Источник бесперебойного питания низковольтной аппаратуры, Нужна критика Опции

[haker_fox]

Здравствуйте!
Мне необходимо организовать бесперебойное питание аппаратуры на +5, +12 В.
Предполагаю выполнить бесперебойник на базе блока питания AT(X) и свинцово-кислотной АКБ.

Предлагаю на Ваш суд структурную схему.
Кратко поясняю принцип работы конструкции. Если напряжение в сети присутствует, то нагрузка питается от блока питания AT(X). Как только сетевое напряжение пропадает, схема управления (Control Circuit) опеределяет это событие, и переключив полевые транзисторы, "перекидывает" нагрузку на батарею. При этом +5В получаем импульсным преобразователем (mc34063), 12 В - непосредственно от батарии (стабилизация не обязательна). Батарею заряжаем управляемым step up преобразователем.
Почему полевые транзисторы, а не реле? Чтобы время коммутации было минимальным. Для компенсации "провалов" напряжения, во время коммутации, непосредственно у клемм подключения нагрузки можно предусмотреть конденсаторы.

По поводу мощности:
1. При питании от сети:
1.1. +5V 3 - 5A.
1.2. +12V 3 - 5A.

2. При питании от АКБ:
2.1. +5V < 1 - 2 A.
2.2. +12V 0,5A (редко до 2А, но кратковременно).


Ну вот пока и все.
Прошу критики. Если не сообщил необходимой информации - сообщу!
Спасибо!!!

Прикрепленные файлы

 Visio_Structure.pdf ( 20.68 килобайт ) Кол-во скачиваний: 139

 

[haker_fox]

Пришел к выводу, что полевые транзисторы можно исключить. А источники питания со стороны аккумулятора и компьютерного БП соеденить через диоды Шоттки (монтажное ИЛИ). Тогда управление транзисторами не понадобится. Вместо этого можно поставить ключ на подключение аккумулятора к преобразователю +5V и выходу +12V и замыкать его во время отсутствия сетевого напряжения.

[Microwatt]

И как Вы намерены схему контроля сети построить? По каким признакам говорить: "сеть пропала, пора переключаться"?

[haker_fox]

И как Вы намерены схему контроля сети построить? По каким признакам говорить: "сеть пропала, пора переключаться"?

Измерять среднеквадратическое напряжение. Если оно упало ниже заданного порога (например ниже 170 В), то переключаемся на АКБ.

[Microwatt]

Измерять среднеквадратическое напряжение. Если оно упало ниже заданного порога (например ниже 170 В), то переключаемся на АКБ.

Вы это на практике уже проверили? Боюсь, когда среднеквадратичный управляющий блок вычислит это, переключаться будет уже поздно, нагрузка будет обесточена. Или 10-40мс перебой в питании Вам не критичен?

[haker_fox]

Вы это на практике уже проверили? Боюсь, когда среднеквадратичный управляющий блок вычислит это, переключаться будет уже поздно, нагрузка будет обесточена. Или 10-40мс перебой в питании Вам не критичен?

Можно поставить делитель, завести его на компаратор. Выставить опорное напряжение для компаратора. Выход компаратора через оптопару завести в блок.

[yakub_EZ]

Не вижу здесь смысла в автоматике. Объединить диодным "или" и будет работать. Если правильно настроить выходные напряжения, то батарейный преобразователь 12->5 в рабочем режиме будет работать на ХХ в горячем резерве.
По-моему, DC-DC с выходом на 13,8 вольт выгоднее делать не c 5 вольт, а с канала 12 вольт.

[Microwatt]

Можно поставить делитель, завести его на компаратор. Выставить опорное напряжение для компаратора. Выход компаратора через оптопару завести в блок.

Делитель чего? Входного 220? или выпрямленного, на балкере?
Не боитесь, что компаратор будет хлопать с частотой 100Гц по провалам меж полусинусами на конденсаторе?

[haker_fox]

Если правильно настроить выходные напряжения, то батарейный преобразователь 12->5 в рабочем режиме будет работать на ХХ в горячем резерве.

Под правильной настройкой Вы подразумеваете равенство напряжений на выходе AT(X) и преобразователя?

По-моему, DC-DC с выходом на 13,8 вольт выгоднее делать не c 5 вольт, а с канала 12 вольт.

А можно сделать DC-DC на такую малую ступень (1,8 В)? Еще я боюсь, что для зарядки может потребоваться напряжение ниже 12 В (когда батарея разряжена), тогда step up не поможет.

Делитель чего? Входного 220? или выпрямленного, на балкере?
Не боитесь, что компаратор будет хлопать с частотой 100Гц по провалам меж полусинусами на конденсаторе?

Да, проблема сложнее, чем казалась.
Надо подумать...

[Plain]

Чтобы диодный "ИЛИ" работал, надо поднимать основные 12 вольт, чтобы они были выше напряжения АКБ, например до 16 В.

Тогда и зарядник проще поставить линейный, любой готовый.

А ещё, не мешало бы давно забыть как страшный сон всякие там хх063 с гистерезисной ОС, и использовать что-нибудь поприличнее — хотя бы LM3478, что ли.

И главное — сделать отключение (UVLO) всего ИБП (подпилить сук), когда АКБ сдохнет — чтобы её не убить.

[haker_fox]

Чтобы диодный "ИЛИ" работал, надо поднимать основные 12 вольт, чтобы они были выше напряжения АКБ, например до 16 В.

Хочется использовать именно компьютерный блок питания. Да, если использовать диодное "ИЛИ", то нельзя исключать ситуацию, что из за более высокого напряжения на АКБ, она будет питать нагрузку.
Все-таки придется MOSFET использовать для коммутации напряжений. Для компенсации провалов напряжения перед нагрузкой поставить электролиты.

[Plain]

придется MOSFET использовать для коммутации напряжений. Для компенсации провалов напряжения перед нагрузкой поставить электролиты.

Вы слабо представляете себе задачу. Например, я пару лет назад делал нечто на эту тему, так в конце концов там оказалось около 500 деталей.

Электролиты нельзя коммутировать напрямую — выгорят и они, и ключи. И никогда не шутите с аккумулятором, у него очень низкое внутреннее сопротивление, благодаря чему он может отдавать огромную мощность кратковременно, выжигая на своём пути даже то, что не горит.

[haker_fox]

Вы слабо представляете себе задачу

Совершенно верно! Вот и пытаюсь разобраться. Изучаю книги Ю. Семенова, Р. Мэка, М. Брауна. Пока мало толку...

Пока лежал на полу (на ковре))) пришла идея: а что, если батарею использовать в буферном режиме? Тогда не нужна коммутация. Ну разве, что отключать нагрузку, если аккумулятор разряжен и его необходимо зарядить.
Но меня терзаю сомнения: не отразится ли пагубно на ней буферный режим работы по сравнению с циклическим?

[Plain]

В такой ситуации я бы посоветовал пересмотреть начальные требования по мощности и отказаться от БП АТХ в пользу БП от любого ноутбука — они выдают, в среднем, 19 В, имеют мощность порядка 60 Вт, спокойно работают без нагрузки, и главное, абсолютно тихие.

Тогда, к диодному "ИЛИ" понадобится добавить только два импульсных стабилизатора на 12 и 5 В (с защитами от КЗ) и линейный зарядник.

[haker_fox]

В такой ситуации я бы посоветовал пересмотреть начальные требования по мощности и отказаться от БП АТХ в пользу БП от любого ноутбука

Интересное предложение! Спасибо, Plain! Буду обмозговывать!

[Plain]

От ЖК-мониторов блоки практически те же, и обычно их не выбрасывают, когда монитор подыхает, так что ещё могут и спасибо сказать.

[SKov]

В такой ситуации я бы посоветовал пересмотреть начальные требования по мощности и отказаться от БП АТХ в пользу БП от любого ноутбука — они выдают, в среднем, 19 В, имеют мощность порядка 60 Вт, спокойно работают без нагрузки, и главное, абсолютно тихие.

Лучше взять АС-DC преобразователь , например от MeanWell - a. У такого преобразователя, в отличие от ноутбучного БП, есть регулировка выходного напряжения в достаточно широком диапазоне. Т.е. напряжение для зарядки аккума 14v (или даже 12, если надо) легко получить без всяких
высокочастотных наворотов. Взять блок питания с номиналом в 15В. В инете они легко ищутся, стоят терпимо - в районе 400-500руб.

[haker_fox]

От ЖК-мониторов блоки практически те же, и обычно их не выбрасывают, когда монитор подыхает, так что ещё могут и спасибо сказать.

Да, я видел такие. Походят. А вот взять негде. Покупать не хочется. Хочется использовать то, что уже есть)

Лучше взять АС-DC преобразователь , например от MeanWell

Есть meanwell на 27В, 11А. Но его для таких целей использовать - из пушки по воробьям. Но если прижмет, использую.

[haker_fox]

В общем основная цель - использовать имеющееся. А имеется немало компьютерных БП, но не на старой доброй TL494. Чтобы не курочить БП и пришла идея использовать step up. Но сейчас вижу, что проще найти что-то более высоковольтное (15 - 24 В).

[yakub_EZ]

что-то более высоковольтное (15 - 24 В).

В компьютерном БП, если снимать сигнал сразу после обмотки, до дросселя групповой стабилизации, можно получить более высоковольтный канал.
В тех же "классических" блоках на TL494 таким образом подается питание (порядка 22 вольта) на ШИМ контроллер.
По поводу step-up-а на *063 - он должен выходить в стабилизацию по току

[Microwatt]

В компьютерном БП, если снимать сигнал сразу после обмотки, до дросселя групповой стабилизации, можно получить более высоковольтный канал.

разве что сигнал, но не напряжение для питания чего-либо.

[yakub_EZ]

разве что сигнал, но не напряжение для питания чего-либо.

Миллионы TL494 в БП не могут ошибаться

На схеме, диод D, который подключен сразу с обмотки на C21 запитывает питание всего контроллера и драйвера управления. И так у всех.
Думаю, пару сотен миллиампер таким образом можно снять

А каким образом Вы вставляете картинку в пост?
Модератор Herz.

[Microwatt]

Миллионы TL494 в БП не могут ошибаться
На схеме, диод D, который подключен сразу с обмотки на C21 запитывает питание всего контроллера и драйвера управления. И так у всех.
Думаю, пару сотен миллиампер таким образом можно снять

Да миллионы схем ошибаться, конечно не могут. Возможно, ошибка с ее чтением.
На схеме на диод D напряжение вроде подается не прямо с обмотки трансформатора, а после дросселя и фильтра.
Стабилизированный выход 12 вольт. Там и не 20 - 200мА, а больше можно снять.

[yakub_EZ]

Да миллионы схем ошибаться, конечно не могут. Возможно, ошибка с ее чтением.
На схеме на диод D напряжение вроде подается не прямо с обмотки трансформатора, а после дросселя и фильтра.
Стабилизированный выход 12 вольт. Там и не 20 - 200мА, а больше можно снять.

Вы правы. Да, ошибся и невнимательно посмотрел схему. Имел в виду следующую схему:

Диод d18 включен не по правилам хорошего тона, но это работает
Ответ на вопрос от Hertz: изображение вставил следующим образом - нашел интересующую картинку в интернете, скопировал её ссылку. А потом, отвечая в сообщении, в нужном месте нажимаю кнопочку "Вставить изображение". Вторая кнопочка если считать направо от смайликов. В открывшуюся строку вставляю ссылку и нажимаю "Ок". В сообщении появляется сточка из тэгов [имж]адрес картинки.ру[/имж]. Еще бы было интересно узнать каким тэгом их можно масштабировать от оригинала . Почему то часто такие ссылки растягивают форум, а не форум их

[Microwatt]

Вы правы. Да, ошибся и невнимательно посмотрел схему. Имел в виду следующую схему:
Диод d18 включен не по правилам хорошего тона, но это работает

Но это же совершенно не меняет сути дела. Напряжение берется не с обмотки,
а после выпрямителя и фильтра R32 C12 C30. Только вместо дросселя в нем резистор
в тепло все лишнее сеет. Тут и правда больше 30-50мА не снять.

[yakub_EZ]

Я хотел заметить, что напряжение после этого фильтра существенно выше 12 вольт.

[Microwatt]

Я хотел заметить, что напряжение после этого фильтра существенно выше 12 вольт.

Могу заметить, что оно не 12 вольт, а "никакое" т.е. плохо стабилизировано. И будет сильно гулять от нагрузки.

[haker_fox]

Решил пойти по предложенному мне пути: использовать первичный готовый DC на напряжение 15 - 27 В (с запасом) + набор понижающих преобразователей на нужные напряжения.
Разбираюсь с теорией DC/DC преобразователей, чтобы грамотно спроектировать.
Кстати, какие хорошие книги есть еще по импульсной технике, кроме перечисленных мной выше? Если информация уже мелькала
на форуме - сорри, не попадалась.
Спасибо!

[haker_fox]

Решил для зарядки использовать следующую схему (см. прикрепленный рисунок).
Вместо генератора будем ШИМ-выход микроконтроллера. Также будут добавлены обратные связи по току и напряжению.
Расчет основных элементов преобразователя приложен в архиве (внутри doc-файл).
Если есть замечания, можно критиковать!)


Управление затвором выбрал таким, чтобы ускорить выключение/выключение полевого транзистора.


Импульсы на затворе выглядят более-менее прилично, см. следующий приложенный рисунок.
Расчетная мощность, выделяемая ключом, совпадает с расчетной с точностью 10 - 15 %.
По расчетам эта мощность около 0,8 Вт на предельных режимах (100 гр. температура кристалла транзистора, превышенный ток нагрузки).
Наверно в этом случае можно говорить о неплохом КПД.

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 1.zip ( 16.74 килобайт ) Кол-во скачиваний: 35

 

[Plain]

haker_fox, это пиротехника полувековой давности, пустая трата времени, не смотря на микроконтроллер и прочее. Лучше напишите, каковы Ваши возможности, где покупаете (берёте) детали по месту жительства. Тогда будет гораздо проще советовать. На безрыбье наковырять разной рассыпухи из компьютерного хлама можно, но нормальный контроллер вряд ли.

Я советую нацелиться на что-нибудь объезженное и дешёвое, например, упомянутый мною ранее LM3478 — вполне рабочая лошадь, SEPIC на нём заработал с ходу, а единственный минус, что нужен "логический" полевик. Для лабораторных блоков питания, SEPIC — самое простое решение защиты от КЗ. Нужно только посчитать, чтобы ничего не перегрелось в этом режиме. Миллиомного диапазона резистор для датчика тока можно легко посчитать и намотать самому, бифилярно, обычным эмалированным проводом и прямо на поверхностном конденсаторе, который есть по схеме.

Если всё же хотите возиться с программным БП, то SEPIC, опять же, будет проще всего, но первое, что надо решить — создать, или найти готовый, нормальный драйвер затвора, который бы давал 1 А и 10 В. И от контроля тока ключа вряд ли можно отказываться. Хотя бы завести его на компаратор какой-нибудь, и на прерывание.

[haker_fox]

А выгодно применять сепик, если нужно два выходных канала на разные напряжения? Ведь четыре дросселя нужно.
В будущем еще нужно добавить один гальванически развязанный канал на 12 В, 500 мА.

Ну, а вообще эта "пиротехника" работоспособно же? Я симулировал)))

Может быть для выходных напряжений маленький флай сделать? Вход флая через диодное или подключить к AD/DC и к АКБ.
В это случае решается проблема с гальванической развязкой.

[haker_fox]

Намудрил я, похоже. После подробной симуляции вышеприведенной схемы с введением ОС по току и напряжению, я пришел к выводу, что
АКБ заряжаясь, сама "все делает". Достаточно ограничить ток и напряжение зарядки. Ток до 0,2C; напряжение до 13,8 В. Все.
Пока АКБ не заряжена, она заряжается током 0,2С. По мере зарядки ток падает. И в конце, когда она уже зарядится, на нее подается напряжение 13,8 В
тем током, который определится сопротивлениями АКБ и зарядного устройства.

Таким образом преобразователь на mc34063 все-таки проблему полностью решает.

Выходные каналы еще подумаю на чем сделать. Закончатся праздники, посмотрю, что можно в местных магазинах найти.

[SmarTrunk]

Если сетевое питание будет часто пропадать, и питание от батареи будет часто, то буферный режим вполне оправдан. И коммутации не нужно. Но ресурсе аккумулятора это должно отразиться.

Если питание от батареи требуется редко, то в БП для радиосвязи (13,8В), бывает, делают коммутацию на диодах (Шоттки). И батарея большую часть времени просто стоит заряженная, под капельной зарядкой от напряжения около 13,8В (для этого в блоках питания ASTRON ставился один мощный резистор - дешево и сердито).

[haker_fox]

Если сетевое питание будет часто пропадать, и питание от батареи будет часто, то буферный режим вполне оправдан. И коммутации не нужно. Но ресурсе аккумулятора это должно отразиться.

Если питание от батареи требуется редко, то в БП для радиосвязи (13,8В), бывает, делают коммутацию на диодах (Шоттки). И батарея большую часть времени просто стоит заряженная, под капельной зарядкой от напряжения около 13,8В (для этого в блоках питания ASTRON ставился один мощный резистор - дешево и сердито).

Питание сетевое практически не пропадает. Можно даже сказать, что оно всегда)
Поэтому буферный режим не превлекаем, а используем коммутацию на диодах Шоттки.
Капельный заряд - это заряд малым током, если не ошибаюсь.
Но я знаю, что малый ток заряда приводит к сульфатации электродов АКБ. Как с этим бороться?

[haker_fox]

Господа, после нескольких дней тайм-аута, штудирования литературы, форумов, симуляторов и дивана, пришел к следующей схеме (см. вложение). Сразу прошу не обращать внимание на отсутствие или странные номиналы резисторов, конденсаторов, катушек и всего прочего. Это будет просчитано и выбрано. Более важен сам принцип.

А теперь к делу.
Я решил отказаться от нескольких напряжений на выходе. Гораздо проще сформировать там одно напряжение (12 В, 5 А), а уже на месте в устройствах получать, если нужно дополнительные.
Зарядку VRLA батареи сделал на mc34063. Токоограничение на уровне 1,6 - 1,7 А. Емкость батареи 7 А*ч. Но уважаемый Microwatt где-то говорил, что заряжать батарею током чуть более 0,2С даже полезно. Тем более за считанные минуты батарея дойдет до напряжение 12 В и ток спадет. Также, на выходе mc34063 напряжение ограничено 13,8 В. Таки образом зарядка работает независимо от МК, он лишь может через оптрон ее выключить для того, чтобы померить напряжение на аккумуляторе. Если напряжение меньше 10,7 В, то мы выключаем нагрузку оптроном (подключен к LM3478), а МК уходит в сон, где энергопотребление минимально.
Дополнительно МК может измерять ток через нагрузку и напряжение на ней.
Для индикации возможно предусмотрю дешевый семисегментный индикатор (10 разрядов, МЭЛТ их производит, внутри контроллер, общение по 4-х битной шине). Для звуковой индикации предусмотрен зуммер.
Нагрузка питается через преобразователь SEPIC, отдельное спасибо уважаемому Plain. SEPIC держит на выходе 12 В, 5А при колебаниях входного напряжения. А оно колеблется: АКБ может давать 13,8 - 10,8 В (нормальный режим работы); входной DC-DC может быть на напряжение 15 - 24 В. В процессе расчета компонентов преобразователя возможно придется урезать осетра, но пока такие вот требования.
Для коммуникации с верхнем уровнем будет предусмотрен последовательный интерфейс. Ну вот вроде и все в основе.
Если что-то непонятно - с удовольствием отвечу. Критика нужна! Любая!!!)))
Спасибо большое за помощь!!!!!!!!!!

З.Ы. Схема в нижнем левом углу.
То, что справа и вверху - предудущий вариант зарядки через step-down, построенный на МК. Его можно не учитывать.

Прикрепленные файлы

 Schematic_Prints.pdf ( 25.85 килобайт ) Кол-во скачиваний: 89

 

[SergCh]

З.Ы. Схема в нижнем левом углу.
То, что справа и вверху - предудущий вариант зарядки через step-down, построенный на МК. Его можно не учитывать.

Не видно стабилизатора на +5 В.
В своё время решал похожую задачу, но мне надо было на выходе иметь 5В при имеющемся 12 вольтовом аккумуляторе и стабилизированных 12 вольт от внешнего источника.

Сообщение отредактировал SergCh - Jun 16 2011, 05:08

Прикрепленные файлы

 45.pdf ( 395.17 килобайт ) Кол-во скачиваний: 260

 

[haker_fox]

Не видно стабилизатора на +5 В.
В своё время решал похожую задачу, но мне надо было на выходе иметь 5В при имеющемся 12 вольтовом аккумуляторе и стабилизированных 12 вольт от внешнего источника.

Стабилизатор будет, МК же тоже кушать хочет
А в целом решение, предлагаемое мной не содержит грубых просчетов или ошибок? Я уже за месяц освоения силовой отрасли чувствую какое-то не очень хорошее состояние. Столько компромисов, решений. А мальйшая ошибка может привести к фейерверку.

[SergCh]

Стабилизатор будет, МК же тоже кушать хочет
А в целом решение, предлагаемое мной не содержит грубых просчетов или ошибок? Я уже за месяц освоения силовой отрасли чувствую какое-то не очень хорошее состояние. Столько компромисов, решений. А мальйшая ошибка может привести к фейерверку.

Надо собрать и проверить, я сильно не углублялся,но вроде всё нормально. Пороги включения и отключения аккумулятора при заряде и разряде я так понимаю в контроллере записаны. За ним значит последнее слово, с какой точностью он аналог в цифру преобразует, какой температурный дрейф этих преобразований.
Кстати когда контроллер уходит в сон при снижении напряжения на акк до 10 В, что при этом на выходах LOAD OFF и CHARGE OFF контроллера?

[haker_fox]

Надо собрать и проверить, я сильно не углублялся,но вроде всё нормально.

Уже хорошо! Спасибо!

Кстати когда контроллер уходит в сон при снижении напряжения на акк до 10 В, что при этом на выходах LOAD OFF и CHARGE OFF контроллера?

Если я правильно истолковал документацию, то в высокоимпедансное состояние они не переходят. Если это не так, буду переделаывать схему.

Кстати, уже буквально несколько минут назад пришла идея убрать специализированные контроллеры (LM3478 и mc34063), а управлять ключами от МК через IR2110. Насколько я понял, она управляет верхним и нижним ключом независимо. А это значит, что верхний ключ уйдет в step-down, а нижний - в SEPIC. Глубоко не вникал, но если это так, можно неплохой ИБП собрать, без "лишних" деталей. МК обладает большим потенциалом, плохо, если он не будет использован. Конечно тут еще работать и работать. Но общая идея, мне кажется, неплохая!

[SergCh]

Кстати, уже буквально несколько минут назад пришла идея убрать специализированные контроллеры (LM3478 и mc34063), а управлять ключами от МК через IR2110.

Я против.

[haker_fox]

Я против.

А почему?

[SergCh]

А почему?

Быстродействие, надёжность и функциональный набор контроллеров по моему скромному мнению не позволяет создать достаточно надёжный источник питания.
Честно говоря я вообще скептически отношусь к надёжности ИИП, а тут ещё и контроллер, нет, не место ему там.

Сообщение отредактировал SergCh - Jun 16 2011, 10:03

[haker_fox]

а тут ещё и контроллер, нет, не место ему там.

Гм, трудно не согласится. Но лишь от части. Уважаемый Rst7 использует МК в импульсниках, которые проходят аттестацию. Ну ладно, посмотрим, что применять. В любом случае нужно на практике проверять.
Спасибо!