела живлення Uж використовуються спеціалізовані мікросхеми з інтегрованими “ідеальними діодами”, які також не потребують застосування зовнішніх польових транзисторів. Однією з таких мікросхем є LTC4415 [5], типова схема використання якої наведена на (рис. 5).

Рис 4. Типова схема включення LTC4412

Рис 5. Типова схема включення LTC4415

На (рис. 6) зображені порівняльні графікі залежності втрат (значення напруги падіння при прямому включенні) від струму споживання, що протікає через вищевказані пристрої комутації. Розглянуті способи комутації напруги джерел живлення показують, що кращим варіантом комутації є застосовування мікросхем з інтегрованими наборами “ідеальних діодів” та схемою їх керування.

Рис 6. Напруга прямого падіння

Однак, потрібно зазначити, що дані мікросхеми на сьогодні досить дефіцитні і дорогі (6.00 - 8.00 Ђ). Можна зробити висновок, що використання в якості комутуючого елемента польового транзистора з ізольованим каналом [6] є оптимальним рішенням з точки зору мінімізації втрат, простоти виконання та  співвідношення ціна/якість.

Беручи до уваги вимоги до джерел живлення портативного пристрою:

• напруга зовнішнього джерела живлення – (5 ± 0,1) В;

• напруга батарейного джерела живлення – від 4,8 В до 6,0 В

та враховуючи умови його експлуатації була розроблена принципова схема вузла комутації напруги (рис.7). При розробці було враховано, що значення напруги батарейного джерела живлення може бути більшим, ніж  у зовнішнього джерела живлення.

Схема побудована на мікросхемі IRF7504 Infineon Technologies до складу якої входять два р-канальних польових МДН-транзистора з ізольованим затвором VT1.1 та VT1.2 [7]. При відсутній зовнішній напрузі (кабель живлення від’єднаний від роз’єму XS1), транзистори знаходяться у відкритому стані (опір кожного каналу становить 0,27 Ом) і батарея BT1 підключена до Uвих.

Рис 7. Схема принципова електрична вузла комутації

При подачі зовнішньої напруги, через приєднаний кабель живлення, вона безпосередньо підключається до Uвих.

При цьому транзистори VT1.1 та VT1.2 переходять у закритий стан та батарея BT1 відключається від ланцюгів живлення. Напруга керування на затвори транзисторів поступає через діоди VD1 та VD2 від того джерела живлення, яке має більше значення.

Висновок: В результаті розгляду способів комутації напруги різних джерел живлення була розроблена принципова схема простого та дешевевого вузла комутації напруги батарейного блоку портативного пристрою. Встановлено, що вузол надійно працює при значенні напруги батарейного живлення від 2,0 В до 15,0 В та струму, що комутується – до 1,2 А.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

• Каталог продукції Duracell. Вилучено з https://www.duracell.com/en-us/product/ultra-lithium-123-battery.

• Каталог продукції TracoPower. Вилучено з https://www.tracopower.com/products/browse-by-category/detail/ac-dc-power-supplies/encapsulated-modules.

• Титце, У. & Шенк, К. (2007). Полупроводниковая схемотехника (12-е изд.), (Том II, пер. с нем.). Москва: ДМК Пресс.

• Технічний опис. Режим доступу: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-heets/4412fb.pdf.

• Технічний опис. Режим доступу: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-heets/4415fa.pdf.

• Игнатов, А. Н. (1984). Полевые транзисторы и их применение (2-е изд., перераб. и доп.). Москва: Радио и связь.

• Технічний опис. Вилучено з https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/20v-250v-p-channel-power-mosfet/irf7504/#!documents.