zeroelectronics.ru
Электроника для начинающих и профессионалов
Четыре схемы резервного питания
Довольно часто возникает необходимость обеспечить резервное питания вашего устройства, в данной статье рассматривается 4 способа как обеспечить это.
Самый простой
Самый простой способ перейти на резервное питание-2 диода
Коммутация резервной нагрузки двумя диодами
Будет открыт только один из диодов, от того источника питания, напряжение на котором больше. Преимущества схемы-простота и дешевизна. Недостатки схемы очевидны, зависимость напряжения на нагрузке от тока, типа диода(шотки или обычный), температуры. Напряжение всегда будет ниже чем у источника на величину падения напряжения на диоде.
Немного сложней
Коммутация резервной нагрузки на полевике
Это схема немного сложнее, работает она следующим образом: когда напряжение VCC присутствует, и оно больше чем напряжение резервного источника(в данном случае это батарея BT2), то мосфет закрыт, потому что напряжение на затворе(Gate) выше чем на Истоке(Source), пропуск напряжения к нагрузке и Истоку обеспечивает открывшийся диод D3. Когда VCC пропадет, напряжение на Затворе пропадет вслед за ним, зато откроется диод внутри мосфета, обеспечив напряжение на Истоке, ну а поскольку на истоке теперь есть напряжение, а на Затворе нет, то транзистор полностью откроется, обеспечив коммутацию батареи без потери напряжения. Данный способ отлично подходит для коммутации питания для модуля GSM, внешнее напряжение выбираем 4,5в, тогда к модулю через диод D3 придет 4,2-4,3в а от батареи напряжение будет идти без потерь.
Дорогой но без потерь
Без потерь напряжения можно коммутировать источники с помощью специальных микрочхем, в частности LTC4412 скачать даташит Однако, эта микросхема бывает дефицитной и дорогой.
Оптимальный без потерь
Ну вот и подошли к оптимальному способу, причем без потерь. Для начала рассмотрим блок схему LTC4412
Сразу понятно, что в ней нет ничего сложного, так почему бы не повторить её на дискретных элементах? Блок PowerSorceSelector-это матрица из двух диодов, обеспечивает питание остальной схемы, A1-это компаратор, AnalogController-непонятно что, однако можно предположить, что ничего особо важного он не делает, позже станет понятно почему.
Попробуем изобразить это.
Схема с компаратором
DA3-это компаратор. Он сравнивает напряжения на двух источниках. Питается через диод D4 или D5. Когда напряжение на VCC больше чем на батарее, на выходе компаратора устанавливается высокий уровень, это закрывает VT2, и открывает VT3, потому что он подключен на выход через инвертор. Таким образом, VCC проходит на нагрузку без потерь. В случае, когда VCC будет меньше батареи, низкий уровень на выходе компаратора закроет VT3 и откроет VT2.
Надо сказать пару слов о выборе деталей. DA3, DD1 должны иметь потребление, которое допустимо в данной системе, выбор очень широк, от единиц миллиампер, до сотен наноампер (например MCP6541UT-E/OT и 74LVC1G02). Диоды обязательно шотки, если падение на диоде будет выше порога открытия транзистора(а у IRLML6402TR он может быть -0,4в), то он не сможет полностью закрыться.
Источник
Добавляем резервный аккумуляторный источник питания в небольшие электронные устройства
В данной статье мы рассмотрим, как создать резервный аккумуляторный источник питания для небольших электронных устройств, чтобы на них никогда не пропадало питание.
Резервный аккумуляторный источник питания
Существует множество электронных устройств, на которые должно подаваться питание постоянно и без перебоев. Хорошим примером таких устройств являются будильники. Если посреди ночи питание пропадет, и будильник вовремя не сработает, вы можете пропустить важную встречу. Самым простым решением этой проблемы является резервная аккумуляторная система питания. Таким образом, если питание от внешнего источника падает ниже определенного порогового значения, аккумуляторы автоматически нагрузку на себя и продолжают всё питать, пока не восстановится внешнее питание.
Компоненты для резервного аккумуляторного источника питания
Компоненты
- источник питания постоянного тока;
- аккумуляторы;
- батарейный отсек;
- стабилизатор напряжения (необязательно);
- резистор 1 кОм;
- 2 диода (с допустимым прямым током, превышающим ток от источника питания);
- разъем «папа» для постоянного напряжения;
- разъем «мама» для постоянного напряжения.
Принципиальная схема резервного аккумуляторного источника питания
Принципиальная схема
Существует множество различных видов аккумуляторных систем резервного питания, и выбор типа системы в значительной степени зависит от того, что именно вы питаете. Для данного проекта я разработал простую схему, которую можно использовать для питания маломощной электроники, которая работает от 12 вольт или ниже.
Во-первых, нам нужен источник питания постоянного тока. Такие источники очень распространены и бывают различных напряжений и номинальных токов. Блок питания подключается к схеме через разъем питания постоянного тока. Затем он подключается к блокирующему диоду. Блокирующий диод предотвращает протекание тока из резервной аккумуляторной системы обратно в источник питания. Далее, через резистор и еще один диод подключается аккумуляторная батарея. Резистор позволяет батарее медленно заряжаться от источника питания, а диод обеспечивает низкое сопротивление пути протекания тока между батареей и конечной схемой, таким образом, аккумулятор может питать конечную схему, если выходное напряжение источника питания упадет слишком низко. Если схема, которую вы питаете, требует стабилизированный источник питания, то вы можете просто добавить в конце стабилизатор напряжения.
Принципиальная схема резервного аккумуляторного источника питания
Если вы питаете Arduino или аналогичный микроконтроллер, то вы должны учесть, что вывод Vin уже подключен к встроенному стабилизатору напряжения на плате. Таким образом, вы можете подать на вывод Vin любое напряжение в диапазоне от 7 до 12 вольт.
Выбор номинала резистора
Выбор номинала резистора должен быть сделан с осторожностью, чтобы вдруг не перезарядить аккумулятор. Чтобы выяснить, с каким номиналом надо использовать резистор, необходимо в первую очередь рассмотреть источник питания. Когда вы работаете с нестабилизированным источником питания, выходное напряжение не неизменно. Когда схема, которая питается от него, выключается или отключается, напряжение на выходных клеммах источника увеличивается. Это напряжение холостого хода может достигать значения в полтора раза выше, чем то напряжение, которое указано на корпусе блока питания. Чтобы проверить это, возьмите мультиметр и измерьте напряжение на выходных клеммах источника питания, когда к нему ничего не подключено. Это и будет максимальное напряжение источника питания.
NiMH аккумулятор может безопасно заряжаться при токе заряда C/10, или одна десятая емкости аккумулятора в час. Однако прикладывание тока такой же величины после того, как аккумулятор был полностью заряжен, может привести к его повреждению. Если предполагается, что аккумулятор будет непрерывно заряжаться в течение неопределенного периода времени (как, например, в аккумуляторной системе резервного питания), то ток заряда должен быть очень низким. В идеале, ток заряда должен быть равен C/300 или еще меньше.
В моем случае, я буду использовать аккумуляторный отсек размера AA с аккумуляторами емкостью 2500 мАч. В целях безопасности мне нужен ток заряда 8 мА или меньше. Исходя из этого, можно рассчитать, резистор какого номинала нам нужен.
Чтобы рассчитать необходимое сопротивление вашего резистора, начните с определения напряжения холостого хода источника питания, затем вычтите из него напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи. Это даст вам напряжение на резисторе. Чтобы определить сопротивление, разделите разность напряжений на значение максимального тока. В моем случае, напряжение холостого хода источника питания равно 9В, а напряжение на аккумуляторной батарее равно около 6В. Это дает разность напряжений 3В. Деление этих 3 вольт на ток 0,008 ампер дает значение сопротивления 375 Ом. Поэтому номинал нашего резистора должен быть не менее 375 Ом. Для дополнительной безопасности я использовал резистор 1 кОм. Однако имейте в виду, что использование резистора с большим сопротивлением значительно замедлит заряд аккумулятора. Но это не проблема, если система резервного питания используется очень редко.
Резервный аккумуляторный источник питания
При использовании данной схемы резервного питания вы можете подключить к ней ваш блок питания через разъем питания «папа». Этот разъем подключен к схеме резервного питания от аккумулятора. Тогда на выходе схемы резервного питания устанавливается разъем «мама», в который может быть подключено электронное устройство, которое вы хотите запитать. Этот простой встраиваемый дизайн избавит вас от необходимости модифицировать источник питания или ваше устройство.
Источник
Резервное питания для загородного дома (дачи)
Рассмотрим вопрос того, как обеспечить себе бесперебойное электроснабжение при периодическом отключении городской линии питания для загородного дома, будь то большой коттедж или просто дача. Для квартир, кстати, тоже может быть актуально.
Пусть ситуация такова, что городское питание есть, но оно может отключаться как кратковременно (до часа), так и на весь день. А поскольку хочется, чтобы работали телевизор, холодильник, освещение и розетки, то надо озаботиться резервным питанием.
Я уже писал несколько статей про целесообразность солнечных батарей, и мы пришли к выводу о том, что солнечные батареи имеют смысл только если основного питания нет и не предвидится, а потребность в электричестве у нас очень маленькая (лампочка и розетка для ноутбука). Либо система солнечной электростанции будет достаточно дорогой (от миллиона рублей).
Для нашей задачи «питание есть, но отключается», солнечные батареи дадут немного энергии в летний период, но их установка никак не оправдывает себя по сравнению с системой «инвертор + аккумуляторы».
Итак, что представляет собой необходимая нам система.
В центре системы стоит инвертор. Инвертор — это устройство, которое выполняет три функции:
- При наличии города заряжает аккумуляторы и даёт питание на потребителей в доме
- Генерирует из постоянного напряжения аккумуляторов переменное напряжение 230В для питания дома
- Автоматически переключает питание потребителей на аккумуляторы и обратно
Собственно, в инверторе есть блок питания, который делает из 230В 12 либо 24 либо 48 вольт постоянного тока для заряда аккумуляторов. Также там есть схема, которая из постоянного напряжения аккумуляторов делает 230В переменного тока, отсюда и название «инвертор» — он меняет направление тока 50 раз в секунду для генерации переменного.
Есть инверторы дешёвые, которые выдают на выходе модифицированный синус. То есть, синусоида получается ступенчатой, как на картинке.
Дешёвый инвертор — это, например, инвертор автомобильный, который вставляется в прикуриватель и из 12В делает 230В для работы ноутбука. Или более крупные и мощные инверторы, но недостаточно дорогие. Такой сигнал плох для техники, имеющей преобразователи питания, так как эти преобразователи от такого сигнала сильно греются (не буду сейчас объяснять почему, это не относится к теме) и их срок службы сокращается. Хорошие инверторы выдают сигнал «чистый синус», качество которого регламентируется ГОСТом, как правило, качество чистого синуса из инвертора даже выше качества сигнала городской линии.
Так вот, инвертор при наличии города заряжает аккумуляторы, а при пропадании города их разряжает. Причём хороший инвертор переключается почти мгновенно, даже компьютер перезагрузиться не успеет.
Я считаю, что лучшие из российских инверторов — МАП Энергия, они производятся в Москве.
К инвертору подключаются город, дом и аккумуляторы.
Инверторы есть на 12, 24 и 48 вольт — это поддерживаемое ими напряжения массива аккумуляторов. Аккумуляторы резервного питания обычно 12-вольтовые, соответственно, чтобы получить 48 вольт, нам надо взять 4 аккумуляторы, 24 вольта — 2 аккумулятора. Я чуть позже напишу, как считать количество аккумуляторов, но сейчас важно знать, что если аккумулятора нам по расчётам надо 4, то лучше брать 48-вольтовый инвертор. Больше напряжение — меньше ток в проводах, значит, меньше потери напряжения и нагрев проводов.
Если нам нужно резервировать 3-фазную сеть питания дома, то нужны три инвертора. Можно использовать один массив аккумуляторов. Инверторы МАП Энергия умеют работать с 3-фазной сетью, их надо соединить между собой кабелем, чтобы они синхронизировались.
Помимо основных перечисленных выше функций хороший инвертор делает следующие полезные вещи:
- Контроль мощности потребления дома
- Логгирование данных и передача их на компьютер
- Контроль уровня заряда аккумуляторов, чтобы не разряжать их в ноль (это плохо для них)
- Автозапуск генератора, когда аккумуляторы садятся
Для последнего пункта — автозапуска генератора — требуется, чтобы генератор мог запускаться по сигналу типа «сухой контакт». На инверторе есть реле, которое включается и выключается при необходимости запустить или заглушить генератор.
По сравнению с системой резервного питания «просто генератор» система «инвертор + аккумуляторы» имеет такие преимущества:
- инвертор переключает мгновенно. А генератор с автозапуском запускается секунд 20 или больше.
- инвертор сам переключает линии питания, а генератору нужен щит АВР (автоввода резерва)
- инвертор бесшумный, а генератор сами знаете
- инвертор и аккумуляторы можно поставить в доме, они ничего не выделяют в воздух. Генератору нужно отдельное помещение или навес.
- генератор дымит
- генератор требует бензин и масло
- срок службы генератора меньше срока службы инвертора и гелевых аккумуляторов
Важно оговориться, что если нам нужно много электричества (например, электронагреватели или мощные холодильники), то аккумуляторы нас не спасут, тут генератор нужен. Аккумуляторы — это для резерва на время кратковременных отключений.
Считаем количество аккумуляторов
Ёмкость аккумуляторов считается в ампер-часах. Автомобильный аккумулятор — это, как правило, 52 или 60 АЧ. Аккумулятор маленькой машины типа Daewoo Matiz — 40АЧ. Кстати, для резервного питания можно использовать автомобильные аккумуляторы, но у них срок службы 4-5 лет и их нельзя ставить в помещение — выделяют. Специальные аккумуляторы для систем резервного питания служат 10-12 лет, полностью герметичны и не требуют обслуживания.
Аккумуляторы резервного питания имеют ёмкость до 250АЧ. Самые распространённые — 200АЧ. Вес такого аккумулятора около 65 кг.
Напряжение аккумулятора 12 вольт. Разряжается он не в ноль, а, скажем, до 10% ёмкости. Получается, что в аккумуляторе запасено 2160 Вт-часов электроэнергии. КПД хорошего инвертора МАП Энергия 96%, значит, фактически 200АЧ аккумулятор даст нам 2073 Вт-часов электроэнергии. Это означает, что холодильник со средним потреблением 100Вт-часов проработает 20 с небольшим часов от одного такого аккумулятора. Если среднее потребление дома посчитать как холодильник (небольшой и современный) + несколько светодиодных лампочек + небольшой телевизор + розетка для ноутбука, то получаем примерно 3 часа работы. Ставим 4 аккумулятора — получаем 12 часов автономной работы.
Если использовать какой-то мощный прибор, например, чайник на 1600Вт, который кипятит воду за 5 минут, то он израсходует 133 Вт-часов электроэнергии из аккумуляторов. Вот такой расчёт. Нужно сориентироваться, сколько ватт-часов электроэнергии нам необходимо для резерва, понять, в скольких аккумуляторах они содержатся, подобрать инвертор на соответствующее напряжение и максимальную мощность дома.
Общий бюджет системы складывается из:
- аккумуляторов
- инвертора
- клемм на аккумуляторы
- УЗИП — устройство защиты от импульсных помех, очень полезная вещь
- кабеля от инвертора до аккумуляторов нужного сечения
Если в какой-то момент поймёте, что аккумуляторов не хватает, можно поставить ещё столько же параллельно. Можно добавить в систему солнечные батареи, подключив их через контроллер к аккумуляторам. Можно добавить генератор, который будет запускаться по сигналу от инвертора.
Можно при помощи инвертора и батарей зарезервировать не весь дом, а какую-то ветку электроснабжения: слаботочный шкаф, аварийное освещение, газовый котёл, насосы и так далее.
196,066 просмотров всего, 330 просмотров сегодня
Источник