Cambio entre batería y USB usando diodo O lógica

Tengo una Raspberry Pi que funciona con un cable USB de un cargador Samsung. Ahora que mi universidad tiene cortes de energía frecuentes, diseñé un interruptor básico para cambiar automáticamente entre una batería móvil portátil y la alimentación USB usando un diodo OR gate. El circuito ha sido tomado de aquí y se ve así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Entonces, considerando que esta es una forma muy simple de lograr mi propósito, lo que me gustaría saber es qué fuente de energía se está agotando cuando ambas están conectadas. Tal vez a través de algún indicador LED o algo así. La base principal de este circuito es el hecho de que mi entrada V1tiene un voltaje más alto que el que proviene de BAT. Sin embargo, la diferencia entre las dos fuentes de entrada es marginal. Por ejemplo, mi cargador Samsung de 2,1 A produce alrededor de 5,3 V, mientras que mi batería portátil produce alrededor de 5,1 V. Sin embargo, esta diferencia parece funcionar bien con el circuito que se proporciona aquí. Pero, para estar seguro, me gustaría algún indicador para verificar qué entrada está activa actualmente.

¿Mida la caída de voltaje a través de una resistencia de derivación ubicada en cada alimentación y calcule la corriente que fluye a través de ellos?
¿Podría proporcionar más información, por favor? ¿Cómo se podría hacer eso exactamente?
De hecho, estoy escribiendo una respuesta a eso ahora mismo, relájate. El método de la resistencia de derivación.

Respuestas (4)

Está pidiendo ayuda para agregar un indicador LED, pero hay otros problemas con su circuito. El Pi puede volverse inestable cuando se le da menos de 5,0 voltios, y los diodos 1N4007 tienen una caída de 0,8 o 0,9 voltios. Una solución es utilizar diodos Schottky como el 1N5820 que tienen una caída de solo 0,3 voltios.

Una alternativa a los diodos que proporcionaría un mejor voltaje para el Pi es este circuito:

Fuente de alimentación pi

Aquí se usa un MOSFET de canal P para conectar la batería con el Pi cuando cae la fuente de alimentación principal. El comparador (LM293) compara el voltaje de la batería con el voltaje de alimentación principal. Cuando el voltaje principal cae por debajo del voltaje de la batería, el MOSFET se enciende y el LED se enciende. La baja resistencia del IRF4905 garantiza que la caída de voltaje de la batería sea inferior a 0,1 voltios cuando el MOSFET Vgs = -5V. La batería alimentará el Pi hasta que se restablezca el voltaje principal, ya que el comparador apagará el MOSFET.

Editar: algunos detalles.

Hay algunas fuentes de error en el circuito que lo hacen menos preciso, pero lo suficientemente bueno para el propósito previsto. La tolerancia de las resistencias de 10k y el voltaje de compensación del comparador pueden cambiar ligeramente el punto de conmutación. Se necesita la resistencia de 1k (no 220 ohm) ya que el LM293 no puede absorber mucha corriente. El MOSFET Q1 debe tener una resistencia baja cuando Vgs es de -5,0 voltios (IRF7410 es una excelente opción, pero solo está disponible para montaje en superficie). Cuando Vbat y Vin son casi iguales, el ruido debido al procesamiento variable de Pi puede hacer que el MOSFET se encienda y apague rápidamente. Esto puede causar un calor no deseado en el MOSFET. Un capacitor en uno de los divisores de voltaje detendrá cualquier oscilación rápida (pero ralentizará la respuesta a un Vin decreciente). Además, el circuito ha sido diseñado rápidamente y no ha sido simulado ni probado...

Edición 3: una corrección.

Si el Vin de la fuente de alimentación tiene más de 700 mV por encima de Vbat, el diodo integral de polarización inversa en el MOSFET conducirá e intentará cargar la batería desde la fuente de alimentación. Esto probablemente no es lo que quieres. Un diodo Schottky en serie con Q1 evitaría la corriente inversa, ¡pero esto anularía el propósito del MOSFET! Apliqué el ingenioso truco con MOSFET consecutivos . Al instalar 2 MOSFET con un drenaje común o una fuente común, se bloquea la fuga de corriente del diodo del cuerpo. El par tendrá el doble de resistencia (Rds on), pero esto no es importante en esta aplicación.

Me gusta esta solución. Bastante simple de hacer. Aunque, ¿qué podría pasar si tanto mi USB como mi batería tienen casi el mismo voltaje? (como se menciona en la pregunta) ¿Reconocerá el comparador una diferencia de voltaje tan pequeña?
Un comparador es muy sensible. Tan pronto como Vin caiga a 1 microvoltio por debajo de Vbat, el MOSFET se encenderá y se hará cargo sin problemas del suministro de corriente al Pi.
Voy a probar tu versión y ver los resultados. Además, echa un vistazo a esto . Esto parece mucho más estable, en mi humilde opinión.
@KanishkaGanguly El circuito en la imagen BMP es un poco confuso, pero la idea del doble MOSFET parecía interesante. Después de revisar algunas otras fuentes, pude ver cómo funciona. He cambiado mi circuito arriba. Esto resuelve un problema que tengo también. Gracias por hacer la pregunta.
muchas gracias por tomarte la molestia de responder la pregunta con tanto detalle. :DI todavía estoy trabajando en la construcción del circuito. Conseguir las piezas lleva tiempo, ya que tenemos un día festivo aquí en la India.
No me gusta que la batería se agote constantemente con una carga de 20 kOhm. ¡Esto lo ejecutará bastante rápido, incluso cuando el Pi esté apagado! La opción de diodo original es en realidad mejor, y si agrega un amplificador operacional/comparador en el ánodo de cada diodo y usa un LED de doble dirección rojo/verde, obtendrá lo que desea con menos consumo y menos piezas.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Puede colocar una pequeña resistencia de 10 mΩ o 100 mΩ (llamada resistencia de derivación) en serie en cada ruta de entrada de energía antes del diodo, y usar un amplificador operacional de propósito general de paquete dual y usar dos de estos, monitorear las resistencias de derivación de forma independiente. Cuando alguna corriente arbitraria fluye a través de la resistencia (por ejemplo, 200 mA), su amplificador operacional podrá generar/disminuir corriente a través de un LED para indicar qué entrada está proporcionando energía.

Si tuviera una resistencia de 100 mΩ y 200 mA la atravesaran, el voltaje acumulado sería de 20 mV. Querrá amplificar esto para que sea más confiable y más fácil que la segunda etapa del amplificador operacional actúe como comparador. Tal vez la ganancia de salida del primer amplificador operacional sea 20. Esto significa que su voltaje de comparación para una condición "ENCENDIDA" será 0.4V.

Su amplificador operacional de segunda etapa usará una referencia de divisor de voltaje del riel de 5V como entrada a la entrada inversora del amplificador operacional. 0.4V es básicamente 1/11, por lo que puede encontrar cualquier valor de resistencia que funcione para esto, tal vez algo simple como 10KΩ y 100KΩ (lo que le da una proporción de 0.091). La entrada no inversora es la etapa de salida del primer amplificador operacional, y sin retroalimentación, el amplificador operacional actuará en bucle abierto (gran ganancia, básicamente ENCENDIDO o APAGADO según la entrada de comparación).

Finalmente, la salida del segundo amplificador operacional pasará por una resistencia y un LED para una indicación simple de la corriente que fluye a través de la resistencia de derivación para esa entrada en particular. Un amplificador operacional de propósito general económico muy simple funcionará para esto, y el circuito es muy simple. Debería poder encontrar todas las piezas y la placa de prototipos en su universidad, y hacer que todo funcione muy rápidamente.

Como beneficio adicional, puede tomar la salida de los amplificadores operacionales y alimentarlos (a través del divisor de resistencia para obtener 3.3V) en dos pines GPIO en el Pi para que pueda saber qué fuente de alimentación se está utilizando; tal vez luego apague algunos periféricos para ahorrar energía cuando funciona con batería?
de hecho, ¡esa es una gran idea y el uso de los circuitos Majenko existentes!
¿Está destinado a ser alimentado desde el voltaje a través de R2? Si es así, hay un problema.
@SpehroPefhany Sí, R2 representa cualquier carga en el bus de 5V. ¿Cual es el problema?
Las entradas estarán por encima del carril positivo en OA1.
@SpehroPefhany Quizás los amplificadores operacionales elegidos deberían ser los que funcionan con 300-500 mV por encima de su riel de entrada ... ¿o quiere decir que literalmente no funcionará correctamente? ¿Hay alguna manera de reducir el voltaje de detección, tal vez con un divisor de voltaje de entrada en las entradas inversoras y no inversoras?
Es raro encontrar un amplificador operacional garantizado para funcionar en esa condición. Tal vez use un TSC88
@SpehroPefhany, de hecho, ese se ve bien para el papel. dos de estos actúan como OA1 en el esquema y un paquete dual de propósito general o un amplificador operacional de comparación adecuado con un divisor de voltaje Vref compartido para reducir partes, para encender / apagar los LED. ¡bonito!

Otra solución es el siguiente circuito. También se ha discutido en Stackexchange antes.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Simplemente no estoy seguro de cuáles son las ventajas y desventajas al usar este circuito en comparación con el circuito proporcionado por CarpetPython.

Tal vez alguien podría aclarar esto?

Bueno, una desventaja obvia es la caída de voltaje del diodo tanto en el suministro principal como en el de la batería. Pero eso probablemente se pueda tolerar para muchos diseños. Aparte de eso, se ve agradable y simple.
en realidad, este circuito puede mejorarse: quitando D2 y reflejando Q4 verticalmente (interruptor D y S). El diodo del cuerpo actuará como el diodo, o cuando el suministro principal esté encendido, de modo que la batería no se retroalimente. Cuando el suministro principal está apagado, Q4 se enciende con una caída de voltaje mínima en la batería (es importante elegir un p-fet con Rds_on bajo cuando la corriente de carga es alta)

Verifique este circuito usando el LTC4412. Hace todo el trabajo y proporciona el indicador "Con batería".

https://www.analog.com/media/en/reference-design-documentation/design-notes/dn1003f.pdf

La parte LTC cuesta mucho en comparación con el diodo simple, o solo tiene sentido si la caída de corriente del diodo se vuelve crítica. En realidad, reemplazar el diodo de la batería con un P-MOSFET puede ser una mejor opción. electronics.stackexchange.com/questions/139600/…
Cambio entre batería y USB usando diodo O lógica
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