Разное

Содержание

Разработка контроллера резервного питания. Схемотехника / Хабр

Желтый прямоугольник ограниченный штрихпунктирной линией на рисунке выше и есть сам контроллер резервного питания BACKPMAN v1.0.

Все статьи по проекту

Cсылка на открытый проект: https://github.com/Indemsys/Backup-controller_BACKPMAN-v1.0

Схемотехника

Контроллер работает совместно с тремя внешними модулями:

  • сетевым источником питания 220 VAC в 24 VDC

  • инвертором 24 VDC в 220 VAC

  • аккумуляторной батареей 24 В

В момент отключения сетевого напряжения или понижения ниже предельного значения контроллер переключает потребителей на питание от аккумулятора и инвертора.
Переключение 24 В происходит без провалов напряжения, переключение 220 происходит с задержкой равной времени переключения реле.

Преимущества

Такая архитектура обеспечивает гибкость, масштабируемость и оптимальную стоимость.

  • Гибкость выражается в цифровом управлении и возможности выбирать источник питания, инвертер и аккумулятор из широкого ассортимента представленного на рынке без привязки к конкретным производителям и продавцам. Это довольно актуально с современной турбулентностью поставок и при мелкосерийном производстве.

  • Масштабируемость определяет возможность варьировать в широких пределах мощность источника питания, инвертера и емкость аккумулятора.

  • Оптимальная стоимость. На рынке можно найти предложения по созданию аналогичной архитектуры на более раздробленных дискретных модулях или вовсе на нескольких автономных UPS-ах. Но чтобы добиться встраиваемости в системы потребителей по габаритам и с полным контролем со стороны систем управления потребителей понадобится еще много дополнительных средств. Обратная связь от потребителей в данной схеме позволяет не устанавливать избыточные резервные мощности, и сэкономить на емкости аккумулятора и мощности инвертора.

Применение

Применить такой контроллер можно в промышленных и бытовых устройствах и агрегатах, подъемниках, лифтах, автоматических воротах, кранах, автоматических дверях, системах домашней автоматизации и т. д.

Контроллер способен работать и как простой зарядник аккумуляторов емкостью до 30 А*ч, как измеритель параметров электросети, измеритель КПД инвертеров, как источник питания с регулируемым напряжением, током до 10 А и защитой от перегрузок и т.д.

Принцип работы

Особенностью архитектуры данного контроллера является его тесная связь с потребителями.
Для того чтобы не превысить предельно допустимую мощность источника питания и инвертера и не спровоцировать проседания выходных напряжений контроллер получает от потребителей информацию о планируемом подключении нагрузок и сообщает потребителям о текущем состоянии сетевого напряжения. Таким образом потребители не будут пытаться получить недоступную мощность или предпринимать действия способные быстро и непрогнозируемо привести к исчерпанию аккумулятора. Связь потребителей с контроллером осуществляется через один из цифровых интерфейсов : CAN, RS485, USB.

При наличии сетевого напряжения контроллер пропускает напряжение 24 В от внешнего источника питания к потребителям через управляемый ключ 1 (см. структурную схему) и напряжение 220 В через реле Р1. Ключ 1 работает одновременно также как ограничитель входного напряжения, ограничитель тока, защита от переполюсовки и идеальный диод. Ключ 1 не дает проникать обратному току на источник питания в случае отключения сетевого напряжения. Может показаться, что это излишняя мера, но некоторые промышленные источники питания MEAN WELL не включаются, когда на их входе уже присутствует напряжение. Одновременно с подачей тока потребителям контроллер заряжает аккумулятор (если аккумулятор этого требует). При этом ток заряда аккумулятора балансируется с током уходящим потребителям так чтобы не превысить допустимый ток источника питания.

Цифровое управление и повышающее/понижающий (Buck-Boost) преобразователь зарядника позволяют точно учитывать степень заряда и разряда аккумулятора и выбирать правильные профили заряда в зависимости от состояния аккумулятора.

При отсутствии сетевого напряжения контроллер пропускает через ключ 2 напряжение 24 В потребителям от аккумулятора. Напряжение при этом может варьироваться от 27 В (полностью заряженный) до 20 В (полностью разряженный). Потребители должны быть готовы работать в таком диапазоне, что обычно не представляет проблемы. Напряжение 220 В подается через реле Р2 от внешнего инвертера. Сам инвертер питается от аккумулятора через ключ 3. Инвертер может поддерживаться как в горячем резерве так и быть отключенным (что более экономично). Однако из выключенного состояния инвертеры обычно выходят несколько секунд и это затягивает переключение.

Основные характеристики

  • максимальный коммутируемый переменный ток напряжения 200 В – 35A

  • максимальный коммутируемый постоянный ток напряжения 24 В – 15 А

  • максимальный ток на входе инвертера – 50 А

  • максимальный ток заряда аккумулятора при наличии радиатора – 10 А

  • максимальный ток заряда аккумулятора без радиатора – 4 А

  • тип аккумулятора – cвинцово-кислотная батарея 24 B

  • тип микроконтроллера – MKE18F512VLL16 (ARM Cortex-M4F, 32-Bit, 168MHz, 512KB (512K x 8) FLASH, 64 KB SRAM, -40°C ~ 105°C)

  • Цифровые интерфейсы: CAN гальвано-изолированный, RS485 гальвано-изолированный, USB 2. 0 Full Speed VCOM

  • Два гальвано-изолированных цифровых выхода

  • Дисплей с энкодерным управлением

  • Встроенные измерители токов, напряжений, мощностей и прочего по входным и выходным линиям 220 и 24 В.

  • Утечка тока аккумулятора в отключённом состоянии не более 200 мкА

  • Все основания рассчитывать что на половине заявленных максимальных токов плата способна будет длительно работать без радиаторов при условии свободной конвекции.

Схема

Лист 1. Идеальный диод источника питания, идеальный диод цепи питания системы от аккумулятора и DC/DC преобразователь зарядника. Лист 2. Микроконтроллер, цифровые интерфейсы, дисплей, стабилизаторы питанияЛист 3. Ключ питания инвертера, измерители в цепи переменного тока, коммутаторы цепи переменного тока

Структурная схема

Структурная схема с указанием номеров разъемов и точек измерения напряжений и токов. (для увеличения открыть в отдельном окне)

Особенности схемы

Зарядник аккумулятора выполнен на регулируемом DCDC преобразователе U23 серии LTC3789.
Выходное напряжение преобразователя задается микросхемой U24 DAC80501 управляемой по интерфейсу I2C. DAC80501 преобразует 16-и битный код в выходное напряжение в диапазоне от 0 до 1.25 В. Резистивный делитель на R94, R96, R100 смешивает напряжение от U24 и выходное напряжение DCDC преобразователя чтобы получить опорное напряжение VFB, для микросхемы LTC3789 оно должно равняться 0.8 В. DCDC преобразователь работает так чтобы напряжение VFB всегда оставалось равным 0.8 В, когда микросхема U24 меняет свое выходное напряжение.
Таким образом DCDC преобразователь способен регулировать свое напряжение от 1.65 В до 31.9 В.

Для расчета схем на базе LTC3789 и подобных существует специальная программа – LTpowerCAD
Вид окна программы для рассматриваемого преобразователя показан ниже:

В целом программа показывает более оптимистичные результаты чем есть в реальности, особенно на малых мощностях. В частности недооценивается влияние паразитных элементов трассировки.

Даже упрощенная модель в программе LTpowerCAD не дает однозначного ответа по оптимальному выбору компонентов, поскольку при разных режимах и комбинациях входных и выходных напряжений и токов значительно меняется вклад разных элементов в нагрев схемы. Т.е. программа не выполняет глобальной оптимизации по всему диапазону рабочих режимов. И приведенная схема была в основном оптимизирована для случая выходного напряжения в 32 В и выходного тока 10А, т.е. самого тяжелого режима при зарядке 24В аккумулятора.

На КПД преобразователя также влияет состояние сигнала DCDC_MODE. Как показала практика в состоянии лог. 0 (forced continuous mode ) катушка индуктивности L5 меньше нагревается чем когда на DCDC_MODE присутствует лог. 1 (pulse-skipping mode).

Сигнал EN_CHARGER в состоянии лог. 0 запрещает работу преобразователя. В выключенном состоянии преобразователь не пропускает напряжение с выхода на вход.

Ключ источника питания SW1. Выполнен на микросхеме U20 LTC4364. Через этот ключ проходит ток от источника питания к потребителям. Когда происходит переключение от питания от аккумулятора этот ключ выключается микроконтроллером.

Часть схемы с ключом источника питания

Ключ кроме непосредственно коммутации выполняет еще несколько защитных функций:

  • работает как идеальный диод от входа к выходу,

  • выполняет защиту от перегрузок по току,

  • защищает выходную цепь от перенапряжений на входе (отключается при перенапряжении) ,

  • не пропускает в систему слишком низкое напряжение от источника питания,

  • ограничивает броски тока при включении,

  • обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения,

  • предохраняет схему от переполюсовки на входе.

При этом о своих аварийных состояниях ключ сообщает сигналом PIDS_FAULT.
Сигналом PIDS_SHDN в высоком состоянии ключ выключается. Если схема обесточена, то при включении источника питания будет находиться в открытом состоянии.

В промышленных системах столько защит не является лишним. Особенно когда работать приходится в окружении электроники сомнительного качества и надежности.

Ключ аккумулятора SW2. Выполнен на микросхеме U21 LTC4364.

Назначение этого ключа в том чтобы пропустить ток от аккумулятора к потребителям в режиме работы резервного питания. Транзистором Q9 задается два разных уровня выходного напряжения.

При уровне 0 сигнала AIDS_FBC ключ начинает пропускать ток от аккумулятора в систему (т.е. потребителям) только если напряжение в системе упадет ниже 22.9 В (т.е. внешний источник питания не будет способен удержать свое номинальное напряжение).

При уровне 1 сигнала AIDS_FBC ключ пропустит ток если в системе напряжение будет ниже 26. 3 В.
Это необходимо когда в систему включается полностью заряженный аккумулятор с напряжением до 32 В чтобы транзисторы ключа не перегрелись из-за слишком большого падения напряжения на них.

Поскольку ключ еще и выполняет функции идеального диода, то ток из системы в аккумулятор через него не проходит.

В обесточенном состоянии и подключении только аккумулятора ключ останется закрытым. Таким образом систему нельзя включить от аккумулятора не подав предварительно напряжение от внешнего источника питания.

Ключ питания инвертора SW3. Выполнен на микросхеме U14 LTC4368.

Этот ключ включает питание на инвертор. Для быстрого переключения на резервное питание инвертор желательно держать включенным. Однако инверторы потребляют значительный ток. Например инвертор MEAN WELL TS-1500-224 мощностью 1.5 КВт

на холостом ходу потребляет более 1 А. После аварийной перегрузки такой инвертер не включится вновь пока на с него не снимут напряжение ( если не пользоваться его интерфейсом управления). В таком случае ключ помогает избавиться от лишнего потребления тока и упростить восстановление после перегрузок, хотя и ценой некоторой инерционности.
Ключ защищает аккумулятор от слишком больших токов. В данной схеме защита должна срабатывать при токе превышающем 50 А, на самом деле будет меньше, тут критически важна трассировка.

Высоковольтная часть. В высоковольтной части коммутация производится с помощью реле K1 и K2 типа AHES4292. Не самый быстрый и надежный способ коммутации, но дело в том что схема предназначена для коммутации самых разнообразных нагрузок и напряжений, в частности для коммутации межфазных напряжений в 3-х фазных сетях (тогда ставятся еще вспомогательные внешние 3-х фазные контакторы). Реле относятся к типу реле безопасности и на схеме они взаимно блокированные. Принято считать что по такой схеме реле такого типа ни при каких обстоятельствах не смогут включиться одновременно, даже когда одно из них залипнет. Значит сетевое напряжение никогда не сможет проникнуть на выход инвертора и погубить его.
Залипание реле контролируется измерителями напряжения на резистивных делителях R51, R52 и R53, R54

Мониторы мощности. Реализованы на микросхемах U15 и U17 типа ACS37800KMACTR-030B3-SPI.
Микросхемы способны измерять переменный ток, напряжение, мощность, действующие их значения, средние от действующих значений за заданное время, способны измерять действующее как по переходу через ноль так и действующее значение постоянных токов. Каждая из микросхем отдельно гальвано-изолирована и может выполнять точные измерения не беспокоясь о способе реализации заземления и зануления источников напряжения и даже измерять при межфазном подключении. Микросхемы измеряют ток амплитудой до 30А.
Считывание данных производится по интерфейсу SPI. На каждую микросхему идет отдельный интерфейс SPI поскольку они не могут совместно работать на одном общем интерфейсе.

Измерители токов и напряжений. Как пример приведен фрагмент схемы ниже –

U22 и U13 здесь измеряют ток. Микросхемы INA240A1 хорошо подходят для условий измерений с большими синфазными помехами. Они двунаправленные. Средняя точка для них формируется общей для всех прецизионной мало-шумящей схемой на операционном усилителе U26 THS4281DBVR. Кроме того INA240A1 достаточно хорошо согласуются в входами АЦП микроконтроллеров.

Микросхема U27 на схеме выполняет роль дифференциального усилителя напряжения для измерения напряжения аккумулятора. Дифференциальный усилитель применен здесь для того чтобы минимизировать ток потребляемый от аккумулятора, когда система обесточена, также дифференциальный усилитель как ни странно упрощает трассировку платы в отношении топологии аналоговых и цифровых земель.

Элементы управления. Для управления платой в первую очередь предназначены коммуникационные интерфейсы, но предусмотрено также и непосредственное ручное управление и настройка. Для этого введен в схему ручной механический энкодер SW1 с двухцветной подсветкой и нажатием PEL12D-4225S-S2024.

Для отображения информации есть OLED дисплей ER-OLED015-2W. Монохромный, 128×64 точки, управляется по интерфейсу SPI. Немного усложненная схема

объясняется тем что дисплею для работы нужно повышенное напряжение 12 В. Ключ питания U34 здесь добавлен скорее для страховки ввиду неопределенности поведения в даташите на дисплей в случае пониженного уровня VCC.

Микроконтроллер MKE18F512VLL16 будет работать на частоте 120 МГц. Его внутренней RAM размером в 64 кБ должно хватить для операционной системы реального времени чтобы управлять несколькими автономными задачами: GUI, измерений, контроля, связи.

Что стоит помнить

Как и программное обеспечение такие схемы подвергаются постоянному рефакторингу – меняются названия сигналов, заменяются микросхемы на другие, меняются дискретные компоненты, исправляются грубые ошибки и т.д. Изменения происходят постоянно и даже на этапе эксплуатации изделия. Эта схема прошла уже 3-и итерации с очень существенными изменениями.

Самый страшный враг схемотехника промышленных изделий – желание экономить на компонентах, пытаться снизить себестоимость отказываясь от тех или иных защитных средств: супрессоров, гальвано-изоляции, разделения земель, лимитеров и т.д.

Пример: можно не ставить супрессор на входе к которому подключается внешний источник питания. Казалось бы логично, ведь источник питания и так имеет многочисленную защиту на своем выходе. Но на производстве нередко включенный источник подключают к не запитанной плате. При достаточно длинных проводах и мощном источнике на входе платы в момент непосредственно коммутации и сопровождающего ее дребезга возникают резонансные явления приводящие к перенапряжениям и выходу из строя полупроводниковых ключей на плате.
Отловить такой баг уже отдав устройство в эксплуатацию можно лишь по факту массового обращения недовольных потребителей.

Устройство автоматического включения резервного питания AVR-01-K

Назначение:

  Устройство управления AVR-01-K предназначено для построения схем АВР с двумя вводами питания, одной нагрузкой.

Принцип работы:

  Устройство управления AVR-01-K контролирует напряжение на двух вводах трехфазной сети переменного тока. Если напряжение в пределах нормы, нагрузка подключается к основному вводу с помощью внешнего коммутационного устройства (контактора, автоматического выключателя с моторным приводом и т .п.), которым управляет исполнительное реле AVR-01-K. При аварии нагрузка подключается к резервному вводу питания. При восстановлении питания на основном вводе нагрузка переключается на него. 
Питание AVR-01-K осуществляется от контролируемых вводов. 

Технические характеристики: 

Тип контролируемых линий

4-х проводная (3х400В+N)
Кол-во контролируемых вводов

2
Кол-во исполнительных реле

4
Макс. ток контактов реле

16А АС1
Макс. ток катушки контактора 3 А
Контакты 4х1Р (переключающих)
Порог напряжения
– нижний 150 В – 180 В
– верхний 240 В – 270 В
Время отключения
– для нижнего порога 5 В
– для верхнего порога 0,3 В
Допустимая асимметрия напряжения 70 В
Время откл. по асимметрии 5 сек.
Время переключения с основного на 
резервный ввод		 0,3 сек.
Время вкл. основного ввода при
восстановлении напряжения 		 5 сек – 10 мин.
Степень защиты  IP20
Диапазон рабочих температур от-25 до +50 С
Габариты 105 х 65 х 90 мм

Функциональные особенности

1. Контроль чередования фаз.

2. Формирование напряжения оперативного питания.
3. Контроль асимметрии.
4. Формирование сигнала запуска генератора.
5. Управление контакторами и моторными приводами.
6. Контроль положения контакторов (моторных приводов).
7. Наличие входов аварийного отключения нагрузки.
8. Возможность работы от внешнего источника питания.
9. Сохранение работоспособности в диапазоне напряжений от 24 до 264 В.
10.Совмещенная регулировка верхнего и нижнего порогов напряжения.

Панель управления 


 

* Индикация и установки резервного ввода аналогичны индикации и установкам основного ввода.

Схема работы:


Схема подключения винтовых зажимов:

A,B,C – фазы основного и резервного вводов питания.
N – объединенная нейтраль основного и резервного вводов питания.
K1-K4 – переключающие контакты управления силовыми аппаратами, коммутируемый ток 16А АС1.


U+ – напряжение +300В(Imax=25mA) для питания входов контроля состояния силовых аппаратов. Сохраняется при наличии питания только в одной из фаз, а также в течение 0,3 с при отключении питания на всех вводах.
+В, -В – входы для подключения внешнего напряжения питания 12-24В DС при работе в схемах с генератором.
С3 – вход подключения напряжения питания от источника бесперебойного питания или фазы С резервной линии генератора. При отсутствии напряжения в фазах вводов 1 и 2 это напряжение поддерживает АВР в рабочем режиме, и формирует напряжение +300В для питания входов контроля состояния силовых аппаратов.
KG – выход сигнала запуска генератора или сигнала “Авария”. При отсутствии напряжения на основном и резервном вводах выход KG соединен с -В (электрон-
ный ключ с выходным током 0,25А и максимальным напряжением 50В.)
Uo – напряжение оперативного питания от фазы С основного или резервного ввода для питания цепей управления и контроля состояния силовых аппаратов.

Uк – входы контроля состояния главных контактов силового аппарата. Когда он во включенном положении, на эти входы должно поступать напряжение +300В или 
переменное 230В. Если входы не подключены, контроля состояния главных контактов силового аппарата нет.
I> – входы контроля состояния аварийных цепей силового аппарата. При его аварийном состоянии (например, срабатывании расцепителя) на этот вход должно поступать напряжение +300В или переменное 230В. Входы могут использоваться для аварийного (противопожарного) отключения силового аппарата. Если входы не подключены, контроля состояния аварийных контактов силового аппарата нет. 

Схема подключения:


К1.1, К2.2 – дополнительные контакты контакторов К1, К2.
S1-S3 – выключатели аварийного отключения нагрузки.

К4 – реле с напряжением включения 12 или 24В ( РК-1Р или аналог).

Габаритые размеры

Резервный источник питания | Микросхема

Схема представленного ниже резервного источника питания может найти разнообразное применение в радиолюбительской практике. Несмотря на то, что рассчитан он на малую силу тока нагрузки, прибор может потребоваться в схемах цифровой электроники для поддержания их питания в аварийный момент отключения электричества. В качестве источника напряжения в критический период используются обычные гальванические элементы или аккумуляторы.

Схема резервного источника питания состоит из трансформатора с выходным напряжением 10 вольт и током не ниже 0,5 ампера, выпрямительного моста на четырех диодах 1N4002 и электролитического конденсатора номиналом 1000 мкФ x 16 В. Далее следует стабилитрон 8V2, который управляет транзистором BD139. Выходное напряжение устройства стабилизируется до +7,5 вольт. Батареи резервного источника питания в количестве пяти штук с общим напряжением 7,5 вольт подключены последовательно с диодом D7. Они готовы включиться в работу в случае прерывания основного источника питания. Падение напряжения на D7 уменьшит выходное напряжение от аккумуляторной батареи до 7 вольт. Резистор R3 резервного источника питания имеет специальную функцию подзарядки батареи.

Для получения фактического сопротивления R3 напряжение между аккумулятором и стабилитроном D6 делится на ток утечки, который может составлять порядка 0,7 мА.

Номиналы остальных радиоэлементов резервного источника питания следующие:
R1-2-3 = 1 кОм; С2 = 100 мкФ x 16 В; D7 = 1N4002.

Ну и ещё одна простая схемка резервного источника питания с применением реле.

Применение реле позволяет значительно повысить мощностные и силовые характеристики устройства.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: Безопасность, защита

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Импульсный источник питания
Двуполярный источник питания УМЗЧ

УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ

   Проект, который здесь показан, представляет собой резервную схему запитки какого-либо устройства с 6В питанием. Схему легко собирать и использовать как мини-UPS для устройств с батареечным питанием. Основа устройства – регулятор напряжения LM7806, который преобразует 12В входного напряжения в 6В выходного. А 12 вольтовая свинцово-кислотная аккумуляторная батаря любой ёмкости будет обеспечивать резервную подпитку, когда входное напряжение от сетевого БП отсутствует. Схема переключается на батарею мгновенно, благодаря чему основное электронное устройство не потребует перезапуска.

Схема резервного электропитания

   Выходной ток этой схемы подходит для обеспечения питания многих электронных устройств. Можно настроить выход на 5 вольт (поставив микросхему LM7805), тогда это будет источник напряжения для аппаратуры работающей от USB, например в автомобиле. При этом достаточно лишь удалить диод D1, а для микросхемы используйте подходящий для охлаждения радиатор.


Поделитесь полезными схемами
РАДИОЖУК

   Делаем небольшой ФМ передатчик для прослушки – радиожук. Сегодня представлю вашему вниманию конструкцию очень простого радиожука для повторения. Жучок не содержит дефицитные детали и может быть повторен даже начинающим радиолюбителем. Он имеет маленький размер и питается от литиевой таблетки с напряжением 3 вольт.

ЧАСЫ БЕГУЩАЯ СТРОКА

   Самодельные электронные часы с термометром и календарём на светодиодах, работающие по принципу бегущей строки. Собраны на основе микроконтроллера PIC18F2550.

ЭЛЕКТРОМЕТРОНОМ

   Очень часто на уроках физики при демонстрации опытов 
необходимо замерять время наблюдаемого явления. Можно использовать секундомер, но когда его нет под рукой приходится как-то выходить из положения. Для этого используют прибор, который называется метрономом. Самый распространенный метроном – механический, частоту которого можно изменять специальным ползунком, который прикреплен к маятнику, но в некоторых школах нет даже и таких метрономов.

ИНВЕРТОР 1000 ВАТТ

   Обзор преобразователя-инвертора на мощность 1000 ватт, предназначенного для создания 220 вольт из 12-ти вольтового аккумулятора от автомобиля.


Модуль резервного питания для Arduino

Приветствую! Сегодня речь пойдет о вот такой схеме позволяющий осуществить переход на резервный источник питания для Ардуино проектов, ну или каких то других проектов.

Суть работы схемы заключается в том, что положительное напряжение от основного источника питания, через резистор R1 поступает на затвор P-канального полевого транзистора и тот в свою очередь закрывается запирая резервный источник питания. В момент отключения основного источника питания отрицательное напряжение резервного источника питания через резистор R2 и R1 отпирает транзистор и ток с аккумулятора блокируемый диодом D1 устремляется на нагрузку.

В схеме использован P-канальный транзистор IRF9530N он сравнительно не дорог и его пороговое напряжение на затворе составляет -4V, что отлично вписывается в рамки пяти-вольтового питания ардуино проектов.

В качестве диода D1 крайне желательно использовать диод с барьером Шоттки, так как на нем значительно меньше падение напряжения. Я использовал в корпусе TO220 немного укоротив радиатор.

Резисторы обыкновенные выводные мощностью 0,25 ватт. Дополнительно в схему добавлен светодиод для индикации наличия основного питания.

Необходимо сказать, что не следует использовать емкие электролитические конденсаторы по входу питания от основного источника, так как в случае его отключения такой конденсатор будет разряжаться некоторое время и его напряжение будет понижаться постепенно, что приведет к ситуации когда оно станет недостаточным для работы микроконтроллера но все еще слишком большим для отпирания транзистора и резервный источник подключиться с задержкой.

Для нормальной работы микроконтроллеру на платформе Ардуино необходимо напряжение питания от 4,5V следовательно не желательно использовать в качестве резервного источника питания литиевый аккумулятор, так как его напряжение составляет максимум 4,2V, но можно совместить такой аккумулятор с повышающим dc-dc преобразователем, например таким (http://ali.pub/48zonj):

А если добавить в схему модуль для зарядки аккумулятора, например TP4056 почитать о котором можно здесь, то получиться полностью автономное устройство.

Резервирование электропитания в стойке

Всегда существует вероятность сбоя в электросети по причине техногенных или природных внешних факторов, поэтому вопрос о резервировании питания ответственного оборудования с целью повышения надежности системы является актуальным.  В зависимости от класса оборудования, его мощности, сферы применения, места установки реализация резервирования может быть различной. В данной статье предлагается рассмотреть экономичное решение по организации резервирования однофазного оборудования серверной стойки при использовании  ATS CyberPower.

Automatic Transfer Switch (ATS, или АВР – автоматический ввод резерва) можно отнести к передовым решениям по резервированию электропитания сетевых устройств, которые активно используются в ЦОДах, телекоммуникационных узлах, отраслевых решениях и т.п.

Как правило, способы резервирования регламентируются и могут применяться как в централизованной схеме  резервного электропитания, так и в распределенной. При централизованной схеме  ATS устанавливается на вводе предприятия или  ЦОДа и обеспечивает электропитанием весь комплекс устройств с  высокой суммарной мощностью и стоимостью. При распределенной схеме резервирования с применением однофазных источников бесперебойного питания  ATS устанавливается на уровне одного устройства, одной серверной стойки, мощность которых не превышает 5-7кВА.

Само резервирование и защита оборудования могут быть реализованы двумя способами:

  1. Подключение к АВР двух ИБП, один из которых назначается основным, второй – резервным. АВР отвечает в данной схеме за автоматическое переключение нагрузки между основным и резервным источником бесперебойного питания в случае перебоев сети, окончании заряда батарей или выхода основного источника из строя.
  2. ИБП и Сеть, где ИБП является основным питанием в случае перебоев, а сеть – резервный, дублирующий источник электроэнергии.

Благодаря компактным габаритам, возможности установки в 19-дюймовую стойку и локальному резервированию АВР (ATS) возможно  не только включать   в проектируемые объекты,  но и применять на уже эксплуатируемых.

Популярные модели АВР CyberPower

К наиболее популярным можно отнести две модели ATS CyberPower PDU20SWHVIEC10ATNET, PDU32SWHVIEC18ATNET. Первая из них занимает всего 1U стоечного пространства, рассчитана на показание нагрузки максимальным током 20А, имеет два разъема IEC 320 C20 для подключения входов питания и десять выходных разъемов для подключения защищаемого оборудования, где восемь разъемов IEC C13 и два разъема IEC C19. Эта модель рассчитана для работы с однофазным оборудованием, мощностью до 4кВА, что покрывает значительную часть потребностей заказчиков.

Вторая модель, PDU32SWHVIEC18ATNET, занимает в стойке 2U, но готова работать с более мощным однофазным оборудованием – до 32А.   Для подключения входов питания здесь предусмотрены два разъема типа IEC 60309 32A, выходных разъемов в общей сумме 18 штук, где шестнадцать из них типа IEC C13 и два IEC C19. Каждая розетка данного устройства имеет защиту от сверхтока.

В стандартную комплектацию обоих устройств входит жидкокристаллический (ЖК) дисплей, который дает возможность в ручном режиме настроить определенные параметры  конфигурации и обеспечивает быстрый доступ  к информации о состоянии сети, потребляемой нагрузке и т.п.

Оба устройства отличаются широкими возможностями удаленного управления и мониторинга на уровне каждой розетки. Можно удаленно включать или выключать оборудование, назначать последовательность и время задержки для каждого потребителя при выключении и затем подаче питания при проведении плановых работах, контролировать показатели напряжения, тока и т.п.

Энергоэффективность решения

Показатели и статистика параметров энергопотребления на уровне каждой розетки питания играют важную роль в работе по повышению энергоэффективности системы. Появляется возможность анализировать и оценивать энергоэффективность каждого сервера, системы хранения или другого оборудования. Также могут быть выявлены и проанализированы интервалы пиковой нагрузки. По факту проведенного анализа может быть разработана система мер, приводящая к улучшению общих показателей энергоэффективности за счет виртуализации каких-то процессов, перераспределение каких-то работ во времени с целью максимального использования времени более дешевого тарифа на электроэнергию т.п.

Когда появляется возможность измерить, собрать полноценную статистику, появляется возможность проанализировать результат и оптимизировать работу, снизить энергозатраты и в этом ATS CyberPower является надежным помощником.

Бесперебойное питание и защита

Обеспечение резервирования питания для однофазного оборудования, расположенного в стойке, как уже отмечалось, является одним из главенствующих преимуществ применения АВР.

Каждая из представленных моделей имеет два входа питания – основной и резервный. Задача АВР достаточно проста: обнаружить исчезновение напряжения на основном входе и переключить работу на резервный вход. Например, если приоритетный источник питания исчерпал свое время автономии или  полностью израсходован заряд аккумуляторов основного ИБП, АВР автоматически переключается на второй ИБП или на дублирующий источник (генератор, сеть), не прерывая работы системы. Как только восстанавливается работоспособность или подача напряжения на основном вводе, АВР переключает работу обратно на него.

Время переключения на резервный источник и время возврата на основной источник при восстановлении питания является важным показателем и должно быть минимальным. Длительный перерыв в электропитании зачастую может привести к необратимым последствиям.

Согласно кривым, разработанным ассоциацией СВЕМА (Computer and Business Equipment Manufacturers Association) (ссылка), электронные схемы блоков питания должны сохранять работоспособность в течение 20 мс.

Модели ATS CyberPower обладают высокой скоростью переключения  (8-12 мс. ) с одного источника на другой, что гарантирует бесперебойность работы системы  в целом. 

Удаленное управление и мониторинг

Устройства включают в себя карту удаленного управления (SNMP), что позволяет осуществлять мониторинг основных параметров в режиме реального времени, а также настроить и получать автоматические уведомления при отклонении этих параметров от установленного значения.  В качестве программного обеспечения управления электропитанием предлагается использовать фирменный продукт – PowerPanel® Business Edition. ПО не имеет ограничения по числу пользователей, их количество ограничено только мощностью рабочего сервера, поэтому несколькими АВР можно управлять через одну консоль.

Рис.4. Два АВР подключены к разным компьютерам, и через интернет-браузер информация от них поступает в главный компьютер.

Каковы преимущества стоечного АВР от CyberPower?

  1. Надежное резервирования питания по системе 2N в стойке с однофазным оборудованием.
  2. Экономичный способ подачи питания от ИБП или от сети к нескольким устройствам.
  3. Альтернатива установке более дорогого оборудования большей мощности.
  4. Компактное размещение (1U/2U в стойке).
  5. Настраиваемые пороги входного напряжения (обеспечивает широкие возможности управления и контроля вместо непосредственного отключения питания).
  6. Удаленное управление и полнофункциональный мониторинг в режиме реального времени.
  7. Оптимизация энергозатрат.
  8. Сертифицирован на совместимость с оборудованием Cisco.

 

Выводы

В современной среде любой организации, любого предприятия очень важную роль играют ИТ-процессы, на них возлагается все больше и больше задач. От устойчивости работы оборудования зачастую зависит непрерывность бизнес-процессов. Простои и перебои в работе могут обходиться очень дорого. На этом фоне забота о резервировании питания выглядит совсем не праздным вопросом и если при установке трехфазных систем действуют свои законы и свои решения, то по обеспечению резервирования в стойке с однофазным оборудованием роль АВР сложно переоценить.

Второй важной составляющей, безусловно, является возможность измерить и проанализировать потребление электроэнергии каждого потребителя существующей системы. Расходы на электроэнергию долгое время в нашей стране не считались существенной составляющей, но это время прошло. Электроэнергия дорожает, мощности используемого оборудования растут и зачастую расходы на электроэнергию составляют половину стоимости владения оборудованием. Возможность измерения показателей, ведение журнала данных позволяет эффективно вести работы по оптимизации энергопотребления.

На этом фоне, учитывая совокупность всех возможностей АВР, можно рассчитывать на весьма быстрый возврат инвестиций при использовании этих устройств в решениях.

 

 

 

 

Приборы и средства промышленной автоматизации


DRU / DRR / DRB – Модули резервного питания

DRU – Модуль бесперебойного питания раздельного типа
DRR – Модули резервного питания
DRB – Буферные модули для компенсации провалов напряжения

DRU – Модуль бесперебойного питания раздельного типа
(батареи приобретаются отдельно)

DRU-24V40ABN
DRU-24V10ACZ
  • Легкий и не подверженный коррозии алюминиевый корпус
  • Метод зарядки АКБ: постоянный ток 2 А (для зарядки АКБ 15 АЧ потребуется примерно 3,5 часа)
  • Пластиковый корпус
  • Метод зарядки АКБ: постоянный ток 0. 5 А (для зарядки АКБ 12 АЧ потребуется 25-35 часов)
  • Подходит для схем 24В (до 40A)
  • Встроенная диагностика контактов шины постоянного тока, разрядки и ошибки батарей
  • Светодиодная и релейная индикация: полная зарядка АКБ, зарядка АКБ, разрядка АКБ, отсутствие АКБ, переполюсовка на входе или со стороны АКБ, контакт DC OK
  • Среднее время безотказной работы более 500,000 часов (в соответствии с Telcordia SR-332)
  • Широкий диапазон рабочей температуры от -20°C до +60°C
  • Имеет покрытие печатных плат, обеспечивающее защиту от пыли и химических загрязнителей

Модуль DRU предназначен для сохранения работоспособности системы управления при отключении основного питания в течение времени, определяющегося ёмкостью внешних аккумуляторов.

За счёт использования внешних аккумуляторов данный вариант ИБП существенно дешевле, чем интегрированные промышленные ИБП (со встроенными аккумуляторами).

Допускается использование аккумуляторов как на 24 VDC, так и 2-х соединённых последовательно аккумуляторов на 12 VDC. Тип аккумулятора: запаянный свинцово-кислотный АКБ. Максимальная рекомендованная ёмкость: DRU-24V40ABN: 15 АЧ, DRU-24V10ACZ: 12 АЧ.

DRU-24V40ABN

Максимальный ток разрядки, обеспечиваемый модулем DRU-24V40ABN, составляет 40 Ампер. Ниже приводится таблица времени поддержки питания 24 VDC при различных токах и ёмкости аккумулятора (напряжение на батареи постепенно снижается до 23 VDC, после чего DRU-24V40ABN отключает батарею):


Выходной ток Время буфферизации
7.5AH 12AH 15AH
2.5A 6,500 сек 14,500 сек 19,000 сек
5A 3,000 сек 7,000 сек 9,000 сек
10A 1,200 сек 2,400 сек 3,200 сек
20A 400 сек 1,100 сек 1,500 сек
30A 120 сек 450 сек 600 сек
40A 25 сек 200 сек 280 сек

Модуль DRU-24V40ABN применяется совместно со вторичными источниками питания серии DRP на 24-28 VDC. Типовая схема включения приводится ниже:


Внимание!

Для корректной работы схемы и нормальной зарядки аккумулятора напряжение на источнике питания DRP нужно поднять до 28 VDC. Следовательно, нагрузка должна быть в состоянии длительно работать от напряжения питания 28 VDC.


DRR – Модули резервного питания
  • Косвенная адресация сигналов реле
  • Встроенная диагностика двух шин постоянного тока с индикаторами и сигнальным выходом
  • Имеет покрытие печатных плат, обеспечивающее защиту от пыли и химических загрязнителей
  • Созданы в соответствии с жесткими требованиями промышленных условий эксплуатации для работы на потенциально опасных производствах (Class I Div. 2)
  • Простота подключения клемм
  • Широкий диапазон входного/выходного напряжения: 22-60 В пост. тока
  • Легкий и не подверженный коррозии алюминиевый корпус, даже при наличии глубоких царапин

Модуль DRR предназначен для параллельного включения двух вторичных источников питания на одну нагрузку. Типовая схема включения приводится ниже:


В зависимости от соотношения напряжений питания источников возможны два режима работы модуля. Первый режим, когда напряжение на одном источнике больше, чем на втором. Тогда первый источник берёт на себя всю нагрузку, а второй находится в резерве. Если первый источник выходит из строя, то тогда нагрузку берёт на себя второй источник питания.

Второй режим, когда оба источника питания имеют одинаковое напряжение. Тогда нагрузка распределяется равномерно между обоими источниками питания.

Следовательно, оба источника должны иметь регулировку выходного напряжения.


DRB – Буферные модули для компенсации провалов напряжения

DRB-24V040ABN
DRB-24V020ABA
  • Минимальное время буферизации 200мс @ 24В/40A
  • Адаптивные режимы буферизации напряжения:
    • Фиксированный режим при 22В пост. тока
    • Динамический режим для входного напряжения -1В
  • Среднее время безотказной работы более 500,000 часов (в соответствии с Telcordia SR-332)
  • Минимальное время буферизации 250мс @ 24В/20A
  • Время зарядки
  • Созданы в соответствии с жесткими требованиями промышленных условий эксплуатации для работы на потенциально опасных производствах (Class I Div. 2)
  • Среднее время безотказной работы более 800,000 часов (в соответствии с Telcordia SR-332)
  • Гальваническая развязка
    Вход и выход на землю: 1.5КВ ac
    Управляющий сигнал на землю: 1.5КВ ac
  • Возможно паралельное подключение нескольких модулей для увеличения времени буферизации
  • Легкий и не подверженный коррозии алюминиевый корпус
  • Имеет покрытие печатных плат, обеспечивающее защиту от пыли и химических загрязнителей
  • IP20
  • Надежная внутренняя защита от перенапряжения, перегрузки и перегрева
  • Соответствует международным стандартам безопасности

Модуль DRB представляет собой конденсаторную батарею со схемой управления и защиты, который предназначен для компенсации кратковременных провалов напряжения («морганий») в цепях 24 VDC.

Наиболее типовая схема подключения приведена ниже:


Создайте свой собственный источник питания с резервным аккумулятором

Научитесь создавать резервный аккумуляторный блок питания для небольшой электроники, чтобы у вас никогда не кончился заряд.

Есть много электроники, которая должна быть постоянно включена. Будильники – хороший тому пример. Если ночью отключится электричество, а будильник не сработает, вы можете пропустить очень важную встречу. Самым простым решением этой проблемы является система резервного питания от батареи.Таким образом, если мощность сети упадет ниже определенного порога, батареи автоматически возьмут на себя управление и будут поддерживать все в рабочем состоянии до тех пор, пока сетевое питание не будет восстановлено.

Материалы:

Источник питания постоянного тока

Аккумуляторы

Аккумулятор

Регулятор напряжения (опция)

Резистор 1 кОм

2 диода (рассчитаны на больший ток, чем у источника питания)

Штекерный разъем постоянного тока

Гнездовой разъем постоянного тока

Схема

Существует много различных типов систем резервного питания от батарей, и тип, который вы используете, во многом зависит от того, что вы запитываете. Для этого проекта я разработал простую схему, которую вы можете использовать для питания маломощной электроники, работающей от 12 вольт или меньше.

Во-первых, вам нужен блок питания постоянного тока. Они очень распространены и бывают разных номиналов напряжения и тока. Блок питания подключается к цепи с помощью разъема питания постоянного тока. Затем он подключается к блокирующему диоду. Блокирующий диод предотвращает обратную подачу электричества из системы резервного аккумулятора в источник питания. Далее подключается аккумуляторная батарея с помощью резистора и еще одного диода.Резистор позволяет батарее медленно заряжаться от источника питания, а диод обеспечивает путь с низким сопротивлением между батареей и цепью, чтобы он мог питать цепь, если напряжение источника питания когда-либо упадет слишком низко. Если схема, которую вы управляете, требует стабилизированного источника питания, вы можете просто добавить на конец стабилизатор напряжения.

Если вы запитываете Arduino или аналогичный микроконтроллер, вы должны иметь в виду, что вывод Vin и разъем питания постоянного тока уже подключены к внутреннему регулятору напряжения. Таким образом, вы можете подключить любое напряжение от 7 до 12 В напрямую к выводу Vin.

Выберите номинал резистора

Необходимо тщательно выбирать номинал резистора, чтобы аккумулятор не перезарядился. Чтобы выяснить, какой резистор вам следует использовать, вам сначала нужно подумать о своем источнике питания. Когда вы работаете с нерегулируемым источником питания, выходное напряжение не фиксируется. Когда цепь, которую он питает, выключается или отключается, напряжение на выходных клеммах повышается.Это напряжение холостого хода может быть на 50% выше, чем напряжение, указанное на этикетке на корпусе источника питания. Чтобы это проверить, возьмите мультиметр и измерьте напряжение на выходных клеммах блока питания, когда никакая другая цепь не подключена. Это будет максимальное напряжение блока питания.

NiMH аккумулятор можно безопасно заряжать со скоростью C / 10 или одной десятой его емкости в час. Однако, когда аккумулятор полностью заряжен, продолжение подачи такого количества тока может быстро его повредить. Если аккумулятор должен непрерывно заряжаться в течение неопределенного периода времени (например, в системе резервного питания от аккумулятора), то скорость заряда должна быть очень низкой. В идеале вы хотите, чтобы ток заряда был C / 300 или меньше.

В моем случае я использую батарейный блок, сделанный из никель-металлгидридных батарей AA емкостью 2500 мАч. На всякий случай я хочу, чтобы ток заряда был 8 мА или меньше. Учитывая это, вы можете рассчитать, какой номинал резистора должен быть.

Чтобы рассчитать необходимое значение вашего резистора, начните с напряжения холостого хода источника питания, затем вычтите напряжение полностью заряженной аккумуляторной батареи.Это дает вам напряжение на резисторе. Чтобы найти сопротивление, разделите разницу напряжений на максимальный ток. В моем случае источник питания имел напряжение холостого хода 9 В, а напряжение аккумуляторной батареи было около 6 В. Это дало разность напряжений 3 В. Разделив эти 3 вольта на ток в 0,008 ампер, мы получим сопротивление 375 Ом. Значит, ваш резистор должен быть не менее 375 Ом. Для большей безопасности я использовал резистор на 1 кОм. Однако имейте в виду, что использование большего резистора значительно замедлит зарядку.Это не проблема, если система резервного питания используется очень редко.

Использование резервного источника питания от батареи

Используя схему резервного аккумулятора, которую я разработал, вы можете подключить источник питания к гнезду питания постоянного тока. Он подключен к цепи резервного аккумулятора. Затем на выходе схемы резервного аккумулятора имеется штекерный разъем питания постоянного тока, который можно подключить к электронному устройству, которое вы хотите запитать. Эта простая конструкция плагина означает, что вам не нужно модифицировать ни блок питания, ни устройство.

Попробуйте сами! Получите спецификацию.

Цепь резервного питания

Supercap обеспечивает надежное бесперебойное питание

Временное резервное питание является общим требованием для широкого спектра приложений, когда основной источник питания внезапно становится недоступным. Примеры включают приложения для резервного копирования данных, начиная от серверов и заканчивая твердотельными накопителями, сигнализацию сбоя питания в промышленных или медицинских приложениях, а также множество других функций «предсмертного вздоха», в которых необходимо обеспечить упорядоченное отключение питания и сообщить о состоянии системы на активный хост.В прошлом в этих типах систем высокой надежности использовались батареи для обеспечения бесперебойного источника питания всякий раз, когда основной источник питания был недостаточным или недоступным. Однако резервное копирование батареи сопровождается множеством компромиссов, в том числе длительным временем зарядки, ограниченным сроком службы и сроком службы батареи, проблемами безопасности и надежности, а также большими физическими размерами. С появлением дорогостоящих конденсаторов с двойным электрическим слоем, более известных как суперконденсаторы, могут использоваться альтернативные резервные архитектуры, которые устраняют многие из этих компромиссов.

Системы, использующие батареи для резервного питания, требуют, чтобы полностью заряженная батарея была доступна в любое время с подходящей емкостью для поддержания работоспособности энергозависимой памяти или подачи сигналов тревоги до восстановления питания. Как правило, системы, использующие резервную батарею, переходят в состояние ожидания с низким энергопотреблением при отключении основного питания, и остаются под напряжением только критическая энергозависимая память или секции аварийной сигнализации. Поскольку продолжительность сбоя питания невозможно предсказать, для таких систем требуются батареи увеличенного размера, чтобы избежать потери данных при длительном отключении питания.

В системах резервного копирования на основе конденсаторов используется другая методология. В отличие от систем на основе батарей, которые обеспечивают непрерывное питание в течение всего времени резервного питания, системам на основе конденсаторов требуется только кратковременное резервное питание для передачи энергозависимых данных во флеш-память или обеспечения срабатывания сигнализации «умирающий вздох» в течение минимально необходимого времени. После того, как необходимые данные были сохранены и аварийные сигналы сбоя питания были правильно поданы, время восстановления питания не имеет значения.

У этого подхода есть несколько преимуществ.Во-первых, можно полностью избежать многочисленных компромиссов, связанных с батареями. Также больше нет необходимости увеличивать размеры элементов аккумулирования энергии для наихудшего времени резервного копирования. Хотя требования к резервному питанию конденсаторной системы обычно намного выше, чем у аккумуляторной системы, требования к резервной энергии обычно намного ниже. Поскольку в стоимости и размере резервного решения обычно преобладает элемент хранения, конденсаторные решения часто меньше и дешевле.С появлением небольших относительно недорогих суперконденсаторов, способных накапливать множество джоулей энергии, количество приложений резервного копирования, которые могут быть удовлетворены с помощью конденсаторов вместо батарей, значительно выросло.

Все системы резервного копирования на основе конденсаторов имеют много общих элементов. Управление Power Path ™ и обнаружение сбоев питания необходимы для подачи питания на нагрузку от надлежащего источника и для предупреждения системы при переходе из нормального режима работы в режим резервного питания.Накопительный конденсатор необходимо зарядить, и в идеале это должно быть сделано быстро и эффективно. Поскольку надлежащее резервное копирование невозможно, если на резервном конденсаторе не сохранено достаточное количество Джоулей, для многих приложений требуется, чтобы зарядка завершалась к моменту загрузки системы и готовности к работе. Следовательно, обычно желательны высокие зарядные токи, и поскольку суперконденсаторы обычно имеют максимальное рабочее напряжение 2,7 В, часто и часто необходимо, чтобы несколько конденсаторов были соединены последовательно.В таких случаях необходимо предусмотреть балансировку и защиту конденсаторов во время их зарядки, чтобы предотвратить повреждение и сокращение срока службы из-за перенапряжения.

На рис. 1 показана упрощенная схема LTC3350, ИС конденсаторного зарядного устройства и резервного контроллера, разработанная специально для приложений резервного копирования конденсаторов. LTC3350 включает в себя все функции, необходимые для обеспечения полного автономного резервного контроллера для приложений, требующих резервного копирования на основе конденсаторов. Устройство может заряжать, балансировать и защищать до четырех последовательно соединенных конденсаторов.Порог пропадания входного питания, напряжение заряда конденсатора и регулируемое минимальное резервное напряжение – все это можно запрограммировать с помощью внешних резисторов. Кроме того, устройство содержит очень точный 14-разрядный внутренний измерительный АЦП, который контролирует входное, выходное напряжение и ток конденсатора. Внутренняя система измерения также контролирует параметры, связанные с самими резервными конденсаторами, включая напряжение конденсаторной батареи, емкость и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Все параметры системы и статус неисправности могут быть считаны по двухпроводной шине I 2 C, а уровни аварийной сигнализации могут быть установлены для предупреждения системы о внезапном изменении любого из этих измеренных параметров.

Рисунок 1. Контроллер заряда и резервного копирования сильноточного суперконденсатора

Зарядка суперконденсатора аналогична зарядке аккумулятора, за исключением нескольких ключевых моментов. Во-первых, полностью разряженный конденсатор можно заряжать полным током в течение всего цикла зарядки, тогда как аккумулятор необходимо заряжать непрерывным током, пока аккумулятор не достигнет заданного минимального напряжения. Во-вторых, для конденсаторов не требуется таймер завершения. Как только будет достигнуто окончательное «плавающее» напряжение, конденсатор не сможет накапливать дополнительный заряд, и зарядка должна прекратиться.Если две или более суперконденсаторов заряжаются последовательно, любое несоответствие емкости от ячейки к ячейке приведет к разной скорости увеличения напряжения на каждом конденсаторе по мере заряда батареи. Необходимы дополнительные меры безопасности, чтобы гарантировать, что ни один из конденсаторов не превышает максимальное номинальное напряжение во время цикла зарядки. Кроме того, должна использоваться система балансировки, чтобы гарантировать, что после того, как батарея будет заряжена, все элементы будут иметь одинаковое напряжение и не будут дрейфовать друг от друга с течением времени из-за различий саморазряда.Такая балансировка между ячейками обеспечивает максимальный срок службы конденсатора.

Схема зарядки LTC3350 состоит из сильноточного синхронного понижающего контроллера с резистором, программируемым максимальным током заряда и максимальным напряжением батареи (рис. 2). Поскольку зарядное устройство питается от того же источника, который питает нагрузку, LTC3350 также имеет отдельный программируемый предел входного тока, который автоматически снижает ток заряда конденсаторов в условиях высокой нагрузки V OUT .Внутренние слаботочные балансировщики (не показаны на рисунке 2) заставляют все ячейки смещаться друг от друга в пределах 10 мВ до максимального напряжения 5 В на ячейку. Внутренние защитные шунты (также не показаны) автоматически уменьшают зарядный ток и шунтируют оставшийся зарядный ток вокруг любого конденсатора, который достиг значения по умолчанию 2,7 В или максимального напряжения элемента, запрограммированного пользователем. Кроме того, напряжение заряда батареи может быть уменьшено под управлением программного обеспечения, чтобы оптимизировать срок службы конденсатора для заданной потребности в резервной энергии.Подробнее по этой теме читайте ниже.

Рис. 2. Контроллер заряда и резервного копирования сильноточного суперконденсатора

После того, как батарея резервных конденсаторов заряжена, система теперь может обеспечивать резервное питание. Режим зарядки и резервный режим определяются напряжением на выводе PFI (Power Fail Input). Если напряжение V IN падает так, что на компараторе PFI возникает низкий уровень, компонент немедленно переходит в резервный режим (см. Рисунок 3). V OUT будет падать при падении V IN , и как только напряжение V OUT упадет ниже напряжения конденсаторной батареи, идеальный диод OUTFET станет проводящим, чтобы предотвратить дальнейшее падение V OUT .Как только V OUT падает до напряжения, запрограммированного резисторным делителем на выводе OUTFB, зарядное устройство конденсатора работает в противоположном направлении как синхронный повышающий резервный преобразователь постоянного тока в постоянный, используя стек VCAP в качестве входного источника и V OUT как его регулируемый выход. Повышающий резервный преобразователь будет продолжать работать до тех пор, пока он не перестанет поддерживать условия нагрузки V OUT , и напряжение на V OUT не упадет ниже точки UVLO 4,5 В. Это позволяет передавать практически всю полезную энергию в стеке суперконденсаторов на нагрузку во время резервного копирования, поскольку повышение будет продолжаться, когда напряжение в стеке будет значительно ниже 4.5В. Типичный сценарий резервного копирования также показан на рисунке 3. В этом примере пакет из четырех последовательных конденсаторов заряжается до 10 В, а в режиме резервного копирования напряжение V OUT регулируется минимум до 8 В до тех пор, пока вся энергия не будет исчерпана из резервных конденсаторов. .

Рисунок 3. Работа тракта питания в резервном режиме

В системах высокой надежности, требующих кратковременного резервного питания, должна храниться и доступна соответствующая энергия для выполнения критических функций сразу после сбоя основного питания. Важно, чтобы резервный источник энергии мог обеспечивать необходимое резервное питание. Суперконденсаторы – отличный выбор для таких приложений из-за их чрезвычайно высокой емкости на единицу объема и очень низкого ESR. Однако их производительность, как и у батарей, со временем ухудшается. Срок службы конденсатора обычно (и несколько условно) определяется как время, необходимое для того, чтобы емкость упала на 30% и / или ESR увеличилась на 100%. Как показано на рисунке 4, деградация конденсатора ускоряется либо высокими рабочими напряжениями, либо повышенными температурами.Поскольку как емкость, так и ESR конденсатора имеют решающее значение для обеспечения надежного резервного копирования системы, важно, чтобы система могла контролировать и сообщать о «исправности» резервных конденсаторов по мере их старения.

Рисунок 4. Типичный срок службы суперконденсатора в зависимости от температуры и напряжения

LTC3350 автоматически контролирует как емкость стека, так и ESR стека с временной частотой, выбранной пользователем после полной зарядки конденсаторной батареи. Деталь использует прецизионный источник тока, прецизионную схему синхронизации и внутренний 14-битный АЦП для точного контроля емкости стека.Точный запрограммированный ток снимается с верхней части конденсаторной батареи, в то время как зарядное устройство принудительно выключается. Время, необходимое для того, чтобы конденсаторная батарея упала на 200 мВ, точно измеряется, и на основе этих параметров рассчитывается емкость батареи. После завершения теста емкости выполняется тест ESR путем измерения напряжения батареи при включенном и выключенном сильноточном зарядном устройстве для перезарядки батареи. Использование зарядного устройства для выполнения этого теста устраняет необходимость во внешней испытательной нагрузке высокой мощности.Мгновенное увеличение напряжения батареи после включения зарядного устройства соответствует измеренному току заряда * ESR батареи. Самые последние значения емкости и ESR конденсатора могут быть считаны в любое время по I 2 C.

Как только емкость стека и значения ESR известны, несложно вычислить минимальное напряжение стека, необходимое для обеспечения надежного резервного копирования для данного приложения. Поскольку большинство систем резервного копирования спроектированы со встроенным запасом, часто бывает безопасно снизить напряжение батареи от его номинального значения, тем самым увеличивая срок службы конденсаторов.Это легко сделать с помощью программного управления напряжением ЦАП с обратной связью LTC3350 VCAP.

Сочетание очень высокой емкости и очень низкого ESR позволило суперконденсаторам предоставить новые методы решения общих проблем, например, решения для резервного питания. Однако большие скачки в производительности редко обходятся без компромиссов. Для эффективного использования суперкапсов часто требуются последовательно соединенные элементы, которые, в свою очередь, требуют схем защиты и балансировки. Хотя срок службы и срок службы суперконденсатора в целом может намного превышать срок службы конкурирующих аккумуляторных технологий, небольшие изменения напряжения на конденсаторе и температуры могут со временем привести к резким изменениям в возможностях системы. По этой причине мониторинг «работоспособности» часто является необходимой функцией в любой резервной системе на основе конденсаторов. Новые продукты, такие как LTC3350, нацелены на решение подобных проблем, которые относятся конкретно к приложениям резервного копирования суперконденсаторов, и предоставляют самые простые возможные средства для разработки надежного, гибкого и высокопроизводительного решения для резервного копирования.

Блок питания с резервным аккумулятором 12 В

В этом уроке мы делаем схему резервного источника питания 12 В от батареи.Эта схема автоматически переключает нагрузку на аккумулятор при отсутствии сетевого питания. Когда сетевое питание восстановится, нагрузка переключится на сетевое питание, и аккумулятор автоматически перейдет в режим зарядки.

Аппаратные компоненты

50 9015 9014 9015 9015 100 нФ
S.no Компонент Значение Количество
1 Понижающий трансформатор 110 В или 230 В переменного тока на 12 В / 1 мА 1
2 Мостик 1N4007 4
3 Аккумулятор 12 В 7. 2AH 1
4 Диод 1N4007, 1N4148 2, 2
5 Стабилитрон 9,1V14 9014 9014 1 2N4403 1, 1
7 IC LM812 1
8 Переключатель – 1 9014 9015
10 LED Зеленый 1
11 Резистор 1 кОм, 10 кОм, 470RОм 3, 1, 1
12
12 1, 1, 1
Схема

Принципиальная схема

Рабочее пояснение

Эта схема состоит из трех частей, первая часть обеспечивает питание всей цепи.Вторая часть – это автоматическое зарядное устройство, поэтому, когда батарея полностью зарядится, эта схема автоматически прекратит ее зарядку. Зеленый светодиод используется для индикации полностью заряженного аккумулятора. Третья часть – это стабилизатор напряжения, который с помощью микросхемы LM812 и сглаживающих конденсаторов выдает фиксированное и чистое напряжение 12 В.

Выходной ток составляет 1 А, и эту схему можно использовать для устройств, которым требуется ток менее 1 А. Мы используем батарею SLA на 7,2 Ач, но вы можете использовать 10 или 12 Ач для более длительного резервного копирования.Вы также можете использовать батарею SLA на 20 или 25 Ач, и ее заряд займет больше времени по сравнению с другими. Вы можете модифицировать эту схему для увеличения выходного тока, используя высокоамперный трансформатор с подходящими диодами в диодном мосте. А также использование транзистора с ИС для усиления выходного тока. Таким образом, схема будет заряжать аккумулятор с более высоким током быстрее.

Регулировка цепи

Первоначально эта схема требует некоторых настроек.

  • Подключите регулируемый источник питания.
  • Установите напряжение регулируемого источника питания на 14,4 В. Снимите аккумулятор и трансформатор и подключите источник питания вместо аккумулятора.
  • Отрегулируйте переменный резистор 10 кОм, пока не загорится светодиод.
  • Подключите аккумулятор и трансформатор обратно на место и снимите регулируемый источник питания.
  • Теперь ваша схема перейдет в режим зарядки. Посмотрите, загорается ли светодиод, когда напряжение аккумулятора достигает 14,4 В во время зарядки. Проверить напряжение мультиметром.Если нет, отрегулируйте переменный резистор, пока не загорится светодиод.
  • Теперь ваша схема готова к использованию.

Автоматическая резервная цепь с питанием от аккумулятора

Gadgetronicx> Электроника> Принципиальные и электрические схемы> Силовые схемы> Автоматическая резервная цепь с батарейным питанием