Проектирование маломощных электронных устройств. Мотивирующие факторы.
Переносные компактные контрольно-измерительные приборы, регистраторы данных, которые производят измерения на океанском дне, цифровые модемы, использующие для своего питания «ток удержания» телефонной линии — это только несколько примеров прикладных задач, где желательно (или необходимо) использование технических приемов проектирования маломощных электронных устройств. Среди таких приборов можно встретить более знакомые примеры, а именно стабилизированные источники питания, линейные схемы (как на дискретных элементах, так и на ОУ), цифровые схемы (почти неизменно КМОП) и связанные с ними методы преобразования и все в большей и большей степени микропроцессорные схемы значительной сложности. При проектировании маломощных электронных устройств применяются специальные технические приемы и имеются определенные ограничения.
Рассмотрим такой класс прикладных задач, где желательно или жизненно важно обеспечить малое потребление мощности. Трудно описать все те разнообразные экзотические случаи, где имеется изобилие мощности питания в сети переменного тока, а при этом батарейное питание приборов дает лучшие результаты и более приемлемо.
Приборы с малым потреблением мощности, как правило, более просты в конструировании, чем обычные приборы, поскольку они более легкие, не выделяют тепло и отсутствуют такие мелочи, как мощные провода питания, линейные фильтры и плавкие предохранители. Микромощное проектирование является особой областью и доставляет много удовольствий изнуренным конструкторам электронной техники.
Перечислим аргументы, которые должны побудить использовать приемы проектирования схем с малым потреблением мощности.
Портативность
Вы не сможете переносить прибор, если он подключен мощным проводом к прикрепленной к стене розетке. «Он» может быть таким коммерческим изделием, как калькулятор, наручные часы, слуховой аппарат, смартфон или просто приемник для туристских походов, радиостанция системы поискового вызова или цифровой универсальный измерительный прибор. Или он представляет собой заказной переносной прибор, например небольшой передатчик, используемый для изучения миграций стад животных или их физиологии.
Поскольку сами батареи питания имеют ограниченное содержание энергии, необходимо поддерживать ее расход на низком уровне, для того чтобы обеспечивался разумный срок службы батареи и приемлемый ее вес. Универсальный измерительный прибор, который функционирует 1000 ч при питании от единственной батареи с напряжением 9 В, будет продаваться лучше, чем конкурирующий прибор, для которого требуются четыре гальванических D-элемента со сроком службы всего 100 ч. Переносной передатчик для изучения миграций животных бесполезен, если он работает всего два дня на свежем наборе батарей. Следовательно, идеи маломощной схемотехники пользуются наибольшим спросом при проектировании предназначенных для переноски приборов.
В специальных случаях, а именно для очень маленьких устройств (например, наручных часов), крошечное содержание энергии в автономных батареях предопределяет необходимость применения приемов маломощного проектирования, так как общие токи потребления составляют всего несколько микроампер.
Изоляция
Приборы, питание которых производится от сети переменного тока, не пригодны для некоторых видов «плавающих» измерений при высоких потенциалах. В качестве примера можно привести следующее.
Вы хотите измерить микроамперные токи пучка заряженных частиц на зажиме + 100 кВ ускорителя частиц. Считайте, что вам повезло, если вы не сможете провести это измерение при обрыве низковольтового конца от земли (как на рисунке ниже).
Так как сетевой трансформатор высоковольтного источника питания является причиной существенного тока частоты 50 Гц, который с этого трансформатора через емкостную связь попадает в источник высоковольтного напряжения (или возможно из-за коронного разряда или других высоковольтовых эффектов утечки). Что в результате добавляет ложный ток, измеряемый на возвратной шине земли.
Если вы попытаетесь создать прибор для измерения тока, питание которого осуществляется от сети переменного тока, скажем, на базе дифференциального усилителя, подсоединяемого через прецизионный резистор в высоковольтный проводник, то сам источник питания вашего прибора должен будет иметь специальный сетевой трансформатор питания. Этот трансформатор должен иметь номинальное напряжение пробоя изоляционного материала 100 кВ, так что измерительная схема (ОУ, выводы считывания) может находиться под взвешенным потенциалом 100 кВ. Поскольку такой трансформатор практически невозможно найти, то в этом случае хорошо применить прибор, питание которого производится от батареи (или от солнечных элементов, облучаемых потоком света через зазор) и, по сути, изолированного и от сети питания, и от шины заземления.
В приведенном примере при питании прибора от сети переменного тока возникла и другая проблема, а именно, при проведении измерений в самой схеме наводятся некоторые пульсации с частотой 50 Гц, что происходит вследствие емкостной связи и просачивания токов частоты 50 Гц через сетевой трансформатор питания. Значит этот сетевой трансформатор питания должен быть сконструирован специальным образом. Конструкция должна гарантировать малую межвитковую емкость и малые токи утечки.
Эта проблема наведенной пульсации 50 Гц может также неожиданно возникнуть и в обычных схемах, где обрабатываются сигналы очень низких уровней, например слабые звуковые сигналы. Хотя такие проблемы можно обычно решить и путем тщательного конструирования, но развязка с помощью питаемого от батареи предусилителя может дать в таких ситуациях реальное преимущество.
Использование маломощных источников
Наборные устройства, модемы, дистанционные системы сбора данных, которые пересылаются через телефонную линию — это примеры конструкций приборов, которые могут получать питание от тока удержания самой телефонной линии.
Ток удержания телефонной линии — это постоянное напряжение приблизительно 65 В для режима холостого хода, подаваемое через полное сопротивление 600 Ом. При этом вы должны нагрузить линию таким образом, чтобы постоянное напряжение стало ниже 6 В, а телефонная компания подумала, что вы «подняли трубку» и, следовательно, поддерживала соединение.
Подобным же образом в «умных» термостатах систем нагревания часто используют NiCd подзаряжаемые элементы для обеспечения их мощностью постоянного тока. Заряд же элементов проводится в течение интервалов времени, когда само реле не активировано имеющимся тогда малым переменным током (обычно трансформатор на переменное напряжение 24 В включается последовательно с катушкой реле с сопротивлением в несколько сотен ом).
Тот же самый трюк питания вашей схемы от сигнальных переменных токов можно также использовать в схемах включения дверного звонка и вообще в любом другом случае, где применяются низковольтовые реле переменного тока.
Другой пример отбора мощности из сигнального тока представляет использование «тока контура промышленных систем сигнализации», в которых постоянный ток в диапазоне от 4 до 20 мА (или иногда от 10 до 50 мА) применяется как носитель измерений аналогового датчика в двухпроводной системе. Модули, использующие такой стандарт, в типовом случае допускают падение напряжения от 5 до 10 В. Следовательно, это удобный способ питания удаленной контрольно-измерительной аппаратуры от самого сигнального тока.
В этих прикладных задачах в распоряжении имеется источник питания, который вырабатывает токи порядка несколько миллиампер и напряжение несколько вольт, что вполне достаточно для питания относительно сложных маломощных схем. Это, конечно, привлекательно попробовать такие приемы проектирования маломощных устройств с питанием от сигнальных токов, предлагая альтернативу громоздким индивидуальным источникам питания от сети переменного тока.
Последним примером источника питания, который предлагает вам мощность в несколько милливатт, являются солнечные элементы, предназначенные для питания приборов и(или) заряда их батарей. Имеются построенные таким образом наручные часы и дешевые карманные калькуляторы, которые имеют следующие преимущества:
а) остаются герметичными
б) соответственно недороги.
Отсутствие в распоряжение мощности
Применение батарейного питания действительно становится насущной необходимостью, когда в распоряжении вообще ничего нет. Примером этого может служить физическая океанография, где вам потребуется развернуть набор датчиков на океанском дне и в течение шести месяцев спокойно регистрировать океанские потоки, осадки, процентное содержание соли, температуру и давление и вдобавок изучать особенности воздействия окружающей среды. При этом обычно желательно обеспечить продолжительное функционирование набора батарей, иногда вплоть до года или больше. Следовательно, здесь требуется провести тщательное проектирование микромощных устройств.
Существуют и многие другие ситуации, где в распоряжении имеется мощность переменного тока, но использовать ее не удобно.
Примерами подобных ситуаций в быту могут служить детекторы задымления и настенные часы.
Минимизация выделения тепла
Схемы, построенные на цифровых элементах серий с технологией ЭСЛ (эмиттерно-связанной логики) или Шоттки, могут легко рассеивать 10 или более ватт на плату. Аппаратура, состоящая из нескольких таких плат, требует интенсивного воздушного охлаждения. Но, с другой стороны, более современные высокоскоростные семейства логических КМОП- схем (с такими названиями, как 74АСхх и 74АСТхх) предлагают рабочие характеристики, сравнимые с их продвинутыми аналогами по Шоттки-технологии. При этом имеют незначительное потреблении мощности в статическом режиме и значительно пониженной мощностью потребления в динамическом режиме
Это означает возможность применения источников питания меньшего размера, герметичных корпусов, свободных от пыли (так как нет вентилятора), а также большую долговременную надежность.
Те же самые соображения применимы и при проектировании линейных схем, при этом малое потребление мощности всегда желательно и об этом помнят почти в любой прикладной задаче, даже когда в распоряжении имеется достаточно мощности.
Непрерывность
Мгновенное прерывание в подаче питающей мощности часто вызывает начальный перезапуск построенных на микропроцессорах приборов, повреждение компьютеров и др. Чудесным решением этой задачи является использование источников бесперебойного питания (ИБП), обычно в виде питаемого от батареи инвертора постоянного тока в переменный с выходным напряжением 220 В и частотой 50 Гц, который способен автоматически подключаться на те несколько миллисекунд прерывания мощности.
Имеются в наличии источников бесперебойного питания с номинальными значениями мощности много киловатт. Большие источники дороги и объемисты. Однако имеются и компактные блоки, питаемые от небольшой батареи свинцовокислотных тельных элементов, предназначенные для систем, которые используют меньше киловатта мощности переменного тока. Для действительно маломощных систем небольшой ИБП, который инвертирует или непосредственно использует резервную батарею постоянного тока (см. рисунок ниже), является обычным и хорошим подспорьем при практическом проектировании маломощных устройств.
