Как запитать настенные часы от сети

Делать блок питания для простых настенных электромеханических кварцевых часов, чтобы не тратиться на батарейки, наверное, не имеет смысла, так как оного элемента хватает для работы часов до полутора лет.

Внешний вид часов с боем и маятником

В случае наличия в часах устройства боя и маятника, например в модели настенных часов «RHYTHM Westminsrter Chime», изображенной на фотографии, приходится устанавливать четыре элемента АА. При этом после замены батареек в часовом механизме или устройстве боя приходится синхронизировать бой с часами, настраивая количество ударов курантов в соответствии с положением стрелок. После нескольких лет эксплуатации решил избавить себя от этого занятия – запитать часы от электрической сети с помощью блока питания.

Схемы блоков питания для настенных часов

Перед собой поставил следующую задачу: часы должны работать от сети, продолжать работать, включая бой и ход маятника при отключении подачи электроэнергии и работать как обычно без блока питания. Исходя из этих требований, и разрабатывалась схема блока питания.

Вид часов со стороны размещения механизмов

Изучение конструкции и схемы часов показало, что электрическая часть состоит из трех гальванически не связанных между собой блоков, каждый из которых питается от своей батарейки. Часовой механизм и схема раскачивания маятника питались от напряжения 1,5 В, а схема боя – 3,0 В. Бой запускается механическим замыканием двух проводов в часовом механизме при прохождении минутной стрелки через отметку 12 часов.

Измерение тока потребления блоков с помощью осциллографа по падению напряжения на последовательно включенном резисторе 10 Ом показало, что часовой механизм и маятник в среднем потребляют по 1,5 мА, а устройство боя в режиме ожидания 2,2 мА, а во время боя до 50 мА.

Схема блока питания
для никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов

Опубликованное в Интернете схемы блоков питания для настенных часов в основном выполнены без гальванической развязки, что недопустимо с точки зрения техники безопасности. Изготавливать своими руками блок питания в настоящее время не имеет смысла, так как не сложно подобрать готовый от сгоревшего или морально устаревшего электронного устройства. Поэтому для часов был взят заводской импульсный блок питания на напряжение 3,3 В, и дополнен несколькими элементами для зарядки никель-кадмиевых (Ni-Cd) или никель-металлогидридных (Ni-Mh) аккумуляторов и снижения напряжения до 1,5 В.

Электрическая схема блока питания для настенных часов с боем и маятником для Ni аккумулятора

Разработанная схема питания часов работает следующим образом. Если разъем S1 разомкнут, то часы работают как обычно, их узлы питаются от установленных батареек. При этом достаточно установить батарейки только в блок боя и блок часового механизма или маятника, так как одноименные полюса выводов батареек последних подключены параллельно.

При соединении разъема S1, но без подключения БП к сети, для работы часов достаточно будет установить батарейки только в блок боя. Питающее напряжение будет поступать с него через цепочку диодов VD2-VD4 на часовой механизм и схему маятника. На каждом из диодов VD2-VD4 в режиме малых токов происходит падение напряжения 0,4-0,6 В, таким образом с 3 В напряжение снизиться до 1,2-1,5 В. Исследования показали, что часовой механизм и маятник стабильно работают при напряжении питания от 1,2 до 3 В. Диоды VD1-VD4 подойдут любые маломощные импульсные или выпрямительные.

Перед подключением блока питания к сети нужно извлечь из часов все батарейки. Питающее напряжение на узлы часов будет подаваться с блока питания. Для бесперебойной работы часов при отключении электроснабжения необходимо в отсек батареек боя установить два аккумулятора, отработавших свой срок, например в фотоаппарате. Блок питания будет не только питать часы, но и подзаряжать аккумулятор током в несколько миллиампер, что вполне достаточно для компенсации токов утечек. Ток зарядки задается величиной резистора R1.

Часовой механизм потребляет ток в импульсном режиме, раз в секунду. Для компенсации падения напряжения в этот момент установлен электролитический конденсатор C1, хотя проверено, часы стабильно работают и без него. Но с помощью осциллографа была подобрана емкость конденсатора, при которой просадка напряжения не наблюдалось. Диод VD1 служит не только для понижения напряжения, но и предотвращает разряд аккумулятора через блок питания и светодиод подсветки, когда пропадает напряжение в сети.

Схема блока питания
для литиевых (Li) аккумуляторов

После очередного перерыва в подаче электроэнергии настенные часы остановились. Установленные в настенные Ni-Cd аккумуляторы, прослужившие более 8 лет, сначала в фотоаппарате, а затем в часах, полностью вышли из строя. Встал вопрос об их замене.

Так как вся моя морально устаревшая техника была заменена на современную с литиевыми аккумуляторами, то «живых» Ni-Cd аккумуляторов в наличии не оказалось, были только литиевые. Поэтому решил доработать схему блока питания часов с учетом особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов.

Требования к БП предъявлялись следующие - часы должны работать:
- как и до переделки от обычных двух батареек или аккумуляторов формата АА;
- работать без батареек и аккумулятора от блока питания подключённого к сети;
- при пропадании сети от дежурного аккумулятора, установленного в корпусе часов;
- аккумулятор при работе часов от блока питания должен подзаряжаться.

В отличие от Ni-Cd аккумуляторов литиевые требуют более строгое соблюдение правил эксплуатации в части диапазон напряжений, который должен быть строго в пределах от 2,75 В до 4,2 В. Остальные технические требования в данном случае применения аккумулятора не имеют принципиального значения.

Таблица технических характеристик Li-Ion и Li-Polymer аккумуляторов
ПараметрLi-IonLi-Polymer
Номинальное напряжение, В3,7
Минимальное напряжение, В2,75
Максимальное напряжение зарядки, В4,2
Ток зарядки, часть от ёмкости С0,1-1
Время зарядки1 час
Удельная энергоёмкость, Вт·ч/кгУ Li-Po в два раза больше, чем Li-Ion
Число циклов заряд-разряд до снижения ёмкости на 20 %600
Потеря емкости в год (саморазряд) %≈20
Эффект памятиПрактически отсутствует
Оптимальный ток нагрузки, относительно ёмкости Сдо 30Сдо 2С
Безопасность эксплуатацииLi-Ion более опасны, чем Li-Polymer
ЦенаLi-Ion дешевле, чем Li-Polymer

Практически на всех сайтах, посвященных литиевым аккумуляторам утверждают, ссылаясь на неведомые авторитетные научные источники, что долго оставлять в зарядном устройстве девайсы не рекомендуется, заряжать аккумулятор надо не более чем на 80%, а разряжать не более, чем до 40%, так как это ведет к быстрой деградации аккумулятора.

Многолетний опыт эксплуатации двух ноутбуков, двух планшетов, нескольких смартфонов и множества других девайсов показал, что деградация литиевых аккумуляторов наступает на много позже, чем девайс морально устаревает. В дополнение, в технических характеристиках указано, что литиевые аккумуляторы не обладают эффектом памяти, поэтому считаю, что все ограничения в свободе зарядки и разрядки литиевых аккумуляторов практически не влияют на длительность их эксплуатации.

Заряжать литиевые аккумуляторы можно в любой момент и на протяжении любого времени, главное вовремя зарядить, чтобы не попасть в безвыходное положение.

Схема блока питания для настенных часов, адаптированная для работы в качестве резервного источника литиевого аккумулятора приведена ниже. Так как напряжение полностью заряженного Li аккумулятора составляет 4,2 В, то пришлось при доработке схемы установить источник питания на напряжение постоянного тока 5 В и добавить несколько диодов.

Так как напряжение на клеммах литиевого аккумулятора не должно превышать 4,2 В, то количество и тип диодов подбирался исходя из этого требования. На выходе импульсного источника питания, имевшегося в наличии, напряжение под нагрузкой 100 мА составило 5,1 В. Для увеличения схемы нажмите на нее.

Электрическая схема блока питания для настенных часов с боем и маятником для Li аккумулятора

С учетом того, что падение напряжения на кремниевых диодах составляет около 0,5 В, было включено между выходом источника питания и аккумулятором последовательно два кремневых диода VD1 и VD7. В результате напряжение на клеммах аккумулятора не превысит 4,08 В, что обеспечит с достаточным запасом соблюдение правил эксплуатации аккумулятора и заряд его в дежурном режиме до 80%.

Резистор R1 выполняет функцию предохранителя и ограничителя бросков тока. R2 служит для ограничения тока заряда литиевого аккумулятора до 14 мА, что в совокупности с ограничением напряжения до 4,08 В обеспечит безопасную его эксплуатацию.

В точке соединения диодов VD2, VD3 и VD8 напряжение тоже составляет 4,08 В и поэтому при работе блока питания аккумулятор не отказывает влияния. В случае перебоя электроснабжения в точке соединения диодов напряжение уменьшается до нуля и тогда ток с аккумулятора через диод Шоттки VD8 на котором напряжение падает всего 0,1 В, поступает далее чрез диоды VD3-VD6 на часовой и механизм маятника, и блок боя часов.

Время автономной работы часов без подключения к сети можно многократно увеличить путем зарядки аккумулятора до 100%. Для этого достаточно вместо резистора R2 и диода VD7 установить предназначенный для этой задачи готовый контроллера, выполненный на микросхеме TP4056. Для увеличения схемы нажмите на нее.

Электрическая схема блока питания для настенных часов с боем и маятником для Li аккумулятора с зарядкой аккумулятора от модуля TP4056

Такой контроллер я использовал для зарядки литиевых аккумуляторов при замене кислотного и Ni-Cd в фонаре, шуруповерте и наушниках. При реализации этой схемы работа часов будет обеспечена от сети, двух Ni-Cd батареек (аккумуляторов), или Li аккумулятора.

Время работы часов в автономном режиме от Li аккумулятора можно увеличить, заменив диоды VD3-VD6 преобразователем напряжения, обеспечивающим на выходе напряжение 3 В при входящем от 2,5 до 5 В. Варианты с дополнительными модулями на практике не проверялись, так как схема при питании от сети хорошо работает и на диодах, поэтому усложнять ее не счел целесообразным.

Для работы схемы от сети в качестве резервного источника питания подойдет любой Li аккумулятор, как новый, так и отработавший свой ресурс в других устройствах, например, от смартфонов, время автономной работы которых не устраивает. Для увеличения фотографии нажмите на нее.

Вид часов внутри после установки БП и литиевого аккумулятора

Литиевый аккумулятор был использован от электронной книги Kindle. Он был куплен в Алиэкспресс на замену и не заработал в ней из-за неисправного контроллера. После удаления контроллера аккумулятор был использован в часах. Аккумулятор к схеме подключается с помощью разъема. Сам аккумулятор размещен в полиэтиленовом пакете, закрепленным с помощью скотча на корпусе часов.

Длительная эксплуатация модернизированного блока питания часов с литиевым аккумулятором в качестве резервного источника питания показала стабильную работу часов как при питании от сети, так и при его отсутствии.

Как уменьшить количество батареек в настенных часах

Если нет желания устанавливать в часы блок питания, то можно уменьшить количество батареек с четырех до двух. Для этого достаточно соединить параллельно все отрицательные выводы в батарейных отсеках узлов и положительные выводы часового механизма и боя между собой. От положительного вывода батарейного отсека боя через три включенных последовательно диода подать напряжение на один из положительных выводов часового механизма и боя.

Благодаря такой доработке снизится частота обслуживания и уменьшатся затраты на замену батареек, так как они больше теряют емкость от токов внутренней утечки и старения, чем от потребления узлами часов.

Конструкция и подключение блока питания к узлам часов

Все детали для подключения блока питания к узлам часов были смонтированы на печатной плате. Специально плата не разрабатывалась, а была переделана из готовой, предназначенной для монтажа другой схемы.

Печатная плата с деталями блока питания

Дополнительно на плате был установлен трехконтактный разъем и токоограничивающие резисторы для подключения светодиодов подсветки маятника. Номинал резисторов можно рассчитать с помощью онлайн калькулятора исходя из рабочего тока, на который рассчитан светодиод.

Этикетка блока питания

Сетевой блок питания был взят постоянного тока с выходным напряжением 3,3 В и рассчитанный на величину нагрузки до 2 А. Учитывая, что максимальный ток потребления всех узлов часов не превышает нескольких миллиампер, то подойдет БП любой мощности. Главное, чтобы выходное напряжение было не менее 3 В.

Если выходное напряжение блока питания больше, то можно погасить его установкой дополнительных диодов последовательно с VD1 из расчета падения напряжения на диоде 0,6 В. Например, если вы возьмете БП с выходным напряжением 5 В, то понадобиться последовательно с VD1 включить еще 2 или 3 диода. Количество можно уточнить, измерив вольтметром напряжение после резистора R1. Оно должно быть около 2,5 В.

Печатная плата с деталями блока питания для часов в сборе

Провода в блоке питания были достаточной жесткости, поэтому шнур был укорочен и провода припаяны непосредственно к печатной плате. На этих провода печатная плата и удерживалась в часах. Для подключения блока к узлам часов был применен навесной разъем. Конструкция готового блока питания для часов показана на фотографии.

Скоба для крепления блока питания

Для фиксации блока питания в корпусе часов с помощью двух саморезов была привинчена выгнутая из заглушки системного блока компьютера скоба.

Блок питания установлен в часах с боем

Как видно на фотографии блок питания надежно зафиксирован скобой, его легко снять и конструкция красиво выглядит.

Внешний вид проложенной электропроводки для питания часов

Запитать часы от сети я планировал давно, поэтому при ремонте прихожей, в которой часы и висели, проложил от ближайшей розетки под штукатуркой провод, конец которого был выведен под корпусом часов и заканчивался мобильной электрической розеткой.

Внешний вид мобильной розетки для подключения блока питания к сети

Такая электрическая розетка имеет малые габаритные размеры и хорошо надевается и удерживается на штырях вилки блока питания.

Блок питания установлен и подключен к блокам часов

На фотографии показан вид блока питания и схемы адаптера, установленные в корпус часов с маятником и боем. Провода, для аккуратности монтажа, идущие от разъема S1, продеты через отрезки полихлорвиниловой трубки.

Пайка проводов к клеммам отсеков для батареек

Присоединение проводов жгута к выводам в батарейных отсеках узлов часов выполнено с помощью пайки электрическим паяльником с использованием флюса марки «ФИМ».

Установка механического выключателя звука боя

Работу курантов в часах китайские производители обычно устанавливают с 6 утра до 10 часов вечера без возможности коррекции. Нам он не мешает, но когда приезжают гости, то приходится звук отключать.

В некоторых моделях часов с боем имеется возможность отключать звук боя с помощью нажатия на кнопку внутри часов, а если нет такой функции, то производитель рекомендует вынимать из узла боя батарейки, что еще неудобнее, так как впоследствии приходится синхронизировать время боя со временем часов.

Установка выключателя боя часов

Поэтому при установке системы питания часов от сети был установлен в разрыв одного из проводов, идущих от узла боя на динамик, малогабаритный механический выключатель типа тумблер. На фото он виден правее динамика, красного цвета.

Так как боковые стенки часов имеют толщину около 10 мм, то для закрепления тумблера было просверлено отверстие ∅8 мм, в которое тумблер был непосредственно вкручен.

Вид на выключатель звука с внешней стороны стенки часов

Теперь для отключения звука боя достаточно переместить рычаг в нижнее положение. Выключатель установлен рядом с решеткой динамика за лицевой панелью часов и его практически не видно.

Светодиодная подсветка для часов

При разработке схемы питания часов возникла идея установить в них светодиодную подсветку. Поэкспериментировал со светодиодами разных цветов и понравился синий цвет. Когда в помещении включено освещение, то подсветки практически не видно, только заметен синий отблеск на зеркальной поверхности качающегося маятника. А в темноте подсветка не только освещает маятник, но и служит ночником. При желании можно сделать подсветку и циферблата часов.

Внешний вид часов с боем и маятником с внутренней подсветкой синего цвета

Так как мощность блока питания имеет большой запас, то можно для подсветки часов применить светодиод любой мощности, подключив его, соблюдая полярность, непосредственно к выводам блока питания через токоограничивающий резистор. Номинал резисторов можно рассчитать с помощью онлайн калькулятора исходя из технических характеристик светодиода. Для подсветки можно установить несколько светодиодов, подключив каждый через свой резистор.

Часы, после установки самодельного сетевого блока питания ходят уже несколько лет, служат ночником и про замену батареек я забыл. Да и бой стало отключать удобно.