Автомобильный блок питания для цифрового фотоаппарата

Введение

Большой ли аккумулятор стоит в фотоаппарате или маленький: бортсеть 12 вольт все равно эффективнее.

Нужно только аккуратно изъять из нее энергию в необходимом и не превышаюшем допустимого количестве.

Это устройство не имеет гальванической развязки. Следовательно, при питании от него фотоаппарат не следует подключать к другим устройствам (телевизору, компьютеру...) !

Анализ требований

В дальнейшем речь идет о фотоаппарате Sony DSC-V1 и бортсети 12 вольт. Но используя методику анализа ситуации и внеся незначительные коррективы в схему можно расчитывать на успех и в случае других моделей.

Итак, что, собственно нужно получить от схемы ? 1) Понижение напряжения. 2) Стабилизацию. 3) Частный случай 2: фильтрация помех (например, от системы зажигания или переключения света фар). Разбираем подробнее:

Бортсеть - это постоянное напряжение в диапазоне от 9..11 вольт (в момент работы стартера) до 14-16 вольт (при не очень исправном регуляторе напряжения при работе двигателя). Надпись на моем блоке питания фотоаппарата (который используется при работе с бытовой осветительной сетью 110-237 в) указывает, что его выходное напряжение 4.2 в, максимальный ток 1.2 А.

Попробуем оценить: насколько фотоаппарату важна стабильность напряжения и когда именно он берет (и берет ли вообще) ток 1.2 А. Эти измерения происходят одновременно. Подключаем в качестве источника питания лабораторный блок питания и следим за потребляемым током и состоянием фотоаппарата, неторопливо поднимая напряжение от 1-2 вольт до 4.2.

Сначала аппарат его кнопкой не включаем, но внутри стоит незаряженный аккумулятор. При напряжении около 3.5 в зажигается индикатор заряда аккумулятора (Li-ion). При дальнейшем повышении напряжения ток быстро растет, достигая при 4.2 в почти 600 мА. Судя по прямой зависимости тока он напряжения, никакой стабилизации заряда в фотоаппарате не предусмотрено. Значит, питающее напряжение стабилизировать нужно хотя бы с точностью +-2 % (цифра, конечно, взята "с потолка", но она явно хороша с точки зрения аппарата (как показала практика, в том числе) и не слишком сложна с точки зрения электроники БП).

Теперь аккумулятор убираем, выставляем напряжение в 4.2, засекаем ток. Около 10 мА. Включаем фотоаппарат: около 300 мА. Пробуем разные режимы работы: непрерывную/одиночную фокусировку, заряд конденсаторов вспышки, включение/выключение дисплея, запись видео. В среднем, потребляемый ток колеблется в пределах 300-600 мА. Экранчик кушает примерно 20-30 % от общего потребления. Самым потребляющим является зарядник вспышки - общий ток подскакивает почти до ампера. Но он работает меньше 10 секунд после очередного срабатывания вспышки, после чего существенного влияния не оказывает.

Теперь попробуем медленно снижать напряжение питания, ничего не трогая на фотоаппарате (он пока включен). Наблюдается повышение тока при снижении напряжения: следовательно, основная часть схемы питается от импульсного стабилизатора. Это хорошо, т.к. во первых, предполагает наличие внутреннего фильтра помех, во вторых: снижает требования к стабильности входного напряжения.

Итого: проектируемый нами блок питания должен обеспечивать, как минимум, точность удержания напряжения +-2%, продолжительно отдаваемый ток хотя бы на уровне 700 мА и кратковременный (например, 5 секунд один раз в минуту) до ампера (а лучше хотя бы 1.5 ампера). Не нужно особо жмотничать: цена риска - стоимость ремонта фотоаппарата, в то же время получить заданные параметры совсем не сложно.

Для себя я поставил еще одно условие: блок должен быть построен на не слишком современных деталях (например, не моложе 1990 года): это как раз тот случай, когда они еще могут быть успешно использованы. Размеры и вес блока не очень важны (в машине места хватит).

Схема: линейный стабилизатор на операционном усилителе. Ожидаемый в данном случае КПД: около 30 %, потребляемая мощность: в худшем случае 15 вт. Не сложно оценить, что для 55 А/ч автомобильном аккумуляторе, при допустимом разряде 30 А/ч, время непрерывной работы блока легко превысит сутки.

Конструкция

Итак, линейный стабилизатор. Схема простая, однако, подчеркивая, что цена ошибки высока, постараюсь подробнейше описать его устройство и указать на возможные замены деталей. Собирать схему можно в порядке описания, тогда сразу можно будет проверить каждую часть схемы поотдельности.

Любой стабилизатор: это схема сравнения и регулировки некоторого опорного значения (т.е. высокостабильного) с фактически отдаваемым.

Основой источника опорного напряжения служит полевой транзистор Q3 (кп103 с любой буквой) и стабилитрон D3. Транзистор обеспечивает стабилизацию тока на уровне 0.5-1 мА, стабилитрон: опорное напряжение 4.2 в. В моем случае еще использован кремниевый диод D4, т.к. D3 при токе 1 мА давал напряжение около 3.6 в, дополнительный диод D4 добавлял еще 0.6 в. В зависимости от имеющихся деталей можно: отказаться от Q3, заменив его резистором (около 1 кОм); использовать различные комбинации диодов и стабилитронов для получения напряжения 4.2 в. В крайнем случае, можно выбрать напряжение чуть больше (5..7в), но дополнить схему резистивным делителем. Либо чуть меньше (2..4в), но добавить делитель со стороны отрицательного входа операционного усилителя.

Источник опорного собран и работает верно ? Заметьте, он должен давать 4.2 в (договорились на 2 %: значит в районе 4.15..4.25 в) не обращая внимание на изменения входного напряжения (вспоминаем: от 8 до 16 в). Кстати, параллельно выходу источника можно включит небольшой конденсатор (несколько мкФ, на схеме это C5). Он может дополнительно улучшить стабилизацию при кратковременных изменениях входного напряжения. Идем дальше.

Операционный усилитель (я использовал 1ут401, это старая маркировка, сейчас он называется 140уд1, но, в сущности, сюда пойдет практически любой операционник, если, конечно, он может работать в заданном диапазоне питающих напряжений) - схема, выходное напряжение которой существенно зависит от разности напряжений на ее входах и пренебрежительно мало зависит от других параметров. Т.е. если напряжение на ее входе "-" (который у нас подключен к выходной линии) стало больше чем напряжение на входе "+" (куда подается опорное напряжение 4.2 в) - сигнал на выходе ОУ резко уходит в минус ("прижимается" к "земле" схемы) и наоборот: при снижении '-' выход ОУ поднимется к "питанию" (обратите внимание: "общий" схемы - "+", а не "-", как сейчас часто практикуется !!!).

Питание ОУ подключено ко входной линии (т.е. к конденсаторам C1, C4). После установки проверьте свой ОУ как описано в предыдущем абзаце (для этого используем резистор R4. Его номинал может быть от 1 до 100 кОм. После проверки ОУ он не нужен !): если на его "-" вход подать напряжение, превышающее 4.2 в, на выходе сигнал резко упадет, если на "-" ниже 4.2 в - выход резко увеличивается. Если повезет и на "-" сможете точно выставить 4.2 в - на выходе получите примерно половину питания. Заметьте: многие ОУ не любят, когда им на вход подается напряжение большее, чем поданное напряжение питания !

В наиболее грустном случае от ОУ можно отказаться, тогда источник опорного напрямую подключается к базе Q2. Но о стабилизации 2 % можно будет забыть. Мне кажется, так делать не стоит.

Теперь переходим к силовому каскаду. Он образован транзисторами Q2 (мп25, но можно что нибудь и менее подходящее. Практически любой маломощный p-n-p. Но лучше средней мощности. кт814, кт816 из того, что еще можно купить) и Q1 (п213 - очень хорошо. Но он тоже старый. Можно кт814, кт816, но тогда нужно ответственно подойти к радиатору, даже на время экспериментов. Здесь важный параметр: допустимый ток - по крайней мере 1.5А). Вообще-то, если ОУ дает достаточный для управления Q1 ток (но это может быть и 100 мА), тогда можно Q2 убрать. Но в моем случае без него было сложно.

Резистор R3 должен слегка улучшать работу стабилизатора (точнее, каскада Q1), но фактически, в нашей схеме он погоды не сделает. Он прикрывает Q1, если у него большая утечка (особенно, при увеличении температуры) с коллектора на базу. Это особенно важно, если стабилизатор должен был работать в районе очень низких выходных напряжений (IMHO, может я и ошибаюсь). Мой экземпляр работает без R3.

Теперь, если Q1, Q2 установлены, а "-" ОУ еще не подключен, можно попробовать снова им ("-" входом) поиграть. Напряжение на эмиттере Q1 (при наличии R1) должно качественно повторять сигнал на выходе ОУ.

Если это выполняется, осталось подключить "-" вход ОУ к эмиттеру Q1 и убедиться, что в точке их соединения получилось ровно 4.2 в. На выходе ОУ напряжение при этом будет около 5 в. Не забудьте убрать R4 !

Заметьте: Q1 будет рассеивать мощность около 8-и ватт. Это повод посадить его на радиатор. Я использовал в качестве каркаса схемы и радиатора Q1 блок от цветного лампово-транзисторного телевизора, который лет 20-ть назад занимался кадровой разверткой. Это решение с запасом - температура едва дотягивает до 35 градусов. Можно поставить радиатор и поменьше.

Разберемся в назначении других деталей.

R1 (кстати, его мощность должна быть хотя бы 0,5 вт) несколько уменьшает диапазон нагрузок. Если его убрать и отключить фотоаппарат, ток на выходе стабилизатора будет нулевым. В то же время под нагрузкой ток достигает ампера, т.е. перепад токов, вообще говоря, бесконечный. Если же R1 присустствует, минимальный ток 4.2/51 = ~80 мА. Максимальный: 0.08+1 = 1.08 = ~1.1 А. Перепад 1.1/0.08 = ~10. Понятно, что стабилизировать напряжение в нагрузке, которая изменяется только в 10 раз проще, чем при бесконечном изменении :). Отсюда очевидно, что чем меньше номинал R1 тем стабилизация лучше, но, во первых, возрастет потребление блока, во вторых - увеличатся мелкие пульсации (конденсаторы C1, C2 не бесконечны). Думаю, 51 ом в самый раз.

C1, C2 - это просто фильтрующие емкости. На всякий случай. Можно их увеличить, особенно C1, но особенно увлекаться пользы нет. В умных книжках описывается, как можно расчитать их емкость, задавшись частотой, допустимой амплитудой пульсаций, нагрузкой... Но ведь, если честно: допустимый уровень пульсаций нам не известен. Мы лишь ориентируемся на его значение, равное значению нестабильности напряжения, т.е. единицы процентов. Уровень и спектр пульсаций входного напряжения... А кто его знает ? В моей машине, при включении многоискрового режима зажигания в гнезде прикуривателя пульсации на частоте несколько десятков герц составляют около вольта. А очень короткие пики (около единиц мс) - вольта два-три. А у вас ? Короче, для умных формул места здесь мало. И самые точные оценки можно получить только двумя путями: 1) подключеный на ходу машины (или в других случаях) осцилограф. 2) аналогично подключенный, пока исправный, фотоаппарат :)).

C3, C4, T1 - это как раз фильтр сильных амплитудой, но коротких временем, помех. Что-то подобное обычно ставится в автомобильные магнитолы, иногда в отдельной от основного корпуса коробочке. T1 у меня: несколько десятков витков (до заполнения) магнитопровода от переносного радиоприемника (сечение центральной части Ш-образного магнитопровода ~8x8 мм). Обмотки разделены тонкой картонной переборкой, затем все это залито парафином. Диаметр провода - 0.6 мм. На C4 амплитуда помех от зажигания падает почти в десять раз (по сравнению с C3), достигая ~0.1в, а на выходе блока (конденсатор C2) уже не фиксируется (использовался осцилограф ОЛМ-2М). Попробуйте, может и у вас получиться еще лучше. А может он вообще не нужен :).

На входе блока желательно поставить предохранители, ампера на 2, и можно диод в прямом направлении - он будет защищать от неправильной полярности входного напряжения (если автомобильная розетка симметрична и допускает подобное). Диод на прямой ток 1.5 А или больше, кд226, например, впрочем, их много разных. Предохранители, в первую очередь, на случай, если разъем (у Sony он имеет "открытые" контакты), включаемый в фотоаппарат, случайно упадет на какую нибудь металическую поверхность, которая будет связанна с корпусом автомобиля. Большого КЗ может и не произойдет, но, особенно если машина чужая, есть риск спалить предохранители прикуривателя.

И последнее: R2, D2, D1. Эта цепочка самому стабилизатору не нужна, но она индицирует его корректную работу. Что самое страшное ? Если на выходе вместо 4.2 в результате какого-то сбоя появиться более высокое напряжение. Если предположить, что бортсеть при этом останется в пределах 12-14 в, то превышение напряжение на выходе блока приведет к его одновременному падению на краях цепочки R2, D2, D1. Что и будет отмечено гашением светодиода D2. Почему ? Потому что если напряжение на краях цепочки ниже напряжения стабилизации D1 (возьмем его в районе 6 в), оно будет полностью падать на D1. И D2 ничего не останется. В нормальном режиме распредение напряжений таково: 12 в входное, 4 в - выходное, 8 в на цепочку индикации. Там оно поделиться примерно так: 6 в на стабилитрон, 1.8 на светодиод, 0.2 на резистор (он защищает D1, D2 от излишнего тока, если напряжение существенно превысит 8 вольт). 1.8 в на светодиоде. Мало, поэтому на стоянке он светиться тускло. При включенном двигателе входное напряжение блока повыше, например 14 в, выходное остается 4 в, на цепочку уходит 10 в, из них 6 на стабилитрон, и вот уже светодиод и резистор делят между собой остаток в 4 вольта. Светодиод светиться заметно ярче. При сбое (например пробое транзистра), напряжение на цепочке падает ниже 6 в и светодиод выключен.

Проверка

После того, как блок вроде бы правильно собран, его все таки нужно качественно проверить. Конечно, в качестве нагрузки фотоаппарат подключать не стоит, пока заменим его резистором, обеспечивающим близкий к максимальному ток. Например, два последовательно включенных двухваттных двухомных резистора. Все тесты желательно провести как под такой нагрузкой так и без нее.

Операционник (а лучше весь блок в сборе) проверить на работу в диапазоне от четырех до 16 вольт (плавно меняя напряжение). Есть маловероятный риск, что при низком напряжении (5..8 в) ОУ начнет выдавать ерунду и выставит вместо 4 вольт полное подводимое к блоку напряжение, что, конечно, радости фотоаппарату не добавит. Разумеется, в бортсети напряжение выше, но ведь есть переходные процессы: при включении и выключении блока, благодаря конденсаторам, напряжение меняется от 0 до 12 не моментально...

Теперь неплохо еще провести продолжительный тест, хотя бы по полчаса, при разных значениях входных напряжений (например, 6, 8, 12, 14, 16 в). Как под эквивалентом нагрузки, так и без него. Обратить внимание на работу светодиода, на выходное напряжение, на температуру элементов.

И, наконец, если есть возможность, оценить выходные пульсации "на месте" в машине. Нужен осцилограф или пиковый вольтметр.

Самодельный разъем питания для Sony DSC-V1

Сонька постаралась сделать что нибудь такое, чтобы глупый юзер не воткнул вместо "родного" блока питания что нибудь другое. Но получилось оно на удивление несложно для повторения дома.

Разъем внутри фотоаппарата представляет собой отверстие близкого к прямоугольному сечения с двумя контактами сверху, одним снизу и подобием фиксатора сбоку. На фиксатор внимания не обращаем, он присутствует из эстетических целей, разбираемся с контактами. Впрочем, тут все ясно: при замыкании двух верхних фотик резко переходит от аккумуляторного питания к внешнему (кстати, почему сонька забыла сделать обратный переход - для меня так и осталось загадкой. Т.е. если выдернуть внешнее питание, аппарат просто вырубается). Один из верхних - это, собственно, питание, единственный нижний - другой полюс питания. Какой из них плюс, какой минус - не помню, но вольтметр это легко определит.

Не заморачиваясь на небольшие пазы, получилась такая конструкция:

Размеры ее не привожу, т.к. просто обтачивал "по месту". Выглядит это чудо дизайна таким образом:

Провод отходит под прямым углом от разъема, он не позволяет воткнуть разъем в неправильной полярности.

Владимир

Зеркало сайта