Может ли диод эффективно регулировать напряжение питания?

Ответы Грега и Питера пытаются ответить на вопрос, который вы на самом деле задали, но они как бы упускают из виду важную вещь, а именно то, что у вас, вероятно, недостаточно напряжения, чтобы делать то, с чего вы хотите начать.

Вы не говорите, с каким химическим составом батареи вы имеете дело, поэтому давайте рассмотрим все распространенные случаи:

щелочной

Как правило, они начинаются примерно с 1,6 В на элемент, когда только что вышли с завода, немного падают из-за саморазряда до номинальных 1,5 В к тому времени, когда вы их покупаете, а затем имеют значительную мощность примерно до 0,9 или 0,8 В на элемент.

Щелочная батарея «6 В» будет иметь 4 элемента, потому что они продаются на основе типичного напряжения на полке при покупке, а не их пикового напряжения. По этой же причине щелочные батареи стали маркироваться датой «лучше всего до» на этикетке: это момент, когда ожидается, что они будут слишком сильно саморазряжаться.

Падение является довольно линейным для этого типа химии: середина примерно на (1,6 - 0,8) ÷ 2 = 0,4 В ниже пикового напряжения, или около 1,2 В.

Между тем, на стороне нагрузки у вас есть 6,0 В - (5,0 В - 5%) = 1,25 В ÷ 4 ячейки ≈ 0,3 В на ячейку, выпавшие до того, как схема начнет работать неправильно. (5% является типичным значением отключения для 5-вольтовых ТТЛ-цепей.) Поскольку существует диапазон напряжения батареи 0,8 В, при котором батарея обеспечивает значительную мощность, это означает, что у вас все еще есть около ⅝ мощности в батарее, когда ваша схема умирает.

Вы не говорите о деталях своей схемы, так что, возможно, ваша на самом деле снизится до 0,8 В на ячейку или всего 3,2 В. Но поймите, что мы еще даже не начали говорить о падении напряжения на последовательном диоде или резисторе.

Свинцово-кислотные

История здесь похожа на щелочную, за исключением того, что кривая разряда более пологая, а минимальное напряжение элемента сильно зависит от условий. (Ток разряда, температура, тип элемента и т. д.)

Просто ради аргумента предположим, что ваша батарея работает примерно от 2,1 В, когда она только что снята с зарядного устройства, до примерно 1,8 В, когда она полностью разряжена под нагрузкой. Поскольку номинальное напряжение элемента для свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2,0 В, у вас есть трехэлементная батарея, так что наше предположение о минимальном рабочем напряжении схемы 4,75 ÷ 3 ≈ 1,6 В на элемент.

Звучит здорово, правда? Нам нужно всего 1,6 В на элемент, чтобы поддерживать питание нашей цепи нагрузки, но мы собираемся получить всю мощность от батареи примерно на 1,7 В или 1,8 В. Но мы еще не рассмотрели последовательный диод или резистор. Если мы предварительно понизим напряжение батареи на 0,7 В с помощью диода, мы снизим напряжение на ячейку примерно на 0,2 В на каждую, так что теперь мы находимся на грани получения всей энергии из батареи до того, как схема умирает.

В итоге, здесь может подойти свинцово-кислотная батарея с диодным трюком. Однако вы, возможно, не сможете позволить себе объем и вес такой батареи.

Никель перезаряжаемый

Если вам нужны маленькие и легкие перезаряжаемые аккумуляторы, вы сразу же пропустите свинцово-кислотные. Химические соединения никеля имеют гораздо лучшую плотность энергии , чем свинцово-кислотные, поэтому они используются в портативных электроинструментах.

И NiCd, и NiMH ведут себя одинаково для наших целей, поэтому мы можем рассматривать их вместе.

Они имеют нелинейную кривую разряда: они очень быстро падают, когда сразу после зарядки заряжаются, быстро выравниваются, а затем довольно медленно падают в течение большей части срока службы элемента. Затем, ближе к концу срока службы элемента, они начинают падать все быстрее и быстрее, пока напряжение на их клеммах не падает под нагрузкой.

Диапазон полезного напряжения для никелевой ячейки составляет примерно 1,3 В, когда она только что снята с зарядного устройства, до 1,0 В на ячейку, когда она почти разряжена. Номинальное напряжение ячейки для никелевого химического состава составляет 1,2 В, поэтому никелевая батарея «6 В» будет иметь 5 ячеек.

Поскольку элементы в основном разряжаются при напряжении около 1,0 В, батарея в основном разряжается при напряжении 5,0 В. Там есть еще немного сока, который нужно выжать, но это будет только около 10% или меньше полезной мощности батареи. 1,0 В находится на «колене» разрядной кривой. Между 1,0 В и 0,9 В время автономной работы намного меньше, чем между 1,1 В и 1,0 В.

Что произойдет, если мы поместим диод или резистор на пути к тому, что ваша схема сможет выдержать? Это эффективно сдвигает кривую батареи вниз на некоторую величину. Диод сдвинет полезный диапазон напряжения батареи до 5,3 - 4,3 В. Хотя кривая разряда является нелинейной, средняя точка срока службы батареи все еще находится в середине этого нового диапазона, или около 4,8 В, к этому времени схема, вероятно, вот-вот выйдет из строя из-за голодания по напряжению.

В итоге, это не намного лучше с точки зрения эффективности использования батареи, чем щелочная батарея.

Литий

Существует целый зоопарк химических препаратов на основе лития .

Если у вас действительно есть литиевая батарея, это, вероятно, один из химических элементов на 1,5 В, который более или менее ведет себя так же, как щелочной с точки зрения профиля напряжения, поэтому у вас есть ответ выше.

Я сомневаюсь, что у вас есть один из химических элементов ~ 3-4 В, поскольку они имеют тенденцию группироваться примерно в середине этого диапазона, так что 2-элементная литиевая батарея, вероятно, будет продаваться как батарея 7 В, а не батарея 6 В.

Лучший план

Вместо того, чтобы пытаться снизить напряжение батареи с 6 В до 5 В и надеяться, что оно останется там, я бы предложил преобразователь постоянного тока , который может увеличивать или уменьшать напряжение батареи по мере необходимости. Одной из таких конструкций является повышающе-понижающий преобразователь , но есть и другие, такие как SEPIC и сплит-пи .

Идея здесь состоит в том, чтобы получить такой, который будет работать от входного напряжения всего 3-4 В и который выдержит входное напряжение не менее 6-7 В, при этом выдавая номинальное напряжение 5,0 В.

Я поискал на Digi-Key и нашел около дюжины подходящих вариантов. Я не хочу перечислять их здесь, потому что вопрос настолько расплывчатый, что я не могу быть уверен, что они действительно подходят для вашего приложения. Дело в том, что иди, ищи сам. Это настолько распространенная проблема, что вы обязательно найдете что-то подходящее. Здесь не нужно изобретать велосипед.

Но потом я вспомнил, что моя батарея постоянного тока, так что все довольно стабильно. Разве падение напряжения не должно быть постоянным?

Нет.

Ваша схема здесь состоит в том, чтобы подключить источник 6 В к микроконтроллеру, который потребляет определенное количество тока (я думаю, 50 мА). Это будет работать, если ваш микро всегда потребляет 50 мА: резистор 20 Ом упадет на один вольт, а микро с радостью увидит 5 В.

Однако микроконтроллер — штука сложная. Он не всегда использует 50 мА. Иногда он может использовать больше (запуская много вещей одновременно), поэтому напряжение на контактах питания будет меньше 5 В, что нехорошо. Иногда он может потреблять меньше (режим низкого энергопотребления, запуск и т. д.), поэтому на контакты питания будет приходиться более 5 В, что тоже нехорошо.

Обратите внимание, что ничто из этого не имеет отношения к тому факту, что источником напряжения является постоянный ток: если вы пропускаете непостоянный ток через резистор, на нем будет падать непостоянное напряжение.

Как упоминает Питер Беннетт, диод имеет довольно устойчивое падение напряжения (если вы увеличиваете или уменьшаете ток через него, напряжение на нем не меняется так сильно) - он может работать лучше для вас. Регулятор напряжения был бы идеальным решением здесь. Если вы ищете стабилизатор напряжения, убедитесь, что вы найдете тот, который работает с падением напряжения ~ 1 В! Наиболее известным стабилизаторам на 5 В (7805) для правильной работы требуется 7 В, так что это не решение для вас.

Примечание: вы правы насчет текущего рейтинга. Источник питания, рассчитанный на 2 А, будет работать при любом токе от 0 до 2 А, поэтому 50 мА вполне достаточно.

Падение напряжения на кремниевом диоде составит 0,6 - 0,7 вольта для широкого диапазона токов. Со свежими батареями один диод должен падать достаточно, чтобы микроконтроллер был доволен. Конечно, когда батареи разряжаются, их напряжение будет падать, возможно, до точки, когда вам нужно удалить диод, чтобы напряжение на микроконтроллере не было слишком низким.

Резисторы также можно использовать для снижения напряжения, но падение напряжения зависит от тока, как показывает закон Ома.