Układ zasilania awaryjnego procesora ATMEGA/akumulator NiMH

Witam, buduję pewien układ w którym wymagane jest podtrzymywanie zasilania procesora na wypadek zaniku prądu w sieci energetycznej. Podtrzymywana jest m.in praca zegara RTC. Punktem wspólnym zasilania awaryjnego i sieciowego jest "PROC ZAS"

Znalazłem w TME ogniwo NiMH o napięciu 3,6V i pojemności około 300mAh, doładowywanie sterowane z procesora przez mosfet P. Kontrola napięcia po przez dzielnik R81 i R82 na ADC procesora, ładowanie impulsowe sygnałem PWM.
Samo przełączanie zasilania chce zrealizować najprościej jak sie da - na dwóch diodach schottky-ego D3 i D4 o niskim spadku napięcia. Kondensator CBAT łagodzi przełączenie zasilań z sieciowego na bateryjne.

Moje wątpliwości dotyczą kilku spraw:

- czy takie ładowanie baterii NiiMH jest poprawne i czy mosfet P w pełni się otworzy przy napięciu bramki rzędu 7V.

- czy układ można jakoś uprościć

- czy istnieje jakaś inna lepsza metoda przełączania zasilania awaryjnego ?? w przypadku mojego układu napięcie z baterii przechodzi przez diodę na której występuje spadek rzędu 0,2V i w związku z tym do procesora trafia tylko około 3,2-3,3V - co jest zapewne dolną granicą jego poprawnej pracy w przypadku procesora w wersji 5V (Atmega32-16PA).

Załączam wycinek schematu urządzenia:

Witam
Może najpierw trochę rozważań, potem kilka informacji.
1. 300mAh to jest zarówno dużo, jak i mało. Nic nie piszesz o pracy procesora na zasilaniu awaryjnym. Nie ma ani słowa o poborze prądu podczas normalnej pracy, ani informacji o spodziewanym poborze prądu przy pracy na zasilaniu awaryjnym. Nie podajesz też, jakiego czasu spodziewasz się, że będzie zasilanie awaryjne, ani jak często to może następować (dlaczego to ważne -dalej).
2. Jeżeli potrzeba tylko podtrzymać zegar, to nie warto głowić się nad utrzymaniem całego sytemu! podtrzymywać tylko zegar i już.
3. Nie piszesz nic o tym, że procesor będzie np. zwolniony przy zasilaniu bateryjnym; jeżeli ma nadal kontynuować prace na pełnej mocy, to ten punkt można pominąć; jeżeli jednak ma zwolnić pracę, żeby oszczędzać baterię, to należy przewidzieć jakiś sposób poinformowania go, na jakim zasilaniu pracuje. Układ, który proponujesz, nie daje takiej informacji.
4. Nie należy od razu łączyć dwu rzeczy: przełączania zasilania oraz zagadnienia ładowania akumulatorów.
A teraz kilka moich rad (i tylko rad, nie trzeba sie do nich odnosić).
1. Po pierwsze należy odpowiedzieć na pytania zadane wcześniej - jaki pobór prądu - na jak długo musi wystarczyć akumulatora - jak często będzie brak zasilania sieciowego. Z czasu pracy na baterii i poboru prądu wyniknie pojemność akumulatora, a z częstości przerw - jak 'silny' ma być układ wbudowanej ładowarki.
2. Jeżeli przerwy będą bardzo rzadko, nie warto głowić sie nad szybkim ładowaniem. Zastosować prosty i tani układzik ładowania niewielkim prądem (pełne naładowanie nastąpi co prawda np. za dwa dni, ale nie trzeba będzie stosować żadnych fajerwerków z ładowarką; wystarczy np. układzik LM317 w obudowie np. TO92 i parę oporników z dobrym rezultatem - samoczynne zmniejszanie ładowania przy naładowaniu, ładowanie z prądem ok. 40-50 mA; jest jednak małe 'ale' : trzeba zasilać większym napięciem niż 5V - np. sprzed zasilacza 5V)
3. Jeżeli chodzi o jak najprostsze i najtańsze przełączanie zasilania (nie wgryzając sie w układy), to proponuję użyć któryś ze specjalizowanych układów do tego celu: z funkcją Battery Backup (cala gama np. w ofercie TME)
4. Jeżeli jednak chodzi o własną konstrukcję, to trzeba się trochę namęczyć: układ przełącznika na dwu diodach (jak zaproponowałeś) lub - jeżeli ważna jest strata napięcia - na tranzystorach. Dołożyć ew. układ wykrywania, z którego zasilania 'jedzie' procesor.
5. ładowarka z tranzystorem MOSFET to moim zadaniem armata na muchy. 300mAh to naprawdę niewielka pojemność i nie potrzeba ładować ją dużymi prądami. Zamiast kontroli procesorowej, zalecam jednak zewnętrzną prostą ładowarkę (jak wspomniałem, np. na LM317); jeżeli jednak założeniem jest kontrola napięcia przez procesor, to zalecam proste źródło prądowe załączane przez procesor - np. ze zwykłym tranzystorem typu pnp; moc wydzielana i tak będzie niewielka, nawet przy znacznym prądzie ładowania

Przepraszam, że się tak rozpisałem. Jak widać, układ można mocno uprościć zarówno przy własnej konstrukcji, jak i przy użyciu specjalizowanych układów do tego celu. Przepraszam, że perfidnie nie pomogę przy narysowaniu schematu - jak większość na forum uważam, że jak najbardziej celowe jest poprawianie błędów na układach proponowanych przez innych, jednak nie podawanie rozwiązania na tacy - naprawdę wysiłek opłaci sie w przyszłości stukrotnie... Oczywiście można jak zawsze liczyć na moją pomoc, o ile będę potrafił...
Pozdrawiam
Witgol

Witam, dziękuję za słuszne rady - faktycznie chyba przesadziłem nieco z tym ładowaniem impulsowym i mocą układów wykonawczych - spokojnie starczyłoby do ładowania AKU o pojemności kilkunastu amperogodzin - chociaż tak po wstępnych testach układ działa... (to informacja dla ludzi, którzy chcieliby coś podobnego zbudować na procku).

Jednak do ogniwa 300mAh chyba odpowiedni będzie zaproponowany przez kolege układ z LM317 jako źródłem prądowym. Zastanawiam się tylko, czy po naładowaniu akumulatora trzeba odłączać układ ładowarki, czy może ustawić bardzo mały prąd ładujący (np 10mA) i pozostawić podładowywanie na stałe.

Urządzenie które buduję jest dość rozbudowanym sterownikiem ogrzewania domowego ze zdalnym modułem kontroli, obsługą pieca i kolektora słonecznego.
Będzie pracowało generalnie ciągle pod siecią 230V, przewiduję zaniki prądu dość rzadko. Dodałem układ wykrywania zaniku napięcia podłączony pod przerwanie mikrokontrolera, tak aby mógł przejść np w stan IDLE. Bateria ma głównie podtrzymywać RTC i ewentualnie Diodę LED sygnalizującą zanik zasilania.

Zastanawiam się też, co da zamiana przełącznika diodowego na ICL7673. Na diodzie
SHTK. wystepuje spadek około 0,2-0,3V zależnie od obciążenia. Czy korzystając z ICL uzyskam niższe napięcie spadku na nim i tym samym wyższe napięcie zasilania procesora ?? Kiedyś użyłem tego układu w przenośnym rejestratorze ale zasilany był ze znacznie wyższego napięcia z baterii i nie zwracałem uwagi na straty na układzie.

Załączam zmieniony schemat układu, proszę o opinie

1. Co do układu ładowania.

Ładowanie prądowe jak najbardziej o'k, ale niestety trzeba wyłączać (albo mocno ograniczać) po naładowaniu. Permanentne przeładowanie jest tak samo groźne jak niedoładowanie. Dla ogniwa 300mA prąd 'podtrzymania' o wartości 10mA to stanowczo za dużo. Trzeba jedynie eliminować skutki samorozładowania. W zależności od typu ogniwa, prąd poniżej 1mA jest wystarczający. (nieśmiało przypominam - warto zachowywać regułę - ładowanie pędem max. 1/10 pojemności...)
Jednak co do układu na LM317 - nie miałem na myśli tylko źródła prądowego. Są schematy zapewniające ładowanie z ograniczeniem prądowym i jednocześnie po naładowaniu przechodzi do trybu pracy stabilizacji napięciowej - a to daje zmniejszenie prądu dla naładowanego akumulatora prawie do zera - i o to chodzi.

2. Jeżeli układ ma jedynie podtrzymywać RTC, to szkoda wysiłku na podtrzymanie procesora. wystarczy bardzo prosty układzik podtrzymania jedynie zasilania układu RTC (jeżeli to np. PCF8583, to jeszcze jest ładnych kilka komórek na pamiętanie różnych rzeczy, nastaw, itd.). I zapomnieć o podtrzymaniu procesora. I tak nie może działać i regulować, ja nie ma zasilania części, którą ma regulować. Jeżeli musi pamiętać coś, co było przed zanikiem zasilania, to można to na szybko schować w pamięci zegara i potem, po starcie procesora, odczytać i kontynuować działanie (oczywiście trzeba dobudować maleńki układzik generujący przerwanie przy wykryciu zaniku sieci). Przy takim założeniu można np. podtrzymywać zegar za pomocą kondensatora (supercab - o pojemności rzędu faradów) - układ maleńki, i nie ma problemu ze zużywaniem się i stratą pojemności akumulatorów. Wystarczy sam oporniczek - i nic wiecej. Sam układ RTC na zasilaniu z samego SuperCap bedzie pracował nawet ponad tydzień, a koszty są znacznie mniejsze. I nie trzeba pilnować naładowania (bo ładuje się do napięcia zasilania - jak to kondensator). Cały stos kłopotów odpada.

Ale to tylko moje sugestie. Każdy (naprawdę każdy) konstruktor ma nieco inną wizję urządzenia.
Pozdrawiam

Jeśli chodzi o podtrzymanie RTC to ja stosuję baterię CR2032 (taka jak podtrzymuje CMOS w komputerze) która wytrzymuje ok 10lat. Zasialnie RTC jest podłączone w dwóch stron przez diody, z 5V oraz z baterii. W taki przypadku LED warto by zrobić w odwrotnej logice czyli 230V jest to świeci a jest zanik to jest wyłączona.
Jeśli to jest instalacja z kotłem CO to jak planujesz rozwiązać problem braku zasilania do pompy (o ile taką masz w układzie). Zazwyczaj gdy zaniknie 230V to pompa się zatrzymuje i woda w piecu zaczyna się gotować.

Jeśli to ma być tylko zegar RTC, to można zamiast akumulatorka zastosować superkondensator
- powiedzmy o pojemności 0.5F na 5.5V, jak RTC pobiera 1µA, to na tydzień powinien wystarczyć.
Ale superkondensator (są u nas pod nazwą GoldCap) i zegar RTC trzeba zasilać przez diodę
(i to nie Schottky), żeby reszta układu nie ciągnęła z niego prądu jak będzie zanik zasilania.

Witam
Eksperymentuję z "Super Kondensatorem" do podtrzymania napięcia +5v. Chciałem użyć kondensatora o dużej pojemności. Wybrałem kondensator BUC-1F. Pojemność 1F napięcie znamionowe +5.5V
Policzyłem sobie, czas po jakim napięcie spadnie o 400mV od chwili wyłączenia napięcia zasilania. Do obliczeń przyjąłem prąd rozładowania kondensatora równy 100mA. Nota katalogowa Atmega128 mówi że prąd na wszystkich portach nie powinien przekraczać 400mA, a na wyszczególnionych portach 100mA.
Z obliczeń wyszło mi, że napięcie zmieni się o 400mV w czasie 4s.
Jednak rzeczywisty czas rozładowania kondensatora wynosi 50ms.
Jest to duża rozbieżność pomiędzy wyliczeniami a rzeczywistością.

Czy ktoś z bardziej doświadczonych kolegów może pomóc mi w wyjaśnieniu tej zagadki?

Wzór z którego korzystałem przy rozładowaniu kondensatora i = C*dU/dt. Różniczki zastąpiłem przyrostami - du = 400mV, i = 100mA, C = 1F.

Te kondensatory nie nadają się do pobierania z nich dużych prądów - mają dużą oporność wewnętrzną,
i to rozłożoną na cały kondensator - jak płynie duży prąd, to tylko przez małą część tego kondensatora,
tę najbliżej doprowadzeń, pojemność całej reszty nie zdąża uczestniczyć w tym prądzie.
Albo ten kondensator, który masz, to fałszywka, i ma tylko nieco ponad 1% nominalnej pojemności...
Najlepiej zajrzyj do katalogu, i sprawdź, jaka powinna być oporność wewnętrzna, to może być ze 100R.

_jta_ wrote:

Te kondensatory nie nadają się do pobierania z nich dużych prądów - mają dużą oporność wewnętrzną,
i to rozłożoną na cały kondensator - jak płynie duży prąd, to tylko przez małą część tego kondensatora,
tę najbliżej doprowadzeń, pojemność całej reszty nie zdąża uczestniczyć w tym prądzie.
Albo ten kondensator, który masz, to fałszywka, i ma tylko nieco ponad 1% nominalnej pojemności...
Najlepiej zajrzyj do katalogu, i sprawdź, jaka powinna być oporność wewnętrzna, to może być ze 100R.

Dziękuję za podpowiedź. Wydaje mi się że masz dużo racji w tym co mówisz, ponieważ sprawdziłem obwód i nie ma możliwości rozładowania przez jakieś scalaki lub inne elementy.
Może jeszcze jedna podpowiedź o zachowaniu procesu rozładowania. Spadek napięcia o 400mV jest w krótkim czasie 50ms, ale potem jak napięcie spadnie do około 3V - 3,5V to rozładowanie się kondensatora trwa długo.

Skoro mówisz że kondensator nie ma swojej pojemności to w takim razie jaki producent, jaki kondensator poleciłbyś do takiej aplikacji.

Do noty katalogowej także chciałbym zajrzeć, ale szukanie not katalogowych kondensatorów nie należy do moich mocnych stron. Nigdy nie wiem gdzie szukać, oraz po jakiej nazwie szukać. Próbowałem znaleźć po nazwie BUC-1F, BUC1F ale niestety.

Znalazłem informację o kondensatorach (UltraCapacitor) Maxwell-a z serii PC - napięcie 2.5V, oporność 0.4Ω
- dwa szeregowo - może by się nadawały, ale pewnie lepiej sprawdzić, czy nie mają podobnych na 5.5V.
I warto najpierw ich zapytać o charakterystyki rozładowania, i sprawdzić, czy zgodne z podaną opornością.

Jak w Google wpisałem BUC1F, to mi podało, że jest 35000 stron, ale pokazało kilkanaście; może jakby
podać nazwę producenta, to by znalazło coś sensownego - a może akurat do tych nie ma danych, bo robi
je jakaś byle jaka firma? Ja próbowałem jakieś GoldCap, ale dawały prąd ledwie wystarczający dla LED-a.

Witam
Tak prawdę mówiąc nie za bardzo rozumiem, dlaczego wymagany jest pobór prądu aż rzędu 100mA? Typowo przecież po zaniku zasilania robi się na szybko parę rzeczy (np. chowa do eeprom jakieś dane, wyłącza LEDy, wyświetlacze, przekaźniki itd.), a potem załącza stan uśpienia - aż do pojawienia się z powrotem napięcia. Oczywiście stan uśpienia może być różny, od zwolnienia procesora (i dalszej jego pracy, przy mocnym zwolnieniu lub cyklicznym wprowadzaniu w uśpienie i budzeniu na chwilę do wykonania ważnych rzeczy), do całkowitego uśpienia.
Typowo np. pojemności kondensatorów w zasilaczu przed stabilizatorem 5V wystarczają na ok. 50-100ms 'dokończenia' pracy i - uśpienie. Teraz, kiedy w uśpieniu pobór prądu spada do ułamków mA, wystarczy max. na parę godzin zwykły SuperCap. Powyżej kilku mA trzeba pomyśleć o akumulatorkach.
Nigdzie nie spotkałem sie z poborem prądu rzędu 100mA z SuperCap. typowo to ok. 1uA (podtrzymanie zegarków) do rzędu ok. 100uA (potrzymanie krótkookresowe procesorków).
Może się mylę, ale pobór prądu 100mA z SuperCap jest błędem.
Trzeba albo przemyśleć jeszcze raz konieczność poboru tak dużego prądu przy braku zasilania, albo zastosować inne źródło zasilania na 'krytyczny' czas pracy...
Pozdrawiam

Witgol wrote:

Witam
Tak prawdę mówiąc nie za bardzo rozumiem, dlaczego wymagany jest pobór prądu aż rzędu 100mA? Typowo przecież po zaniku zasilania robi się na szybko parę rzeczy (np. chowa do eeprom jakieś dane, wyłącza LEDy, wyświetlacze, przekaźniki itd.), a potem załącza stan uśpienia - aż do pojawienia się z powrotem napięcia. Oczywiście stan uśpienia może być różny, od zwolnienia procesora (i dalszej jego pracy, przy mocnym zwolnieniu lub cyklicznym wprowadzaniu w uśpienie i budzeniu na chwilę do wykonania ważnych rzeczy), do całkowitego uśpienia.
Typowo np. pojemności kondensatorów w zasilaczu przed stabilizatorem 5V wystarczają na ok. 50-100ms 'dokończenia' pracy i - uśpienie. Teraz, kiedy w uśpieniu pobór prądu spada do ułamków mA, wystarczy max. na parę godzin zwykły SuperCap. Powyżej kilku mA trzeba pomyśleć o akumulatorkach.
Nigdzie nie spotkałem sie z poborem prądu rzędu 100mA z SuperCap. typowo to ok. 1uA (podtrzymanie zegarków) do rzędu ok. 100uA (potrzymanie krótkookresowe procesorków).
Może się mylę, ale pobór prądu 100mA z SuperCap jest błędem.
Trzeba albo przemyśleć jeszcze raz konieczność poboru tak dużego prądu przy braku zasilania, albo zastosować inne źródło zasilania na 'krytyczny' czas pracy...
Pozdrawiam

Spróbuję trochę wyjaśnić.
Wiem że przy zaniku napięcia robi się zrzut ważnych danych do eepromu i przechodzi w stan uśpienia.
Dlaczego prąd 100mA? Wyobraźmy sobie że właśnie robimy operację na pliku - np. zapis. W momencie kiedy rozpoczęliśmy procedurę zapisu nastąpił zanik napięcia. Po wykryciu zaniku napięcia chcę się wyrobić z zapisem do pliku, zamknięciem pliku i uśpieniem mikrokontrolera.

Jeżeli zanik napięcia nastąpi przed procedurą zapisu lub po jej zakończeniu to postępujemy w sposób opisany powyżej i problemu nie ma.

Chodzi o to aby nie uszkodzić zawartości pliku gdy zanik napięcia wystąpi w trakcie zapisu do pliku? Jakieś pomysły?

Jeżeli zwolnimy pracę mikrokontrolera to oczywiście jest szansa że się wyrobi z zapisem do pliku oraz zamknięciem i przejściem w stan uśpienia.

Całość tej konwersacji nadal nie rozwiązuje problemu uszkodzenia pliku..

Można spróbować użyć tego "Super Kondensatora", ale w taki sposób, że mikrokontroler przy zaniku
zasilania nie działa w sposób ciągły, a np. przez milisekundę działa, potem kilka milisekund przerwy
- wtedy średni prąd będzie mniejszy, i lepiej wykorzystasz energię z tego "Super Kondensatora".

pisulski:
Jak najbardziej rozumiem problem zapisu do pliku. Sam uczestniczyłem w konstruowaniu przemysłowych rejestratorów danych. Zarówno prostego, z pamięcią wbudowaną rzędu 4MB, jak i pamięcią na karcie SD (ponad 2GB).
Za każdym razem czas rzędu 100ms - 150ms był wystarczający (oczywiście nie do zapisu całej pamięci, tylko do zapisu ostatnio zgromadzonych danych!). Energia zmagazynowana w elektrolicie w zasilaczu (i to zaledwie 470uF-1000uF) była wystarczająca do zapisania danych zgromadzonych w pamięci RAM. Choć muszę się przyznać, że stosowane były zasilacze impulsowe, które znacznie efektywniej przekształcają napięcie z 24V (bo takie było w zasilaczu) na 5V dla procesora. Oczywiście nie wiem nic na temat wielkości twoich plików, ani nic na temat obsługiwanych urządzeń magazynujących. Rozumiem też, że co innego zapis sektora czy dwu do pamięci flash (czy SD), a co innego zapis pliku kilku GB na twardy dysk, który też trzeba zasilać...
Dlatego może np. trzymać dane w większej pamięci RAM podtrzymywanej właśnie przez np. SuperCap? Aż do czasu potwierdzenia powodzenia zapisu do pamięci zewnętrznej... A można wówczas próbować nawet kilka razy...
Nie chcę czegokolwiek sugerować, po prostu sobie tak myślę...
Pozdrawiam

pisulski 04 Mar 2010 07:33 wrote:

Spadek napięcia o 400mV jest w krótkim czasie 50ms, ale potem jak napięcie
spadnie do około 3V - 3,5V to rozładowanie się kondensatora trwa długo.

To oznacza, że oporność wewnętrzna kondensatora jest około 15÷20Ω, a oprócz tego
ma on pojemność około 12mF poza tą opornością - może tak, jak na rysunku:

Parametry mogą być np. takie: C1=12mF, C2=100mF, C3=888mF, R1=1Ω, R2=5Ω, R3=15Ω.
To oczywiście jest przybliżenie - żeby opisać dokładniej, potrzebna byłaby duża sieć RC.

Jeśli jest możliwe podzielenie operacji zapisu na kawałki, to należy podzielić ją na takie,
żeby do każdego wystarczyła energia zmagazynowana w C1; w czasie przerw pomiędzy
operacjami zapisu C1 może się doładowywać z C2 i C3. Stała czasowa tych doładowań
jest prawie 0.2s, można by zasilać z C1 np. po 0.01s z przerwami po 0.5s.

Aha, zauważ jeszcze jedno: przy ładowaniu masz podobne zjawisko, podłączasz do 5V
i nie od razu jest naładowany C3 - jak podłączysz na chwilę, naładujesz tylko C1; a żeby
naładować C3, trzeba podłączyć kondensator pod napięcie 5V na parę minut.

Witam, podepnę się pod temat, w oddanym już urządzeniu muszę dorobić zasilanie awaryjne, czy układ jak na rysunku ma szanse zadziałać? Cały układ jest podpięty pod kompa i zasilany wyłącznie z USB.


Na port 1 daje sygnał czy jest zasilanie +5V, jesli tak to na porcie 2 podaje napięcie ładujące baterie, (NiMh 3*AAA ~800mA), myślę aby podłączyć kilka pinów.
Jak obliczyć R2? (np: 5V-Udiody(0.3V)-Uładowania_baterii(~4.3)/I(20mA)=20 Ohm)?

Jeśli gdzieś źle rozumuje to proszę o podpowiedzi, dzięki, pozdrawiam
KK

Może przyda się dioda szeregowo z R1 na wypadek odwrotnego podłączenia zasilania?
Port uC nie wiem, czy da taki prąd (na dodatek przy niemal zerowym spadku napięcia),
żeby nadawał się do ładowania akumulatorka - raczej bym go puszczał przez tranzystor.
I pamiętaj, że akumulatorek rozładowuje się przez R6/R7 (jak na dłużej to zostawisz).

AVE...

Przez port niebezpiecznie - łatwo go uszkodzić nadmiernym obciążeniem. Koniecznie trza użyć tu tranzystora, najlepiej jakiegoś małego (MOS)FETa. Dodatkowo dzielnik R6/R7 można spokojnie wywalić lub podnieść wartości rezystorów do 470k by jeszcze bardziej zmniejszyć płynący przez nie prąd...
Dobrym pomysłem jest użycie diod germanowych - mają mniejszy spadek napięcia...

Tranzystor może i bipolarny byłby lepszy - mniejszy wpływ spadku napięcia na prąd.
Z R6/R7 - można by pomyśleć o jakimś tranzystorze, który je odłącza przy braku 5V.
Diody Schottky mają spadek napięcie porównywalny z germanowymi, a są produkowane.

R7 mogę dać do jakiegoś pinu w sumie, zamiast do masy, i załączać tylko do pomiaru. O! .
Acha, i dla jasności podam że prąd ładowania to myślałem max 20mA z pinu, ale dałem już mosfeta, bo straszycie. Z pinu dam tylko ładowanie podtrzymujące, ok 1-2mA, pozdr KK