Объединение блоков питания: параллельное и последовательное соединение

Объединение блоков питания от мобильных телефонов для создания более мощных источников питания возможно, но требует правильного понимания принципов параллельного и последовательного соединения, а также реализации специальных схем коммутации для обеспечения безопасности и стабильной работы. При параллельном соединении можно увеличить выходной ток, а при последовательном - получить повышенное напряжение, однако необходимо учитывать особенности зарядных устройств и использовать защитные компоненты для предотвращения повреждения оборудования.

---

Содержание

• Принципы объединения блоков питания: параллельное и последовательное соединение
• Параллельное соединение зарядников: схемы для увеличения тока
• Последовательное соединение зарядников: получение повышенного напряжения
• DC-DC преобразователи как альтернативное решение
• Практические схемы защиты и безопасности при объединении блоков питания
• Источники
• Заключение

---

Принципы объединения блоков питания: параллельное и последовательное соединение

Объединение блоков питания от мобильных телефонов является распространенной практикой в электронике и DIY-проектах, которая позволяет создавать источники питания с требуемыми параметрами. Основными методами соединения являются параллельное и последовательное, каждый из которых имеет свои особенности и ограничения.

При параллельном соединении нескольких блоков питания выходные контакты “+” каждого устройства соединяются вместе, а выходы “-” также объединяются. В результате общее напряжение остается равным напряжению одного блока питания, а общий ток равен сумме токов всех подключенных источников. Например, при параллельном соединении двух блоков питания по 5В/1А мы получим источник 5В/2А.

При последовательном соединении “+” первого блока питания соединяется с “-” второго, а выходными контактами являются “+” второго блока и “-” первого. В этом случае общее напряжение равно сумме напряжений всех блоков питания, а ток остается равным току одного источника. Таким образом, соединив два блока питания по 5В/1А последовательно, мы получим источник 10В/1А.

Важно отметить, что для успешного объединения блоков питания необходимо учитывать несколько критических факторов. Во-первых, напряжения выходных блоков питания должны быть максимально совпадать - отклонение не должно превышать ±5%. Во-вторых, для параллельного соединения необходима идентичность параметров стабилизации выходного напряжения. В-третьих, требуется реализация специальных схем для предотвращения обратного тока и обеспечения равномерного распределения нагрузки между блоками питания.

---

Параллельное соединение зарядников: схемы для увеличения тока

Параллельное соединение блоков питания от мобильных телефонов является наиболее распространенным методом для увеличения выходного тока при сохранении напряжения. Для зарядников с выходным током 500-1000mA параллельное соединение позволяет создать источник питания с током в несколько раз превышающим возможности одного устройства.

Базовая схема параллельного соединения

Простейшая схема параллельного соединения нескольких зарядников требует идентичных выходных напряжений и схем стабилизации. В этом случае выходные “+” всех блоков питания объединяются вместе, а выходы “-” также соединяются общим проводом. Однако такой подход имеет серьезный недостаток - отсутствие защиты от обратного тока, который может повредить зарядные устройства при небольшом различии их выходных напряжений.

Для устранения этого недостатка применяются специальные диодные схемы. Самый распространенный метод - использование диодов Шоттки с низким падением напряжения (около 0.3-0.5В) в цепи каждого зарядного устройства. Диоды устанавливаются в разрыв линии “+” каждого блока питания, что обеспечивает одностороннюю проводимость и предотвращает обратный ток.

Схема Diode-OR

Диодная схема Diode-OR является простым и эффективным решением для параллельного соединения блоков питания. В этой конфигурации каждый блок питания подключается через свой диод к общей нагрузке. Основным преимуществом такого подхода является простота реализации и надежность. Однако есть и существенный недостаток - падение напряжения на диодах, которое может составлять 0.3-0.7В в зависимости от типа диода.

Для зарядников с напряжением 5В падение напряжения на диодах может существенно снизить эффективное напряжение питания для подключенного устройства. Для решения этой проблемы можно использовать диоды Шоттки с низким падением напряжения или добавить небольшое повышение исходного напряжения зарядных устройств.

Схема MOSFET-OR

Более совершенной альтернативой диодным схемам является схема с использованием MOSFET-транзисторов, известная как MOSFET-OR. В этой конфигурации каждый зарядный блок подключается через N-канальный MOSFET, управляемый напряжением на выходе. При наличии напряжения на выходе зарядного устройства MOSFET открывается, обеспечивая проводимость.

Основным преимуществом схемы MOSFET-OR является минимальное падение напряжения (всего несколько десятых вольта), что делает ее намного эффективнее диодных схем. Кроме того, такие схемы обеспечивают лучшую защиту от обратного тока и более равномерное распределение нагрузки между блоками питания.

Практические рекомендации для параллельного соединения

При реализации параллельного соединения зарядников с выходным током 500-1000mA следует учитывать следующие рекомендации:

1. Используйте зарядные устройства с как можно более близкими характеристиками выходного напряжения. Идеальное совпадение параметров невозможно, но отклонение не должно превышать 0.1-0.2В.
2. Для защиты обратного тока используйте либо диоды Шоттки (1N5817, 1N5819, 1N5822), либо схемы на MOSFET-транзисторах с логическими уровнями управления.
3. Подбирайте силовые провода достаточного сечения для протекания суммарного тока. Для токов до 2А рекомендуется использовать провода сечением не менее 0.5мм², для токов 2-5А - не менее 1мм².
4. При использовании диодных схем учтите падение напряжения и, при необходимости, увеличьте исходное напряжение зарядных устройств на величину падения на диодах.
5. Для лучшего распределения нагрузки между блоками питания можно добавить резисторы одинакового сопротивления (0.1-0.5Ом) в цепи каждого зарядного устройства.
6. Рассмотрите возможность использования специализированных ИС управления балансировкой, таких как LTC4412, которые обеспечивают оптимальное распределение нагрузки и защиту от перегрузки.
7. Не забывайте о терморегулировании - при работе нескольких зарядных устройств в параллельном режиме их температура может значительно повышаться, что требует обеспечения адекватного охлаждения.

---

Последовательное соединение зарядников: получение повышенного напряжения

Последовательное соединение блоков питания мобильных телефонов позволяет получить повышенное выходное напряжение, сохраняя при этом ток, характерный для одного зарядного устройства. Этот метод особенно полезен, когда требуется питание устройств, работающих от напряжений выше стандартных 5В, например, 10В, 12В или даже 24В.

Базовая схема последовательного соединения

При последовательном соединении “+” первого блока питания соединяется с “-” второго блока, а выходными контактами являются “+” второго блока и “-” первого. В результате общее напряжение равно сумме напряжений всех блоков питания, а ток остается равным току одного источника. Например, при последовательном соединении двух зарядников по 5В/1А мы получим источник 10В/1А.

Для трех блоков питания соединение будет следующим: “+” первого соединяется с “-” второго, “+” второго соединяется с “-” третьего. Выходные клеммы - “+” третьего блока и “-” первого. В этом случае общее напряжение составит 15В при токе 1А.

Особенности и ограничения последовательного соединения

В отличие от параллельного соединения, последовательное соединение имеет свои специфические ограничения и особенности. Во-первых, важно обеспечить правильное распределение нагрузки между блоками питания. При последовательном соединении каждый блок питания работает с одинаковым током, но напряжения на них могут отличаться из-за различий в характеристиках.

Во-вторых, при последовательном соединении возникает проблема общей точки заземления. Если один из блоков питания имеет свою массу (землю) соединенной с минусовым выводом, это может привести к короткому замыканию при неправильном подключении. Поэтому при последовательном соединении важно изолировать все блоки питания от корпуса или обеспечить единую точку заземления.

Защита обратного напряжения при последовательном соединении

При последовательном соединении блоков питания особое внимание следует уделять защите от обратного напряжения. Если один из блоков питания выходит из строя или его напряжение падает, остальные блоки могут создать обратное напряжение на неисправном устройстве, что приведет к его повреждению.

Для защиты от обратного напряжения в последовательных цепях используются диоды, устанавливаемые параллельно каждому блоку питания в направлении, противоположном нормальному рабочему. При появлении обратного напряжения диоды открываются, шунтируя блок питания и предотвращая его повреждение.

Практические схемы последовательного соединения

Одной из самых распространенных практических схем последовательного соединения является схема с использованием диодов Шоттки в цепи каждого блока питания. Диоды устанавливаются так, чтобы предотвращать обратный ток при возможном несоответствии напряжений или выходе из строя одного из устройств.

Более сложной, но более надежной является схема на реле или контакторах, которая автоматически отключает неисправный блок питания из последовательной цепи. В такой схеме каждому блоку питания соответствует свое реле, которое контролирует напряжение и состояние устройства. При обнаружении неисправности реле отключает поврежденный блок питания из цепи.

Для повышения надежности последовательного соединения можно использовать специализированные ИС защиты, такие как LTC4420 или MAX17710, которые обеспечивают мониторинг состояния каждого блока питания и его автоматическое отключение при возникновении неисправностей.

Ограничения по количеству блоков питания

При последовательном соединении важно учитывать ограничения по количеству подключаемых блоков питания. Обычно максимальное количество последовательно соединенных зарядных устройств не превышает 4-5 штук, в зависимости от их характеристик и схемы защиты.

При большем количестве блоков возрастает риск рассогласования напряжений и сложности с обеспечением равномерного распределения нагрузки. Кроме того, увеличивается общее падение напряжения на соединительных проводах и компонентах защиты, что может сделать систему неэффективной.

---

DC-DC преобразователи как альтернативное решение

Хотя прямое объединение блоков питания от мобильных телефонов является возможным решением для создания источников питания с требуемыми параметрами, часто более эффективным и гибким подходом является использование DC-DC преобразователей. Эти устройства позволяют преобразовать одно напряжение в другое с высокой эффективностью и точностью, решая многие проблемы, связанные с прямым соединением зарядных устройств.

Типы DC-DC преобразователей

Существует несколько основных типов DC-DC преобразователей, каждый из которых имеет свои особенности и области применения:

1. Понижающие преобразователи (Buck converters) - преобразуют высокое напряжение в низкое с сохранением мощности. Например, могут преобразовывать 12В в 5В с током до 2А.
2. Повышающие преобразователи (Boost converters) - преобразуют низкое напряжение в высокое. Например, могут преобразовывать 5В в 12В, но с пропорциональным снижением выходного тока.
3. Инверторы (Buck-Boost converters) - могут как повышать, так и понижать напряжение. Например, преобразовывают входное напряжение 5-30В в стабильное 12В на выходе.
4. Инверторы напряжения (Inverters) - преобразуют постоянное напряжение в переменное.

Для объединения блоков питания мобильных телефонов наиболее подходят понижающие, повышающие и инверторы напряжения, так как они позволяют работать с широким диапазоном входных напряжений и получать требуемые выходные параметры.

Преимущества DC-DC преобразователей перед прямым соединением

Использование DC-DC преобразователей имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с прямым соединением блоков питания:

1. Высокая эффективность - современные DC-DC преобразователи имеют КПД 85-95%, что значительно выше эффективности систем на основе диодов или транзисторов.
2. Стабильность выходного напряжения - DC-DC преобразователи обеспечивают стабильное выходное напряжение независимо от колебаний входного напряжения или нагрузки.
3. Гибкость параметров - с помощью DC-DC преобразователей можно получить практически любые требуемые напряжения и токи в широких пределах.
4. Защита от перегрузки - большинство современных DC-DC преобразователей имеют встроенную защиту от перегрузки, короткого замыкания и перегрева.
5. Гальваническая развязка - некоторые типы DC-DC преобразователей обеспечивают гальваническую развязку входа и выхода, что повышает безопасность.

Практические схемы на основе DC-DC преобразователей

Один из наиболее распространенных подходов к созданию мощного источника питания - использование нескольких зарядных устройств в параллель для обеспечения высокого входного тока, а затем преобразование этого напряжения с помощью DC-DC преобразователя до требуемых параметров.

Например, можно использовать три зарядных устройства по 5В/1А, соединенных параллельно через диодные схемы защиты, для получения входного тока до 3А при напряжении 5В. Затем с помощью повышающего DC-DC преобразователя можно получить 12В/1.25А (при КПД 85%).

Для более сложных конфигураций можно использовать каскадное соединение нескольких DC-DC преобразователей. Например, сначала повышающее преобразование 5В до 24В, затем понижающее преобразование 24В до 12В для питания различных устройств одновременно.

Выбор DC-DC преобразователей для объединения зарядников

При выборе DC-DC преобразователей для использования в системах на основе объединенных блоков питания следует учитывать несколько факторов:

1. Диапазон входного напряжения - преобразователь должен работать с напряжением, обеспечиваемым объединенными зарядными устройствами. Например, при параллельном соединении трех зарядников по 5В диапазон входного напряжения может колебаться от 4.5В до 5.5В.
2. Максимальный входной ток - преобразователь должен выдерживать ток, протекающий от объединенных зарядных устройств.
3. Точность стабилизации выходного напряжения - для питания чувствительной электроники требуется высокая точность стабилизации (обычно ±1% или лучше).
4. Коэффициент полезного действия - высокий КПД минимизирует потери мощности и уменьшает тепловыделение.
5. Встроенная защита - наличие защиты от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и обратной полярности.
6. Габариты и способ монтажа - для компактных устройств важны малые габариты и возможность поверхностного монтажа.

Популярные модели DC-DC преобразователей

Для DIY-проектов по объединению блоков питания мобильных телефонов популярны следующие модели DC-DC преобразователей:

1. LM2596 - понижающий преобразователь с регулируемым выходом, диапазон входа 4.5-40В, выход до 3А, КПД до 92%.
2. XL4015 - понижающий преобразователь с диапазоном входа 8-40В, выход до 5А, КПД до 96%.
3. MP1584EN - компактный понижающий преобразователь с диапазоном входа 4.5-28В, выход до 3А, КПД до 95%.
4. XL6009 - повышающий преобразователь с диапазоном входа 3-32В, выход до 4А, КПД до 94%.
5. LM2577 - универсальный преобразователь (Buck-Boost) с диапазоном входа 3.5-40В, выход до 3А.
6. MT3608 - повышающий преобразователь с диапазоном входа 2-24В, выход до 2А, КПД до 93%.

Для сложных проектов с несколькими выходными напряжениями можно использовать многоканальные DC-DC преобразователи или несколько отдельных преобразователей, подключенных к общему входному напряжению.

---

Практические схемы защиты и безопасности при объединении блоков питания

При объединении блоков питания от мобильных телефонов для создания более мощных источников питания безопасность является первостепенным приоритетом. Неправильное соединение или отсутствие защитных схем может привести к повреждению оборудования, возгоранию или даже электротравмам. В этом разделе рассмотрим основные схемы защиты и рекомендации по безопасной реализации объединенных систем питания.

Защита от обратного тока

Одной из основных проблем при параллельном соединении блоков питания является возможность обратного тока, который возникает при небольшом различии выходных напряжений зарядных устройств. Если один блок питания имеет напряжение выше, чем другой, он будет питать не только нагрузку, но и второй блок питания в обратном направлении, что может привести к его перегреву и повреждению.

Для защиты от обратного тока используются следующие схемы:

1. Диодные схемы - в цепь каждого блока питания устанавливается диод, пропускающий ток только в прямом направлении. Наиболее подходят диоды Шоттки (1N5817, 1N5819, 1N5822) из-за низкого падения напряжения (0.3-0.5В). Недостатком схемы является падение напряжения на диодах и тепловыделение.
2. Транзисторные схемы - для снижения падения напряжения вместо диодов используются MOSFET-транзисторы. В таких схемах MOSFET управляется напряжением на выходе блока питания и открывается только при положительном напряжении. Падение напряжения на открытом MOSFET составляет всего несколько десятых вольта, что делает такие схемы более эффективными.
3. Специализированные ИС - существуют специализированные микросхемы, такие как LTC4412, которые обеспечивают автоматическое управление MOSFET для защиты от обратного тока с минимальными потерями.

Балансировка нагрузки при параллельном соединении

При параллельном соединении нескольких блоков питания важно обеспечить равномерное распределение нагрузки между ними. В противном случае один из блоков может работать на пределе своих возможностей, перегреваться и выходить из строя раньше времени.

Для балансировки нагрузки используются следующие методы:

1. Резистивные балластные резисторы - в цепь каждого блока питания включается резистор сопротивлением 0.1-0.5Ом. Такие резисторы обеспечивают выравнивание токов между блоками питания, но создают дополнительные потери мощности.
2. Активная балансировка - используются активные схемы на основе операционных усилителей или специализированных ИС, которые автоматически регулируют ток каждого блока питания для поддержания равномерной нагрузки.
3. Схемы с общим управляющим сигналом - все блоки питания получают общий сигнал управления, который обеспечивает синхронизацию их работы и равномерное распределение нагрузки.

Защита от перегрузки и короткого замыкания

При объединении нескольких блоков питания общая мощность системы возрастает, что увеличивает риски при возникновении перегрузки или короткого замыкания. Для защиты таких систем используются следующие схемы:

1. Предохранители - в цепь каждого блока питания и в общую линию питания устанавливаются предохранители с номинальным током, превышающим рабочий ток, но меньшим максимального тока блока питания.
2. Термисторы NTC - для ограничения пусковых токов при включении нагрузки в цепь питания последовательно с нагрузкой включаются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). При холодном состоянии термистор имеет высокое сопротивление, которое по мере нагрева падает.
3. Электронные защиты - используются специализированные микросхемы защиты, которые автоматически отключают питание при превышении пороговых токов или напряжений.

Защита от перенапряжения

При последовательном соединении блоков питания для получения повышенного напряжения существует риск перенапряжения, который может возникнуть при неисправности одного из блоков. Например, при выходе из строя одного из двух последовательно соединенных зарядников 5В, оставшийся блок может создать на выходе напряжение 10В вместо требуемых 5В.

Для защиты от перенапряжения используются следующие методы:

1. Ограничители напряжения - в цепь питания последовательно с нагрузкой включаются стабилитроны или варисторы, которые ограничивают максимальное напряжение на безопасном уровне.
2. Схемы мониторинга напряжения - используются микроконтроллеры или специализированные ИС, которые постоянно измеряют выходное напряжение и отключают питание при превышении безопасного порога.
3. Автоматическое отключение неисправных блоков - в последовательных цепях используются реле или ключи на MOSFET, которые автоматически отключают неисправные блоки питания при обнаружении аномалий.

Тепловая защита и охлаждение

При работе нескольких блоков питания в объединенной системе общее тепловыделение возрастает, что требует обеспечения адекватного охлаждения. Для тепловой защиты используются следующие меры:

1. Терморезисторы - в ключевых точках системы устанавливаются терморезисторы, которые измеряют температуру и при превышении безопасного порога отключают питание или снижают мощность.
2. Термопары и датчики температуры - для точного контроля температуры используются термопары или полупроводниковые датчики температуры, подключенные к системам управления.
3. Активное охлаждение - при высоких мощностях используются вентиляторы или другие системы активного охлаждения для отвода тепла от блоков питания и других компонентов.
4. Распределение тепловых нагрузок - блоки питания и другие нагреваемые компоненты располагаются с учетом обеспечения равномерного распределения тепла и предотвращения локальных перегревов.

Практические схемы защиты для DIY-проектов

Для DIY-проектов по объединению блоков питания мобильных телефонов можно использовать следующие практические схемы защиты:

1. Схема защиты с использованием MOSFET и операционного усилителя - такая схема обеспечивает защиту от обратного тока, перегрузки и перенапряжения с минимальными потерями мощности.
2. Схема на основе реле с контролем напряжения - для последовательных соединений используется схема с реле, которые автоматически отключают неисправные блоки питания при изменении напряжения.
3. Схема с микроконтроллером - для сложных систем можно использовать микроконтроллер, который осуществляет мониторинг всех параметров питания и управляет защитными схемами.
4. Модульные защитные схемы - существуют готовые модули защиты, которые можно интегрировать в системы объединения блоков питания, обеспечивая комплексную защиту от всех типов неисправностей.

При реализации любых защитных схем важно помнить, что безопасность должна быть приоритетом, и даже при наличии защитных устройств следует соблюдать осторожность при работе с электрическими цепями.

---

Источники

1. Технические спецификации по параллельному и последовательному соединению источников питания — Подробные расчеты, таблицы сечений кабелей и примеры комбинаций напряжений и токов: https://bvp.com.ua/Art_SerialAndParallel.php

2. Практические схемы подключения для мобильных зарядников — Схемы Diode-OR и MOSFET-OR, защита от обратного тока, рекомендации по балансировке: https://supereyes.ru/articles/power_supply/posledovatelnoe-i-parallelnoe-soedinenie-istochnikov-pitaniya/

3. Рекомендации по промышленным источникам питания и конфигурациям — Ограничения по количеству блоков (максимум 4), схемы балансировки LSB/SRA, максимальная мощность 80%: https://www.west-l.ru/articles/6018422/

4. Советы сообщества по последовательному соединению зарядников — Выбор диодов (1N4001-1N4007), использование реле/контакторов, рекомендации по DC-DC преобразователям: https://asutpforum.ru/viewtopic.php?t=5840

5. Базовые формулы и схемы балансировки — Формулы для параллельного и последовательного соединений, схемы с использованием LM317 и LTC4412: https://www.sxemotehnika.ru/soedinenie-elementov-pitaniya-i-batarey.html

6. Типы DC-DC преобразователей и принципы их работы — Buck, Boost, Buck-Boost преобразователи, преимущества для объединения зарядников: https://www.shtyl.ru/support/articles/dc-dc-preobrazovateli-vidy-princip-raboty-i-primenenie/

---

Заключение

Объединение блоков питания от мобильных телефонов для создания более мощных источников питания является технически осуществимой задачей, но требует тщательного планирования и реализации правильных схем коммутации и защиты. При параллельном соединении можно увеличить выходной ток, а при последовательном - получить повышенное напряжение, однако необходимо учитывать особенности зарядных устройств и использовать защитные компоненты для предотвращения повреждения оборудования.

Основными методами объединения блоков питания являются параллельное соединение для увеличения тока и последовательное для получения повышенного напряжения. В обоих случаях требуется реализация специальных схем защиты от обратного тока, балансировки нагрузки и защиты от перегрузок. Альтернативным решением является использование DC-DC преобразователей, которые обеспечивают более гибкое преобразование напряжения с высокой эффективностью и стабильностью.

Безопасность при объединении блоков питания должна быть приоритетом, поэтому рекомендуется использовать диодные или транзисторные схемы защиты, предохранители, терморегулирование и системы параметров питания. При соблюдении всех мер предосторожности и правильной реализации схем коммутации объединенные блоки питания могут стать надежным источником питания для различных DIY-проектов и электронных устройств.