Схемы резервирования источников питания

Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к источнику питания, напряжение которого выше остальных. Обычно в цепях постоянного тока для разделения питающих цепей используют полупроводниковые диоды. Эти диоды препятствуют влиянию одного источника питания на другой. В то же время на этих диодах нерационально расходуется некоторая доля энергии источника питания. В этой связи в схемах резервирования стоит использовать диоды с минимальным падением напряжения на переходе. Обычно это германиевые диоды.
В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания). В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
Самые простые и очевидные схемы резервирования источников постоянного тока показаны на рис. 10.1 и 10.2. Подобным образом можно подключить неограниченное количество источников питания к ответственному радиоэлектронному оборудованию.
Схема резервирования источников питания (рис. 10.2) отличается тем, что роль диодов, разделяющих источники питания, выполняют светодиоды. Свечение светодиода индицирует задействованный источник питания (обычно имеющий более высокое напряжение). Недостатком подобного схемного решения является то, что максимальный ток, потребляемый нагрузкой, невелик и непревышает максимально допустимого прямого тока через свето-диод.

Рис. 10.1. Основная схема резервирования источников питания

Рис. 10.2. Схема резервирования источников питания с использованием светодиодов

Рис. 10.3. Схема резервирования источника питания охранного устройства

Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
Схема авторезервирования источника питания для ответственного оборудования — охранного устройства [10.1, 10.2] — приведена на рис. 10.3. На схеме условно показан основной — сетевой источник питания. На его выходе — нагрузке RH и конденсаторе С2 — формируется стабильное напряжение 12 6 или более! Батарея резервного питания GB1 подключена к сопротивлению нагрузки через цепочку диодов VD1 и VD2. Поскольку разность напряжения на этих диодах минимальна, ток через диоды в нагрузку не протекает. Однако, стоит отключиться основному
источнику питающего напряжения, как диоды откроются. Таким образом питание подается на нагрузку без перебоев.
Светодиод HL1 индицирует исправное состояние резервного источника питания, а диод VD2 не допускает питание светодио-да от источника основного питания.
Схему можно изменить таким образом, чтобы два светодио-да независимо друг от друга индицировали рабочее состояние обоих источников питания. Для этого достаточно схему (рис. 10.3) дополнить элементами индикации.
Устройство для автоматического включения резервной батареи питания описано в патенте ГДР № 271600 [10.3], а его схема показана на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Схема устройства для автоматического включения резервной батареи питания

В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
Недостатком устройства является то, что максимальный ток через нагрузку не может превышать максимально допустимого тока через светодиод. Кроме того, на самом светодиоде теряется до 2 В. Если пожертвовать функцией индикации и заменить светодиод на германиевый диод, рассчитанный на повышенный ток, это ограничение снимется.
Для нормальной работы телефонных автоматических определителей номера (АОН) необходимым условием является
использование резервного источника питания. Схема одного из них [10.4] показана на рис. 10.5.
Когда источник питания включают в сеть, срабатывает реле К1, которое одновременно является датчиком разряда аккумулятора GB1. Через резистор R2 протекает зарядный ток 5... 10 мА. При отключении сетевого напряжения устройство получает питание от аккумулятора GB1, однако, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже 6,5 В, реле отключится. Контакты реле разомкнут цепь питания и защитят таким образом аккумулятор от дальнейшего разряда.

Рис. 10.5. Схема автоматического включения резервного источника питания для АОНа

Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
В схеме использовано реле РЭС-64А РС4.569.724.
Налаживают устройство подбором резистора R1, которым устанавливают напряжение отпускания реле К1. Подбором R2 устанавливают величину зарядного тока. Для исключения перезаряда аккумулятора рекомендуется снизить величину зарядного тока до 0,2 мА.
Автоматический перевод питания нагрузки, например, радиоприемника, на резервное батарейное питание при отключении сетевого источника питания позволяет осуществить устройство по схеме на рис. 10.6 [10.5]. Режим работы устройства индицируется свечением светодиода: зеленый цвет -- работа в штатном режиме; красный — в аварийном (на батареях).
Особенностью индикатора является то, что при работе от батареи ее разряд через подключенный основной блок питания исключен за счет использования диода в цепи затвора полевого транзистора.
Для того чтобы при работе устройства от блока питания не происходила подпитка нагрузки от батареи, выходное напряжение блока питания должно на 0, 7... 0, 8 В превышать напряжение батареи.

Рис. 10.6. Схема автоматического переключения нагрузки на резервное питание с индикацией

Рис. 10.7. Схема автоматического коммутатора питания

Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (рис. 10.7) [10.6]. Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
В исходном состоянии, когда внешний источник питания отключен, реле К1 обесточено, и через его нормально замкнутые контакты напряжение подается с батареи GB1 на нагрузку RH и через диод VD1 на нижний по схеме (красный) диод HL1. При подключении внешнего источника питания реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 устанавливаются в нижнее по схеме положение, и питание на нагрузку подается от внешнего источника. Так как на анод верхнего по схеме диода HL1 (зеленого цвета) подается напряжение на 2 В больше, чем на анод нижнего диода HL1 (красного цвета), двухцветный двуханодный светодиод HL1 светится зеленым цветом, указывая на режим работы от сети. При пропадании сетевого напряжения обмотка реле К1 обесточивается, и нагрузка автоматически переключается на работу от батареи GB1. Об этом сигнализирует индикатор HL1, меняя цвет свечения с зеленого на красный. Диод VD1 следует взять типа КД503, КД521 или КД510. Падение напряжения на нем в прямом включении должно быть не менее 0,7 б.-Тогда при свечении зеленого светодиода не будет подсвечиваться красный.
Резистором R2 устанавливают ток через HL1, равный 20 мА. Реле К1 типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.005) или другое с рабочим напряжением не более 5 В. Обычно срабатывание реле происходит при напряжении, на 30...40% меньшем его рабочего напряжения.
При настройке устройства резистор R1 подбирают такой величины, чтобы реле К1 надежно срабатывало при напряжении 4 В. При использовании реле К1 других типов с напряжением срабатывания, близким к 4,5 В, резистор R1 можно исключить.
При сетевом питании электронно-механических часов наблюдается неприятный эффект: при отключении сетевого напряжения происходит остановка хода часов.
Более надежными и удобными в эксплуатации являются комбинированные блоки питания — сетевые блоки питания в сочетании с никель-кадмиевыми аккумуляторами Д-0,1 или Д-0,125 (рис. 10.8) [10.7].
Здесь конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию балластных реактивных элементов, гасящих избыточное напряжение сети. Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов С1 и С2 при отключении устройства от сети.
Если контакты выключателя SA1 замкнуты, то при отрицательной полуволне сетевого напряжения на верхнем (по схеме) проводе диод VD2 откроется, и через него будут заряжаться конденсаторы С1 и С2. При положительных же полуволнах конденсаторы станут перезаряжаться, ток потечет, в первую очередь, через открытый диод VD3 и начнет подзаряжаться аккумулятор GB1 и конденсатор СЗ. Напряжение на полностью заряженном аккумуляторе будет не менее 1,35 В, на светодиоде HL1 -- около 2 В. Поэтому светодиод начнет открываться и тем самым ограничивать зарядный ток аккумулятора. Следовательно, аккумулятор постоянно будет в заряженном состоянии.

Рис. 10.8. Комбинированный блок питания электронно-механических часов

При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов — энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
Освещение циферблата включают размыканием контактов выключателя SA1. В этом случае ток зарядки и разрядки конденсаторов С1 и С2 протекает через нити накала ламп EL1 и EL2, и они начинают светиться. А ранее замкнутый двуханодный стабилитрон VD1 теперь выполняет две функции: ограничивает напряжение на лампах до значения, при котором они светятся с небольшим недокалом, а в случае перегорания нити накала одной из ламп пропускает через себя зарядно-разрядный ток конденсаторов, что предотвращает нарушение работы блока питания в целом.
Двуханодный стабилитрон VD1 типа КС213Б можно заменить на два включенных встречно-последовательно стабилитрона Д814Д, КС213Ж, КС512А. Светодиод HL1 — АЛ341 с прямым падением напряжения при токе 10 мА — 1,9...2,1 В. Лампы накаливания EL1 и EL2 типа СМН6,3-20 (на напряжение 6,3 В и ток и м/ч; или аналогичные, корпус выключателя SA1 должен быть надежно изолирован от сети.
В блоке питания для электронных часов (рис. 10.9) гашение избыточного сетевого напряжения осуществляется резисторами R1 и R2 [10.8]. Это не самое экономичное решение проблемы, но при малых токах потребления вполне оправдано. Кроме того, при случайном касании выхода выпрямителя максимальный ток через тело человека не достигнет опасных значений (не более 4 мА), поскольку величина ограничивающих ток резисторов достаточно велика.

Рис. 10.9. Схема резервированного питания электронных часов

С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения — светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник бесперебойного питания (рис. 10.10) для кварцевых электронно-механических часов вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА [10.9]. Напряжение, снимаемое с емкостного делителя С1 и С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
Рассмотренные ранее устройства автоматического перехода на резервное питания в случае отключения основного источника использовали в качестве базового (основного) источник постоянного тока. Менее известны схемы резервирования устройств, работающие на переменном токе. Схема одного из них, способного работать в цепях как постоянного, так и переменного тока приведена ниже [10.10].

Рис. 10.10. Схема низковольтного источника бесперебойного питания

Рис. 10.11. Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой

Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (рис. 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 — VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5.

Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7.
При отключении управляющего напряжения переход эмиттер — база входного транзистора устройства более не шунтируется. Транзисторы VT1 и VT2 открываются. Конденсатор С1 разряжается через реле К1 и транзистор VT2. Контакты К1.1 реле замыкаются, включая ИРП. Питание на схему поступает от ИРП. Одновременно контакты реле К1.2 могут управлять другой нагрузкой. Если на входе устройства вновь появляется управляющее напряжение, транзистор VT1 запирается. Соответственно, запирается и транзистор VT2. Реле К1 обесточивается, отключая своими контактами К1.1 ИРП. Напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 9... 10 Б, и схема переходит в ждущий режим работы.