Около электроники

Программирование и электроника – они же где-то рядом вроде? Ну или были таким, по крайней мере так мне казалось в юности.

Ведь я настолько стар, что в дни моего детства, по крайней мере в городе Прокопьевске, про компьютеры если и слышали, то самым краешком уха. А вот с электроникой дело было получше.
Поэтому первым моим увлечением в детстве была электроника. В смысле, что она была мне очень интересна и крайне меня привлекала. Но ни в какие кружки я не ходил, уж не помню почему. Может, их и не было в шахтерском городке, а может я не сильно и хотел. Все же я с детства был достаточно асоциален.

С самой же электроникой в СССР 80-х годов дело обстояло так: книги об основных принципах функционирования электронных деталей можно было найти достаточно легко; с радиодеталям дело обстояло очень-очень плохо: в магазинах в свободной продаже был очень ограниченный набор деталей, в основном одна-две позиции маломощных биполярных транзисторов, скудный набор резисторов, да и электронных ламп не сильно богатый выбор был.
Всё это слегка компенсировалось тем, что народ полулегально "коммуниздил" всё, что плохо лежало с заводов и предприятий, но и там номенклатура деталей была не сильно широкая и ограничивалась строго ассортиментом выпускаемой продукции.
С готовой продукцией для рядовых потребителей была та же ситуация, что и с радиодеталями. Недорогих и качественных товаров было не купить, потому что на всех не хватало и их разбирали еще до того, как их выставляли на полки. А то, что стояло в магазинах, было запредельно дорого. Например, транзисторный радиоприемник был в свободной продаже, если не ошибаюсь, за 700 рублей, не помню уже название модели. А это было больше трех-четырех зарплат рядового служащего, и даже далеко не каждый шахтер мог заработать на такой приемник за месяц.

В общем, я в основном читал книжки, но не очень хорошо их понимал, в силу возраста, я думаю. Ну и руки у меня не из совсем правильно места росли. Конечно, все это происходило из-за недостатка практики и некоторой самоуверенности.
Помню, уже будучи подросткам я попытался отремонтировать кассетный магнитофон. Естественно, из-за отсутствия знаний я не смог правильно диагностировать неисправность, но не смотря на это, зачем-то полез туда с паяльником. В общем, потерпел полное фиаско. Мастер, который отремонтировал после этого магнитофон, вполне заслуженно назвал меня варваром.

И вот, уже на старости лет что-то меня потянуло опять к электронике. Но как же все изменилось за это время!
И поразительный выбор радиодеталей (был по крайней мере до февраля), и монтажные платы на любой вкус и цвет, вообще много чего для удобства. В общем, так можно уже и учиться чему-то. )

Был и повод. Моя машина, подержанный тигуанчик, что я купил в 2016 году, постоянно высаживала аккумулятор. Его я поменял при первом удобном случае, но это не помогло.
Так как на предыдущих моих машинах таких проблем не было, то очевидно, что дело было в утечке. Однако найти человека, который бы настолько хорошо разбирался в электронике немецкого автопрома, мне не удалось.

Пришлось погрузиться в тему свинцовых аккумуляторов. Раз утечку найти не удалось, надо было попробовать зайти с другой стороны, так как летом заряд аккумулятора держался нормально, а проблема возникала только зимой.
В результате я выяснил, что проблема связана с тем, что при температуре ниже +5℃ аккумулятор начинал терять емкость и принимать заряд. И чем ниже температура аккумулятора, тем меньше емкость и тем хуже он принимает заряд. И при температуре меньше -10℃ он практически вообще заряд не берет, не говоря про обычные для Сибири -30℃. Поэтому даже небольшая нагрузка при морозах буквально за сутки могла сильно разрядить аккумулятор.

Так что я решил установить подогреватель аккумулятора. Сначала хотел купить готовое изделие, но ничего подходящего почему-то найти не удалось. Хотелось бы, что бы подогреватель включался автоматически при запущенном двигателе и низкой температуре аккумулятора, а при высокой – отключался. Но такого не существовало тогда в природе.

Поэтому я решил попробовать сделать его сам. Ну, по крайней мере процесс разработки обещал быть интересным. И в общем, у меня получилось. Я сделал полностью аналоговое решение, собрал макет и даже проверил его работу.
Правда, до полноценной отладки и сбора прототипа дело так и не дошло. Потому что пока я собирался с мыслями, деталями и набирался смелости (все же это достаточно рискованная операция – установить самодельный обогреватель в моторный отсек, особенно с учетом моей квалификации и опыта), мне надоело держать на постоянном автоподзаводе машину. По температуре не удобно, когда не так холодно, а по времени – сильно часто.
Поэтому я поменял сигналку на новою, с возможностью подзавода по напряжению на аккумуляторе.

И, о чудо, проблема если и не решилась полностью, то стала почти не беспокоящей. Все же эта старая сигналка давала утечку, то ли сама по себе, то ли из-за неправильного монтажа.

Так что разработанная схема оказалось не у дел. Тем не менее, кое что полезное их этой разработки вынес.
Во-первых, я наконец-то худо-бедно разобрался, как работают транзисторы, по крайней мере на низких частотах.
Во-вторых, понял, что конкретно для этой разработки чисто аналоговый режим не нужен. Высокая частота опроса датчиков там не требуется, а использование какого-нибудь простенького микроконтроллера позволило бы сильно упростить схему и снизить энергопотребление, что актуально в условиях сибирских морозов. Не знаю, может когда-нибудь я все же вернусь к этому проекту.

Ну а пока, не пропадать же добру... Я вот тут только в транзисторах начал разбираться и в свинцово-кислотных аккумуляторах... )
И мне ж вечно что-то не нравится, всё я мечтаю что-нибудь угробить улучшить совершенно необыкновенным и чудным способом.

В этот раз моё внимание привлекли бесперебойники, аккумуляторы в которых дохли с регулярностью раз в три года. В то время как на авто, если за аккумулятором следить, они вполне выхаживают по шесть лет и больше.
А я ж на аккумуляторах собаку съел (шептала мне моя корона), пока мучился с ним на авто.

В общем, после размышлений я пришел к выводу, что причина в том, что в бесперебойниках (по крайней мере в недорогих) причиной всему был буферный режим заряда.
Дело в том, что напряжение заряда даже в буферном режиме превышает стандартный потенциал водной электролитической ячейки, поэтому всегда происходит разложение воды электролита.
Пока элемент разряжен, почти полностью электрическая энергия тратится на его заряд, на разложения воды уходит лишь малая часть. Когда же элемент заряжен, скорость разложения воды увеличивается, впрочем, оставаясь незначительной. Рост температуры аккумулятора приводит к ускорению электролиза воды. А в недорогих ИБП охлаждение не очень, поэтому аккумулятор всегда тепленький. И хоть даже у теплого аккумулятора скорость электролиза не высока, за три года такого режима заряда вода полностью разлагается в аккумуляторе, и если такой аккумулятор разрезать, то внутри он будет полностью сухой, без электролита.

Правда, эту мою теорию суровые администраторы больших дата-центров высмеяли. Сказали, что наоборот, буферный режим очень полезен для аккумуляторов, улучшает структуру электродов, и вообще, ИБП не дураки же делают, в конце концов.
Но меня это не остановило. Уж если я чего решил – я выпью-то обязательно... В общем, они меня не убедили.

Откуда вообще взялся этот буферный режим? Честно говоря, я не знаю, могу лишь спекулировать на эту тему. Вот моя спекуляция:
Буферный режим используется для тяговых аккумуляторов. Если тяговые аккумуляторы используется интенсивно (а обычно это так и есть), то аккумулятор выходит из строя из-за разрушения электродов в процессе регулярных циклов заряда примерно за год-два. Поэтому электролит не успевает "выкипеть" за это время и использование буферного режима заряда для такого применения оправдано. Ведь буферное ЗУ очень простое, дешевое и надежное.

И совсем другое дело ИБП. Частных и глубоких разрядов аккумуляторы в нем обычно не испытывают, поэтому было бы гораздо логичнее периодически проверять их заряд и при необходимости подзаряжать, вместо того, что бы держать их на заряде всё время службы.

Поэтому мне и пришла идея что-то придумать в этом направлении. Правда, текст получился уже слишком длинный, поэтому всё остальное я расскажу как-нибудь в следующий раз, а сейчас про мелкие интересные детали реализации.

Упрощенно схему резервирования питания на низком напряжении можно представить так:

 

Понятно, что тут еще должен быть управляющий элемент, который будет определять момент, когда пропадет основное питание и включать ключ.
Обычно ключ в недорогих ИБП сделан на основе реле, но мне такой вариант не нравится. Во-первых, заметное время переключения, во-вторых, хоть и не большое, но все же постоянное потребление энергии.
Время переключения не так критично на современных компьютерных блоках питания, когда компьютер потребляет мало энергии, но вот при больших уровнях потребления БП может и не хватить запаса энергии в конденсаторах, что потенциально может привести к сбоям.
Поэтому, мне кажется, тут легко и непринужденно можно заменить реле на мощный  MOSFET-транзистор, тем более что стоят они сейчас не сильно дорого.

Диод в основной цепи нужен для того, что бы резервный блок питания в переходных режимах работал стабильно, да и отследить потерю основного питания без диода достаточно сложно.
Тут другая проблема. Даже диод Шоттки в случаях большой мощности имеет падение напряжения не меньше 0.5В, что при большом токе вызывает нагрев и снижает КПД устройства резервирования.
Поэтому возникла идея и его тоже заменить на транзистор. Однако MOSFET тут не подойдет, потому что у любого мощного MOSFET-транзистора в силу особенности технологии изготовления есть паразитный диод, включенный в обратном направлении.
Некоторые производители лукавят и говорят, что паразитный диод – это не баг, это фича! Типа, это такой защитный диод, который спасает транзистор при работе на индуктивную нагрузку. Но я сколько не думал, так и не придумал вариант такой нагрузки, где этот диод мог бы что-нибудь спасти. Видимо, от недостатка опыта.
Биполярные варианты тоже плохи, так как на них падение напряжения будет побольше, наверное, чем на диоде.

Сначала я  легкомысленно решил, что это можно сделать на обычном полевом транзисторе с управляющим p-n переходом. Очень удобно, что у таких транзисторов нет разницы между стоком и истоком. Правда, входное сопротивление пониже, чем у MOSFET, и, соответственно, выше ток утечки затвора. Но в данном приложении это не особо важно.
Но тут я с удивлением обнаружил, что мощных FET-транзисторов с  p-n переходом в природе не существует. Да и маломощных не сильно-то много.

Неужели нет никакого решения? Оказывается, есть, но почему-то про него не особо распространяются в литературе. Можно сделать вот такой составной ключ:

Главное, что бы нагрузка была в верхнем плече. Если нагрузку подключить в нижнем плече, то нижний транзистор будет открыт не полностью и на нем будет значительная потеря мощности, также он будет сильно греться на мощной нагрузке.
Есть и недостаток: вдвое более высокое сопротивление ключа. И все равно оно будет значительно ниже сопротивления мощного диода Шоттки. Кроме того, можно параллельно подключить вторую пару транзисторов и получить исходное сопротивление.
В отличие от одиночного MOSFET-транзистора такой в закрытом состоянии не пропускает ток в любом направлении.