Жизнь современного человека невозможна без применения различных устройств. Каждый дом наполнен электронной и бытовой техникой, инструментами и осветительными приборами. Но, к сожалению, снова стали обыденностью проблемы с электроснабжением.
Электричество могут отключить по графику или безо всякого предупреждения, случаются и простые аварии на сетях. А любые скачки напряжения и перерывы в поступлении "света" не только нарушают привычное течение жизни, но и повышают риск выхода оборудования из строя.
Устройство системы резервного питания (СРП) на основе аккумуляторной батареи (АБ) позволяет решить эту проблему раз и на долгое время. Важно сделать это обоснованно, вдумчиво и с должным подходом к качеству выполнения монтажных работ.
Что подключать?
При помощи СРП имеет смысл обеспечивать бесперебойное питание лишь
основных потребителей
, отличающихся либо малой мощностью, либо периодической
работой в течение непродолжительного времени. Это, в частности, могут быть:
- газовое или твердотопливное отопление (автоматика управления, циркуляционные насосы);
- водоснабжение (насос);
- дежурное освещение (3-5 электроламп на строение);
- 2-4 дополнительные розетки для техники (холодильник, компьютер, интернет-роутер).
Резервировать продолжительные нагрузки от работы мощных устройств (электрического котла, бойлера, кондиционера или электрического духового шкафа) не стоит. Ведь это повлечет за собой необходимость использования нескольких аккумуляторов большой емкости, да и сопутствующая им техника также нуждается в усилении. Таким образом, для обустройства системы придется понести очень большие и неоправданные финансовые затраты.
Оптимальный вариант - следовать принципу разумной достаточности, то есть установить СРП нужной производительности и использовать только ту технику, которая действительно необходима в данный момент. Это даст возможность сэкономить на начальном этапе и продлить время автономной работы техники.
Накопители энергии
Аккумуляторы - важнейший элемент СРП, поскольку обеспечивают работоспособность техники при возникновении неполадок или отключений в сети. Эти приборы применяют для многоразового накопления и дальнейшей раздачи электроэнергии.
Наиболее распространенными долгое время являлись кислотные (кислотно-свинцовые) аккумуляторы , принцип действия которых основан на погружении двух или более пластин из свинца в раствор серной кислоты (электролита). Возникающая между ними химическая реакция и вызывает накопление электроэнергии. Данные приборы также носят название тяговых или стартерных, поскольку способны обеспечить повышенные значения пускового (начального) тока. В связи с этим их широко применяют в автомобилях. А вот для создания домашней автономной системы использовать тяговые устройства не советуют. Дело в том, что жидкий кислотный электролит при больших токах может закипать, поэтому корпус аккумулятора делают негерметичным. А это, в свою очередь, приводит к появлению риска возгораний и даже взрывов в помещении.
В отличие от них гелевые аккумуляторы используют кислоту, находящуюся в состоянии тиксотропного геля (похожего по своей консистенции на воск). Корпус приборов делают цельным, но даже в случае его повреждения гель не сможет разлиться. Отсутствует какая-либо опасность или вред для окружающей среды. По этой причине гелевый аккумулятор можно устанавливать в любом помещении.
А наиболее современными являются AGM-аккумуляторы (Absorbed Glass Mat). Электролит в них связан при помощи специального стекловолокна. У этих устройств те же преимущества, что и у гелевых. Да и стоимость примерно равна (и в 2-з раза выше, чем у кислотных). К тому же AGM-аккумуляторы практически не нагреваются, поскольку внутреннее сопротивление в них незначительно.
Существенная деталь: во время зарядки кислотных аккумуляторов до 20 % энергии переходит в тепловое состояние, у гелевых данный показатель составляет порядка 10-15 %, а у AGM-моделей он равен лишь 3-4 %. То есть последние практически не нагреваются, а это - положительная характеристика с точки зрения безопасности и меньший расход электроэнергии. Кроме того, гелевые и AGM-приборы эффективнее в случае длительного простоя: они теряют не более 1-3 % энергии в месяц, а кислотные - до 1 % в день.
Таким образом, для применения в домашних СРП можно рекомендовать гелевые и AGM-аккумуляторы. Тем более что они не требуют периодического добавления электролита и вообще какого-либо обслуживания в процессе работы.
Чтобы увеличить возможности СРП, приобретают несколько АБ и устанавливают их в виде соединенной параллельно цепи для увеличения отдачи электроэнергии.
Аккумуляторы разных типов внешне очень схожи, поэтому важно покупать оборудование у профильных компаний или в строительных гипермаркетах
Обеспечивать автономным питанием нужно только самую необходимую технику: насосы отопления и водоснабжения, осветительные приборы. Нецелесообразно подключать к аккумуляторам мощные приборы, без которых некоторое время можно легко обойтись - кондиционеры, электрические духовки
Важные характеристики
АБ выбирают с учетом нескольких параметров. Масса важна для определения места расположения батареи. Современные аккумуляторы весят порядка 10-20 кг. Относительная тяжесть связана с особенностями конструкции приборов, в частности использованием электролита в вязкой консистенции. Поэтому легкие полки для установки АБ не подойдут - нужна более основательная опора, например стеллаж из металлических уголков. Выходное напряжение у большинства современных моделей составляет 12 В. Есть также модификации на 24 и 48 В. Для бытового применения специалисты рекомендуют выбирать АБ, которые выдают постоянный ток с напряжением В 12 В.
Максимальная величина пускового тока показывает, сможет ли аккумулятор выработать ток, необходимый для запуска двигателей. Дело в том, что практически все электроустройства в момент включения требуют значительно больше энергии, чем в рабочем режиме. Эту величину измеряют в амперах (А). В домашних условиях достаточно АБ с пусковым током в 200-400 А. Этого хватит, чтобы включить, например, насос для скважины или бытовые модели электроинструмента.
Емкость батарей - это величина заряда, который аккумулятор способен накопить, а потом отдать в ходе своей работы. Измерение емкости происходит в ампер-часах (А х ч), и чем она больше, тем дольше проработают подключенные к АБ устройства.
Чтобы выяснить, какая именно практическая отдача у аккумулятора, надо выполнить простой арифметический расчет. Например, АКБ емкостью 200 А х ч и напряжением 12 В накапливает 12 х 200 = 2400 Вт х ч = 2,4 кВт х ч. Однако в силу того, что производители рекомендуют разряжать АБ не ниже уровня 20-25 % заряда, реально доступная мощность составляет в данном случае не более 75-80 % от номинальной, то есть порядка 2 кВт х ч. На практике это означает возможность обеспечить освещение от четырех ламп по 50 Вт каждая в течение ю часов или работу электроплиты мощностью 2 кВт на 1 час. Расчет требуемой емкости аккумулятора ведут в увязке с подбором других устройств СРП, поэтому их нужно рассмотреть отдельно.
Примерный бюджет
Один гелевый аккумулятор емкостью 150-200 А х ч стоит порядка 200-250 у. е. За подходящий ИБП надо будет заплатить 400-700 у. е., а дополнительное оборудование "потянет" еще на 30-50 у. е. Таким образом, общая стоимость СРП составит порядка 2500-2700 у. е. В то же время можно ограничиться покупкой простого ИБП мощностью 1 кВт и аккумулятора емкостью 150 Ач. Общие затраты в таком случае составят примерно 300-400 у. е., а система позволит сохранить работоспособность холодильника, компьютера и пары электроламп на 2-3 часа. Правда, отопление от такой СРП работать не сможет.
Маломощные ИБП в одном корпусе объединяют аккумулятор, инвертор, автоматику. Потребители подключаются к ним напрямую - через вилку. Таких систем хватает на очень короткое время (до часа) и только на компьютер, зарядное устройство, светильник.
Для обеспечения большого количества потребителей используют отдельные наборные системы, подключаемые не в розетку, а к щитку электропитания.
Компоненты системы
Помимо аккумуляторов в состав СРП входят еще несколько очень важных устройств. Источник бесперебойного питания (ИБП, или UPS) - вспомогательное устройство, которое работает в паре с АБ. Его применяют для компенсации пиковых нагрузок и кратковременного электроснабжения бытовой техники в случае резких скачков и падений напряжения в сети. Этот прибор постоянно подключен к розетке, а все остальные запитывают уже после него.
Выделяют два конструктивных вида ИБП в зависимости от электронной схемы управления - offline и online. Первые - проще и дешевле, но обеспечат энергоснабжение от АБ лишь при отключении или резком падении напряжения в сети. Кроме того, время срабатывания у них составляет порядка 30-40 мс. Вторые - дороже, но "выпрямляют" даже небольшие скачки. Таким образом, они обеспечивают наилучшую защиту подключенных к ним устройств, что особенно важно не только для компьютеров, но и другой современной высокоточной техники (например холодильников, стиральных машин, телевизоров с электронными блоками управления). Время срабатывания редко превышает 2 мс. Конечно, лучше и надежнее ИБП online-типа, хотя по времени срабатывания вполне достаточно и offline-ИБП.
Инвертор - это преобразователь тока. В нормальном режиме он потребляет минимальное количество электроэнергии и обеспечивает зарядку аккумулятора. При возникновении же аварийной ситуации инвертор автоматически переходит в режим компенсации. Необходимость в нем связана с тем, что АБ выдают постоянный ток с напряжением 12, 24 или 48 В, а большинству электроприборов требуется переменный с напряжением 220 В. Выделяют модифицированные (с модифицированной синусоидой) и синусоидальные приборы. Первые хороши лишь для видео- и аудиотехники, а для бытовых устройств необходимы вторые. Они стоят дороже, но и выдают, говоря простым языком, ток более высокого качества.
Кроме того, СРП оснащают дополнительными устройствами - контроллерами заряда, а также электронными приборами автоматического управления, регулирования и защиты. В последнее время, как правило, все они размещены в корпусе инвертора.
Подбор общих параметров
При расчете параметров СРП нужно определить требуемую мощность оборудования и емкость АБ. Но прежде чем заняться подсчетами, следует уточнить разницу между двумя схожими терминами. В общем случае мощность электрооборудования определяется в Ваттах (Вт). Но выходную мощность ИБП составляет произведение значений тока и напряжения, данный параметр указывают в вольт-амперах (ВА). Часть этой энергии уходит на работу самого прибора, но львиная доля приносит пользу. Вот эту полезную мощность обычно дополнительно заносят в техпаспорт (измеряется в Вт).
Для калькуляции требуемых значений сначала подсчитывают статическую потребляемую мощность оборудования, которое работает постоянно или регулярно (компьютер, холодильник, циркуляционный насос котла, электролампы), с учетом его количества и среднего времени работы в течение суток. К результату добавляют краткосрочные запросы силовых потребителей (например, насоса водоснабжения, привода ворот, электрочайника).
Правда, одновременное включение всех этих приборов маловероятно, поэтому к первой цифре добавляют мощность только самого сильного (в приведенном примере - насос). Наконец, обязательно следует учесть динамическую (пусковую) мощность питаемого оборудования. Она достигается в момент запуска устройств и может превышать статические значения в 3-4 раза. Опять-таки складывать все пусковые показатели надобности нет, вероятность их совместного (до долей секунды) включения ничтожно мала. Так что достаточно ориентироваться на наибольший показатель. В итоге выбирают конкретные инвертор и ИБП.
Однако производить точный расчет вовсе необязательно. Если нет цели обеспечить резервное питание абсолютно всех приборов, а только наиболее важных устройств, то для частного дома площадью 150-300 м2 достаточно моделей общей мощностью 3-6 кВА, выдерживающих пусковую мощность до 9-12 кВА.
Рассчитать необходимую емкость аккумулятора довольно просто. Для этого объем потребления делят на напряжение АБ с учетом коэффициента неполного разряжения устройства. Например, для гарантирования расхода электроэнергии в объеме 4,5 кВт х ч требуется 500 А х ч (4500 Вт / 0,75х12 В). Таким образом, чтобы техника в доме проработала 4 часа, необходим аккумулятор емкостью 2000 А х ч (4 х 500 А х ч). При этом учитывают тот факт, что рост емкости АБ автоматически ведет к увеличению стоимости и повышению массы прибора, поэтому лучше установить несколько аккумуляторов меньшей емкости.
Кроме того, при отключении внешнего энергоснабжения практически никто не использует всю технику одновременно. Так что на деле указанные выше значения будут достаточны для обеспечения комфортного пребывания в доме в течение 8-ю часов.
В общем случае специалисты рекомендуют приобрести для такого здания восемь аккумуляторов напряжением 12 В на 200 А х ч каждый или десять аккумуляторов на 150 A x ч. А при желании сэкономить достаточно будет и четырех таких АБ - они "продержат" все здание 1-1,5 часа и обеспечат работу необходимого минимума устройств на 3-4 часа. Если перебои с подачей электричества более затяжные и могут длиться 1-2 дня, первым делом нужно просчитать, на работе какой техники можно сэкономить, и только потом планировать наращивание батарейных секций.
Монтаж
При кажущейся сложности СРП объем требуемых для ее подключения электромонтажных работ практически минимален. Ведь все домашние "нагрузки" подводят к щитку электросети. Надо лишь установить поблизости ИБП с АБ и инвертором и подключить последний в сеть между потребителями и щитом.
Для СРП нужно небольшое пространство. Достаточно примерно 0,5-1 м2. Важно правильно выбрать помещение. СРП можно устанавливать в неотапливаемых комнатах, так как большая часть современных моделей аккумуляторов спокойно переносит охлаждение до -20 °С. Однако они хуже воспринимают сырость и конденсацию влаги. Кроме того, при снижении внешней температуры емкость АБ падает на 10-20 %. Увеличивается и время зарядки. Так что лучше расположить СРП в том месте, где обеспечивается постоянное поддержание температуры около 0°С и имеется хорошая вентиляция. Это может быть гараж, правильно выполненный подвал, подсобное помещение.
На стене монтируют инвертор и ИБП, рядом устанавливают аккумуляторы - чаще всего вдоль стенки или же цепочкой на полке или стеллаже. В продаже есть специальные блоки источника резервированного питания с подготовленными местами для размещения оборудования. Также допускается установка СРП в закрытый перфорированный шкаф, где она заодно будет защищена от детей и домашних животных.
В ходе выполнения работ важно обеспечить качественные проводные соединения всех компонентов - тогда СРП прослужит много лет. После монтажа вмешательство в работу системы в течение всего периода эксплуатации не понадобится. Нужно лишь периодически протирать пыль.
Достоинства системы
Фактически мгновенное срабатывание (в течение миллисекунд) в случае отключения электричества. Большинство современных, даже высокоточных электроприборов не "замечает" перехода из стандартного режима питания на автономный,
- Способность выдерживать значительные перегрузки.
- Защита техники от перепадов напряжения, перекоса фаз и других "капризов" сети.
- Возможность выполнения своих обязанностей при малых нагрузках без ущерба для долговечности службы системы.
- Практически бесшумная работа.
- Экологичность, отсутствие вреда для окружающей среды по сравнению с применением дизельных генераторов.
Пролог
В была рассмотрена постановка задачи на разработку маломощного резервного источника питания на мощность 60 Вт с синусом на выходе для циркуляционного насоса системы отопления. Была выбрана концепция реализации данного устройства. В этой статье пойдет речь о разработке электрической схемы устройства, с необходимыми расчетами для выбора номиналов компонентов, входящие в состав устройства.Вооружившись САПРами и учебниками черновиками, карандашом и GOOGLE приступим к проектированию. Начнем с простого – система питания устройства.
Организация питания
Для питания элементов схемы нам понадобится три типа шины постоянного напряжения в 12, 5 и 3,3 Вольта.Двенадцати вольтная шина – основная. Она является питанием моста, осуществляющего закачку тока в низковольтную обмотку линейного сетевого трансформатора. С нее же питаем драйвера транзисторов, входящих в мост. Коммутирующие сеть реле тоже будут питаться с данной шины.
Пяти вольтная шина необходима для питания токовой микросхемы ACS712, микросхемы логики, символьного ЖКИ и т.д.
Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.
Лирическое отступление
Для наглядности куски схемы рисовались в Proteuse v 7.7. В его библиотеках есть не все использованные компоненты, так что некоторые компоненты заменены на аналоги. Окончательная, полная схема будет в формате САПРа Dip Trace. Со всеми утвержденными компонентами. Но это уже в следующей статье.
Родилась вот такая схема:
Картинка кликабельна.
Формирователи шины 5 и 3,3 Вольта организованы на 1 % LDO стабилизаторах типа NCP1117STхх. Аналоговое питание модуля АЦП берется с шины 3,3 Вольта через индуктивность, сглаживающие и блокировочные конденсаторы. Аналоговую землю тоже стоило бы разделить. Но в данной схеме этого нет, так как измерения не критичные, и погрешность в пару разрядов не приведет к «расстройству» устройства. Применим программный фильтр – скользящее среднее и может даже погрешности в один разряд добьёмся.
Измерение тока и защита от перегрузки
Датчик тока ACS712ELCTR-05B-T представляет собой интегральную микросхему. Детектирование тока происходит на эффекте Холла. Данный датчик позволяет МК измерять как прямой, так и обратный ток. С остальными характеристиками можно ознакомиться из его pdf . Выход датчика аналоговый. Средняя точка, соответствующая нулевому току = 2,5 В. Усиление 185мВ на 1 Ампер. Хотя датчик регистрирует и большие токи, только линейность искажается, и при определенном токе входит в насыщение. Так что для согласования выхода датчика с МК, поставим делитель напряжения. И поделим шкалу пополам. Разрядности АЦП МК хватит для приемлемой точности.Для быстродействующей защиты от перегрузки или короткого замыкания в низковольтной обмотке линейного трансформатора, установим токовый шунт. Сигнал с шунта усилим на ОУ и на компараторе соберем схему сравнения с защелкой. Данные о перегрузке будем загонять в МК, а также по этому сигналу будем закрывать ВСЕ ключи моста.
Небольшое видео, симуляции работы токовой защиты, представлено ниже.
Силовая часть
Силовая часть РИПа представлена на рисунке.
Картинка кликабельна.
Мост транзисторов «опирается» на токовый шунт, для обеспечения быстродействующей защиты. Выход моста через LC фильтр, рассчитанный на частоту среза в ~ 1 кГц, подается на низковольтную обмотку трансформатора. О фильтре и трансформаторе стоит поговорить более подробно.
Расчет фильтра производился в программе «Калькулятор РЛ» ссылку на так называемый офф. сайт уже не найду. Поэтому архив с калькулятором выложил сюда . Вот скрин расчета.
Полученная индуктивность в 10 миллигенри довольна внушительна. Но и емкость получилась приличная. Так как у нас на выходе с фильтра переменка, то полярным конденсатором не обойдешься. В схему заложил два керамических конденсатора в параллель - 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).
Расчет дросселя по полученным данным производил в программе Coil32. Вот ссылка на архив с программой. Ферритовое кольцо для такого дросселя выбрал со следующими параметрами: Кольцо N87 R25x15x10. Вот скрин расчета в программе.
Получилось 70 витков провода диаметром 1 мм, для обеспечения нужной индуктивности. Вполне приемлемо для ручной намотки.
Выбор трансформатора пал на тороидальный трансформатор типа ТТП-60, со вторичным напряжение в 9 Вольт. Расчет прост. Переменное напряжение в 9 Вольт дает в амплитуде 12,7 Вольт. Напряжение заряженного АКБ порядка 13 Вольт. Так что сможем более менее на выходе получить 220 вольт. Для заряда АКБ конечно маловато. Поэтому есть предложение, домотать вторичку витков на 5-6. То есть получилась низковольтная обмотка с отводом. С крайних выводов обмотки снимаем повышенное напряжение для заряда АКБ, во время работы от сети. А на крайний и средний вывод подаем напряжение с моста, когда работаем от АКБ. По напряжению, снимаемому с крайних выводов обмотки, судим о напряжении в высоковольтной обмотке во время работы от АКБ, обратная связь для регулировки.
Транзисторы моста управляются от МК через драйверы полумостов IRS2101S. Управление верхними ключами осуществляется по бутстрепной схеме. Управление P-канальным зарядным транзистором осуществляется обычным биполярником. Сглаживающий зарядный дроссель имеет те же габариты и расчетные величины, что и дроссель в LC фильтре после моста.
Детектирование наличия сети и коммутация
Для детектирование сети применятся конденсаторная схема питания. Напряжение заводится на оптопару. Выход оптопары загоняем в МК для контроля наличия сети. Схема показана ниже.
Картинка кликабельна.
Сетевое напряжение через гасящий конденсатор, диоды, стабилитрон, сглаживающие конденсаторы, токоограничивающий резистор подается на светодиод оптопары. Выход идет в МК.
Управление реле, коммутирующие сеть на нагрузку, осуществляется от МК.
Токовая защита реализована на ОУ и компараторе. Выход компаратора расходится на два транзистора. Один для ввода сигнала в МК, второй для закрывания всех транзисторов моста.
На рисунке ниже представлены схемы включения драйверов для моста.
Картинка кликабельна.
Все типовое, согласно даташиту на драйвер IRS2101S.
Схема формирование импульсов моста
Чтоб не нагружать МК бесполезной работой, формирование сигналов импульсов моста собрано на логике И. От МК требуется три сигнала. Один синусоидальный ШИМ за период, а также два дискретных сигнала, первая полуволна и вторая. Реализация такого подхода изображена на рисунке.
Картинка кликабельна.
Перегрузка по току, заведена в МК и продублирована светодиодом. Управление зарядным P-канальным транзистором организованно на биполярном NPN транзисторе.
Логика работы моста будет заключаться в следующем. 20 кГц ШИМ будет модулироваться таблицей синуса в количестве 400 значений. Передача значений в регистр ШИМ будет организованна через ДМА. После загрузки половины буфера, то есть 200 значений, одного полупериода, ДМА вызовет прерывание, где сигналы MCU_P_1 и MCU_P_2 будут взаимно инвертироваться. После загрузки всего буфера, в прерывании от ДМА будет происходить обратное инвертирование сигналов MCU_P_1 и MCU_P_2. И далее в циклическом режиме. Постоянный уровень полуволны, будет подаваться на верхний транзистор плеча, а синусоидальный ШИМ на нижний ключ противоположного плеча. Следующий полупериод – это другая пара транзисторов.
Во время перегрузки по току, NPN транзистор Q7 обеспечит на входе логики низкий уровень, что в свою очередь приведет к низкому уровню на выходе логике и как следствие – запиранию ВСЕХ транзисторов моста.
Аппаратная платформа
Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства – МК STM32F100C8T6B.
Как уже упоминалось выше, МК будет от ST семейства STM32. Чем обуславливается такой выбор?
- МК имеет невысокую стоимость. Аналоги по возможностям от ATMEL или PIC имеют даже более высокие цены, при разрядности в 8 бит.
- Наличие на борту 12 битного АЦП, ЦАП, контроллера ДМА.
- 32 бит разрядность ядра.
- Увеличенную емкость память программ и данных.
Для индикации работы устройства и вывода необходимых данных в схеме будет использоваться знакосинтезирующий ЖКИ с управляющим контролером KS0066 (HD44780). Библиотек для работы с таким дисплеем в рунете полно.
Схема подключения дисплея к контроллеру выглядит следующим образом.
Картинка кликабельна.
Подключение происходит напрямую. Порты МК непосредственно подключены к дисплею. Сопряжение 3 вольтовой и 5 вольтовой логики не производилось. Здесь возможно появятся проблемы, и придется выводы МК настроить как выходы с открытым коллектором, и подтянуть линии к 5 вольтам, а сами выходы МК использовать толерантные к 5 вольтам. Как говорится жизнь покажет, но при разработке печатной платы, необходимо заложить данный «апдейт».
Пользовательские кнопки необходимы для организации навигации по меню и параметрам, отображаемым на дисплее.
Дополнительные расчеты
Для расчета бутстрепного конденсатора воспользуемся методом, предложенным в данной статье . В конце описания есть пример расчета необходимой емкости бутстрепного конденсатора. Возьмем его за основу и пересчитаем для наших реалий.Определимся с параметрами схемы:
- V IN,MAX = 15V максимальное входное напряжение,
- V DRV = 12V напряжения питания драйвера и амплитуда управляющего сигнала,
- dV BST = 0.5V пульсация напряжения на конденсаторе C BST в установившемся режиме,
- dV BST,MAX = 3V максимальное падение напряжения на C BST перед тем как сработает схема защиты от пониженного напряжения или амплитуда управляющего сигнала станет недостаточной,
- f DRV = 100 Hz частота преобразования, так как наш конденсатор работает в промежутке 10 мс,
- D MAX = 1 максимальный коэффициент заполнения при минимальном входном напряжении.
- Q G = 24 nC общий заряд переключения IRLZ44ZS при V DRV = 5V и V DS = 44V,
- R GS = 10К величина резистора R GS ,
- I R = 10uA ток утечки диода D BST при максимальном входном напряжении и температуре его перехода TJ = 80°C,
- V F = 0.6V падение напряжения на диоде D BST при токе 0.1A и температуре перехода TJ = 80°C,
- I LK = 0.13mA ток утечки схемы сдвига уровня при максимальном входном напряжении и температуре кристалла TJ = 100°C,
- I QBS = 1mA ток, потребляемый драйвером верхнего уровня.
Рассчитанное значение подберем из стандартного ряда. Тип конденсатора возьмем танталовый, для уменьшения тока утечки самого конденсатора. Итого получается 47 мкФ x 25 В, тип D.
Рассчитаем ток заряда конденсатора, тем самым подберем диод.
Так что диод рассчитанный на прямой ток в 1 А, справится с этой задачей.
Заключение
В этой статье разработали электрическую схему РИПа. Теперь все куски схемы соберем воедино. И на основе уже утвержденной схемы разработаем топологию печатной платы. Разводку печатной платы и обобщенную электрическую схему со спецификацией по компонентам представлю в следующей статье.Программную реализацию функционала устройства распишу в отдельной статье. Есть задумка реализовать в программе много интересных решений, например, ПИД регулирование выходного напряжения при работе от АКБ.
Эпилог
Этой статьей, хотел вынести на суд общественности и опытных радиолюбителей и не любителей тоже, схематические решения. Быть может, внимательный читатель найдет какие-либо критические ошибки в схемотехники или предложит более правильное исполнение отдельных узлов. Найдется какое-нибудь более простое решение узлов или для повышения надежности внести дополнительные схемотехнические решения.Часть 2. Изготовление простого контроллера для свинцово-кислотного аккумулятора.
Начнем с определения параметров контроллера.
Так как, был нужен достаточно простой вариант контроллера заряда/разряда, то и серьезных требований к параметрам не предъявлялось.
1. Нужно защитить аккумулятор от перезаряда. В моем случае ток с СП не превышает 1,4а, поэтому не требуется его ограничивать. А вот конечное напряжение при зарядке нужно ограничить в связи с тем, что СП может давать до 20в (см. расчеты выше).
2. Нужно защитить от разряда. Например, отключать всю нагрузку, когда напряжение на нем снизится до выставленного нами уровня.
3. Сделать светодиодную индикацию для наглядности.
Для ограничения конечного напряжения зарядки я использовал стандартное включение стабилизатора напряжения LM317, который ограничивает напряжение до 13,6в.
Для исключения возможности разряда аккумулятора воспользуемся операционным усилителем LM358, который будет отслеживать напряжение на нашем аккумуляторе и, при снижении его до 10в, отключать всю нагрузку.
Кроме того, LM358 является «сдвоенным» операционным усилителем, поэтому и индикацию на светодиоде мы также реализуем на этой микросхеме.
Кратко по схеме. КН1 – кнопка без фиксации, является запуском для включения нагрузки (например резервного освещения). КН2 – принудительное отключение нагрузки. Реле должно быть с напряжением питания 12в. Ток реле выбирается исходя из нагрузки.
Работа схемы заключается в отслеживании напряжения на аккумуляторе микросхемой и, при снижении напряжения до уровня, настроенного подстроечным резистором, на выводе 1 микросхемы исчезает напряжение для питания реле и реле отключается. При этом обесточивается вся схема, то есть отключается нагрузка.
А вот вторая часть микросхемы, отвечающая за индикацию, работает наоборот. При снижении напряжения до настроенного уровня вторым подстроечным резистором, на выводе 7 появляется ток и, соответственно, загорается светодиод.
Наладка схемы сводится к установке напряжений срабатывания.
Для этого нам понадобиться блок питания с плавной регулировкой напряжения.
БП мы подключаем ко «входу 12-15в с аккумулятора» (имитируем аккумулятор) и подаем напряжение 12в. Далее нажимаем КН1 и слышим как сработало реле.
Плавно снижаем напряжение питания до 10в. После вращаем подстроечный резистор на 3-ем выводе микросхемы и добиваемся отключения схемы. Таким образом, при разрядке аккумулятора до 10в, наша схема сама отключится и защитит аккумулятор от глубокого разряда.
Аналогично настраиваем напряжение срабатывания светодиода. Он должен загораться при 11в на БП.
В итоге: при падении напряжения до 11в, включается светодиод, сообщающий о скором отключении всей схемы. А при падении напряжения на аккумуляторе 10в вся схема отключится.
Печатные платы разведены в lay и, при использования метода ЛУТ, протравлены в хлорном железе.
Блок ограничения напряжения заряда.
Блок контроля разряда аккумулятора.
В качестве корпуса для контроллера я использовал короб от старого CD-ROM.
В процессе эксплуатации, мне понадобилась дополнительная индикация тока зарядки, тока потребления нагрузкой и напряжения на аккумуляторе. Для этого я заказал уже готовые индикаторы на «АЛИ» и подключил в соответствующие цепи.
Могла сработать только тогда, когда пропадало напряжение основного источника, от понижение или повышения напряжения защитить нагрузку не могло. В новом варианте устройства были исправлены эти недочёты, а именно:
- Устройство не переключит нагрузку на резервный источник питания при наличии даже пониженного напряжения основного источника.
Устройство не способно работать при напряжении менее 6-ти вольт.
Устройство не защитит нагрузку при повышении напряжения сверх допустимой величины.
Новый вариант устройства обладает значительно улучшенными характеристиками.
Способно работать при входном напряжении основного источника от 6 до 15 в.
Защита нагрузки от пониженного или повышенного напряжения. Для контроля напряжения основного источника используются два компаратора. При отключении основного источника напряжения, работа устройства аналогична его предыдущей версии.
Ток потребляемый нагрузкой ограничен только максимальным током, который могут выдержать контакты применяемого электромагнитного реле.
Питается устройство от резервного источника питания на 12 в и потребляет ток около 100 ма, в случае если напряжение основного источника меньше 12-ти вольт, нужно применить стабилизатор и включить его в разрыв показанный на схеме, а также установить пороги срабатывания защиты построечными резисторами.
Работа устройства
Напряжение основного источника поступает на резисторы R6 и R12 с которых напряжение поступает на входы компараторов, где сравнивается с напряжением поступающим со стабилизатора VR1. Отдельный стабилизатор VR1 применён для того, чтобы при изменении величины напряжения резервного источника питания не менялись пороги срабатывания защиты. Кратко опишу для чего предназначены эти подстроечные резисторы. Резистор R12 отвечает за срабатывание защиты при падении напряжения ниже минимального порога, который этим резистором выставляется. В моём случае этот порог 10.5 вольт и для того, чтобы его выставить, нужно при входном напряжении 10.5 вольт с помощью этого резистора выставить на выводе 7 компаратора напряжение 1.3в, что ниже порога срабатывания компаратора, так как на 6 ноге микросхемы напряжение 1.65 вольта, сразу же сработает защита. Резистор R6 отвечает за срабатывание защиты в случае критического повышения напряжения основного источника. В моём случае величина максимального напряжения установлена на уровне 13 вольт. При этом напряжении резистором R6 необходимо выставить на 5-й ноге микросхемы напряжение 4 вольта, что приведёт к срабатыванию защиты и переключению нагрузки на резервный источник. Благодаря этим резисторам защита срабатывает при понижении напряжения до 10.5 вольт, или повышении до 13.
Самой интересной частью схемы является узел собранный на микросхемах DD1 и DD2. Он собственно и является схемой защиты. Два входа этого узла подключены к компараторам, но для того, чтобы на выводе 8 микросхемы DD1 появился уровень логической 1 и сработала защита должны быть созданы определённые условия. Данный узел интересен ещё и тем, что логическая единица на выходе 8 DD1.1 появится при наличии одинаковых логических состояний на входах, либо два 0 , либо две 1. Если на одном входе будет 1, а на другом 0, то защита не сработает.
Работает схема защиты следующим образом. При нормальном входном напряжении основного источника работает только компаратор DA1.2, так как напряжение выше минимального порога отключения и следовательно открытый выходной транзистора компаратора DA1.2 замыкает выводы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что аналогично состоянию логического 0, а на входах 1 и 2 элемента DD2.3 действует напряжение около 4.5 - 5 вольт, что аналогично состоянию логической 1, так как напряжение не достигает 13 вольт и компаратор DA1.1 не работает. При таком условии защита не сработает. При повышении напряжения основного источника до 13 вольт начинает работать компаратор DA1.1, открывается выходной транзистор и замыкая входы 1 и 2 DD2.3 на массу принудительно создаёт уровень логического 0, тем самым на обоих входах принудительно появляется уровень логического 0 и срабатывает защита. Если напряжение упало ниже минимального порога, то напряжение подводимое к 7-й ноге компаратора падает до уровня ниже 1.65 вольта, выходной транзистор закроется и перестанет замыкать входы 4 и 5 элемента DD2.4 на массу, что приведёт к установлению на входах 4 и 5 напряжения 4.5 - 5 вольт(уровень 1). Поскольку DA1.1 уже не работает и DA1.2перестал, то создаётся условие при котором уровень логической единицы появится на обоих входах узла защиты и она сработает. Подробнее работа узла показана в таблице. В таблице показаны логические состояния на всех выводах микросхем.
Таблица логических состояний элементов узла.
Налаживание устройства
Правильно собранное устройство требует минимальной наладки, а именно установки порогов срабатывания защиты. Для этого необходимо вместо основного источника напряжения подключить к устройству регулируемый блок питания и с помощью подстроечных резисторов выставить пороги срабатывания защиты.
Внешний вид устройства
Расположение деталей на плате устройства.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1, DD2 | Логическая ИС | К155ЛА3 | 2 | В блокнот | ||
| DA1 | Компаратор | LM339-N | 1 | В блокнот | ||
| VR1, VR2 | Линейный регулятор | LM7805 | 2 | В блокнот | ||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ819А | 1 | В блокнот | ||
| Rel 1 | Реле | RTE24012 | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2, R3 | Резистор | 1 кОм | 2 |
Принципиальная схема показанная на рисунке автоматически подключает резервную батарею питания к нагрузке и отключает ее при подачи напряжения питания с сетевого источника питания. Схема основана на микросхеме LTC4412 от Linear Technology, которая управляет внешним MOSFET транзистором. Транзистор в схеме используется как идеальный диод, падение напряжение на котором не более 20 мВ. Падение напряжения на диоде Шоттки при его прямом включении составляет 0,2-0,4 вольт, а для обычных, например кремниевых диодов, это значение порядка 0,6-0,7 вольт.
Входное напряжение может быть в пределах от 3 до 28 В, напряжение батареи от 2,5 во 28 В. Максимальный ток нагрузки не более 2А. Ток потребления микросхемы LTC4412 не более 11 мкА.
- Похожие статьи
Радиоволны излучаемые антенной представляют собой электромагнитные и магнитные поля. Скорость распространения радиоволн в пространстве 300000 км/с. Длина волны λ (м) и частота f (МГц) связаны между собой соотношением:λ=300/f. Такое соотношение удобно для практики, поэтому радиовещательные станции работают в диапазонах: километровых — 30…300кГц гектаметровых — 300кГц…3МГц декаметровых — 3…30МГц метровых — …
На рисунке представлен генератор на микросхеме К174ХА11, частота которого управляется напряжением. При изменении емкости С1 от 560 до 4700пФ можно получить широкий диапазон частот, при этом настройка частоты производится изменением сопротивления R4. Так например автор выяснил что, при С1=560пФ частоту генератора можно изменять при помощи R4 от 600Гц до 200кГц, …
Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторные батареи самые дешевые в настоящее время. Электролит в их находится в виде геля, поэтому аккумуляторы допускают работу в любом пространственном положении и не производят никаких вредных испарений. Им свойственна большая долговечность, если не допускать глубокого разряда. Теоретически они не боятся перезаряда, однако злоупотреблять этим не следует. Подзарядку …
