Este circuito mantiene la tensión de 5V de una Raspberry durante 20 segundos después de retirar la alimentación principal de 24V.
Consiste en un pack de 4 pilas de Litio no recargable que se conectan a VDD cuando la entrada de 24V (CN1) cae por debajo de la tensión de un pack de cuatro baterías conectado a CN2(14.8V nominales).
De esta transición en el suministro a VDD se encargan D1 y D2, que deben ser de barrera schottky para reducir las pérdidas de potencia.
Mientras la tensión de 24V esta activa, el transistor Q2 conduce y mantiene la base de Q1 por debajo de su nivel de Vth, es decir, en conducción.
En el momento en que V24 cae a cero, suceden dos eventos en paralelo. Por un lado, Q3 deja de estar en ON, por lo que la señal Shutdown pasa de 0 a 1, avisando al software de la Raspberry de que ha caído la alimentación principal y debe lanzar el comando de shutdown inmediatamente.
Por otro lado, C1 empezará a cargarse de forma exponencial gracias la resistencia R1. Cuando la tensión en C1 alcance el valor del pack de baterías menos la tensión umbral Vth de Q1, éste dejará de conducir, con lo que la tensión en VDD caerá a cero.
Notas:
El tiempo transcurrido desde la subida de la señal Shutdown hasta la caída de VDD depende de la constante de tiempo R1*C1 y de la tensión del pack de baterías, que en el peor caso puede ser de 12V (se recomienda reemplazar las pilas de Litio cuando su tensión nominal es menor o igual a 3V). Pero, además, es importante que C1 tenga una estabilidad en temperatura aceptable.
Por ejemplo, si se elige un condensador con dieléctrico X5R, la caída de capacidad cuando la temperatura interna se acerca a 85 grados es del 15% respecto al nominal. Un decremento del 15% puede implicar una reducción de 5 segundos en el tiempo asignado de shutdown. Lo ideal sería usar condensadores NPO, pero no se fabrican condensadores NPO de la capacidad que necesitamos.
El cálculo de este tiempo se obtiene de resolver la ecuación exponencial del circuito RC, que resulta en T = -R1*C1*ln(1-(Vbat-Vth)/Vbat)
Dando valores de 1M para R1, 22u para C1, 12V para VBat y siendo Vth máxima del SiSS27ND igual a 2.2V, resulta un tiempo de shutdown de 24 segundos. Asumiendo 8 segundos de margen por la tolerancia inicial de C1 más un 5% por temperatura, se requiere un tiempo de apagado de 15 segundos. Por nuestra experiencia, una instalación habitual en una Raspberry se puede cerrar en este tiempo, aunque actuando sin pereza…
El TVS1 no es un elemento gratuito. A menudo, la tensión de 24V que aparece en el esquema se envía a otras partes del circuito mediante cables largos y no siempre bien emparejados, que crean una inductancia notable. Cuando se desconecta la entrada de 24V, estas inductancias parásitas generan picos de tensión que podrían destruir las puertas de Q3 y Q2. No preguntéis como hemos llegado a esta conclusión.
El número de ciclos que puede soportar el pack de baterías se puede estimar dividiendo el total de energía disponible (en WHora) por el consumo de energía (también en WHora) por cada ciclo de apagado
El total de energía disponible se calcula en el esquema y es 35.5WHora*0.8 (El convertidor DC-DC utilizado provoca una pérdida del 20% entre la energía disponible en el pack y la que finalmente entregamos a la Raspberry)
El consumo de energía por ciclo se obtiene considerando que la Raspberry consume 5W de promedio y que el tiempo de apagado es de 24 segundos por cada ciclo.
Entonces, la energía consumida por ciclo es de 5W*24s/3600s/Hora/ciclo = 0.033WHora/ciclo. Finalmente, el número de ciclos será 35.5WHora*0.8/0.033WHora/ciclo = 840 ciclos
Este diseño se ha diseñado para una máquina cuyo ciclo de apagado es de una vez o dos por semana. En este escenario, 840 ciclos de vida dan para mucho tiempo, tanto que no justifica el uso de baterías recargables, con todo el sobrecoste que implica un cargador de baterías de Litio
