Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к источнику питания, напряжение которого выше остальных. Обычно в цепях постоянного тока для разделения питающих цепей используют полупроводниковые диоды. Эти диоды препятствуют влиянию одного источника питания на другой. В то же время на этих диодах нерационально расходуется некоторая доля энергии источника питания. В этой связи в схемах резервирования стоит использовать диоды с минимальным падением напряжения на переходе. Обычно это германиевые диоды.
В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания). В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
Самые простые и очевидные схемы резервирования источников постоянного тока показаны на рис. 10.1 и 10.2. Подобным образом можно подключить неограниченное количество источников питания к ответственному радиоэлектронному оборудованию.
Схема резервирования источников питания (рис. 10.2) отличается тем, что роль диодов, разделяющих источники питания, выполняют светодиоды. Свечение светодиода индицирует задействованный источник питания (обычно имеющий более высокое напряжение). Недостатком подобного схемного решения является то, что максимальный ток, потребляемый нагрузкой, невелик и непревышает максимально допустимого прямого тока через свето-диод.
Рис. 10.1. Основная схема резервирования источников питания
Рис. 10.2. Схема резервирования источников питания с использованием светодиодов
Рис. 10.3. Схема резервирования источника питания охранного устройства
Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
Схема авторезервирования источника питания для ответственного оборудования - охранного устройства - приведена на рис. 10.3. На схеме условно показан основной - сетевой источник питания. На его выходе - нагрузке RH и конденсаторе С2 - формируется стабильное напряжение 12 6 или более! Батарея резервного питания GB1 подключена к сопротивлению нагрузки через цепочку диодов VD1 и VD2. Поскольку разность напряжения на этих диодах минимальна, ток через диоды в нагрузку не протекает. Однако, стоит отключиться основному
источнику питающего напряжения, как диоды откроются. Таким образом питание подается на нагрузку без перебоев.
Светодиод HL1 индицирует исправное состояние резервного источника питания, а диод VD2 не допускает питание светодио-да от источника основного питания.
Схему можно изменить таким образом, чтобы два светодио-да независимо друг от друга индицировали рабочее состояние обоих источников питания. Для этого достаточно схему (рис. 10.3) дополнить элементами индикации.
Устройство для автоматического включения резервной батареи питания описано в патенте ГДР № 271600 , а его схема показана на рис. 10.4.
Рис. 10.4. Схема устройства для автоматического включения резервной батареи питания
В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
Недостатком устройства является то, что максимальный ток через нагрузку не может превышать максимально допустимого тока через светодиод. Кроме того, на самом светодиоде теряется до 2 В. Если пожертвовать функцией индикации и заменить светодиод на германиевый диод, рассчитанный на повышенный ток, это ограничение снимется.
Для нормальной работы телефонных автоматических определителей номера (АОН) необходимым условием является
использование резервного источника питания. Схема одного из них показана на рис. 10.5.
Когда источник питания включают в сеть, срабатывает реле К1, которое одновременно является датчиком разряда аккумулятора GB1. Через резистор R2 протекает зарядный ток 5... 10 мА. При отключении сетевого напряжения устройство получает питание от аккумулятора GB1, однако, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже 6,5 В, реле отключится. Контакты реле разомкнут цепь питания и защитят таким образом аккумулятор от дальнейшего разряда.
Рис. 10.5. Схема автоматического включения резервного источника питания для АОНа
Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
В схеме использовано реле РЭС-64А РС4.569.724.
Налаживают устройство подбором резистора R1, которым устанавливают напряжение отпускания реле К1. Подбором R2 устанавливают величину зарядного тока. Для исключения перезаряда аккумулятора рекомендуется снизить величину зарядного тока до 0,2 мА.
Автоматический перевод питания нагрузки, например, радиоприемника, на резервное батарейное питание при отключении сетевого источника питания позволяет осуществить устройство по схеме на рис. 10.6 . Режим работы устройства индицируется свечением светодиода: зеленый цвет -- работа в штатном режиме; красный - в аварийном (на батареях).
Особенностью индикатора является то, что при работе от батареи ее разряд через подключенный основной блок питания исключен за счет использования диода в цепи затвора полевого транзистора.
Для того чтобы при работе устройства от блока питания не происходила подпитка нагрузки от батареи, выходное напряжение блока питания должно на 0, 7... 0, 8 В превышать напряжение батареи.
Рис. 10.6. Схема автоматического переключения нагрузки на резервное питание с индикацией
Рис. 10.7. Схема автоматического коммутатора питания
Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (рис. 10.7) . Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
В исходном состоянии, когда внешний источник питания отключен, реле К1 обесточено, и через его нормально замкнутые контакты напряжение подается с батареи GB1 на нагрузку RH и через диод VD1 на нижний по схеме (красный) диод HL1. При подключении внешнего источника питания реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 устанавливаются в нижнее по схеме положение, и питание на нагрузку подается от внешнего источника. Так как на анод верхнего по схеме диода HL1 (зеленого цвета) подается напряжение на 2 В больше, чем на анод нижнего диода HL1 (красного цвета), двухцветный двуханодный светодиод HL1 светится зеленым цветом, указывая на режим работы от сети. При пропадании сетевого напряжения обмотка реле К1 обесточивается, и нагрузка автоматически переключается на работу от батареи GB1. Об этом сигнализирует индикатор HL1, меняя цвет свечения с зеленого на красный. Диод VD1 следует взять типа КД503, КД521 или КД510. Падение напряжения на нем в прямом включении должно быть не менее 0,7 б.-Тогда при свечении зеленого светодиода не будет подсвечиваться красный.
Резистором R2 устанавливают ток через HL1, равный 20 мА. Реле К1 типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.005) или другое с рабочим напряжением не более 5 В. Обычно срабатывание реле происходит при напряжении, на 30...40% меньшем его рабочего напряжения.
При настройке устройства резистор R1 подбирают такой величины, чтобы реле К1 надежно срабатывало при напряжении 4 В. При использовании реле К1 других типов с напряжением срабатывания, близким к 4,5 В, резистор R1 можно исключить.
При сетевом питании электронно-механических часов наблюдается неприятный эффект: при отключении сетевого напряжения происходит остановка хода часов.
Более надежными и удобными в эксплуатации являются комбинированные блоки питания - сетевые блоки питания в сочетании с никель-кадмиевыми аккумуляторами Д-0,1 или Д-0,125 (рис. 10.8) .
Здесь конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию балластных реактивных элементов, гасящих избыточное напряжение сети. Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов С1 и С2 при отключении устройства от сети.
Если контакты выключателя SA1 замкнуты, то при отрицательной полуволне сетевого напряжения на верхнем (по схеме) проводе диод VD2 откроется, и через него будут заряжаться конденсаторы С1 и С2. При положительных же полуволнах конденсаторы станут перезаряжаться, ток потечет, в первую очередь, через открытый диод VD3 и начнет подзаряжаться аккумулятор GB1 и конденсатор СЗ. Напряжение на полностью заряженном аккумуляторе будет не менее 1,35 В, на светодиоде HL1 -- около 2 В. Поэтому светодиод начнет открываться и тем самым ограничивать зарядный ток аккумулятора. Следовательно, аккумулятор постоянно будет в заряженном состоянии.
Рис. 10.8. Комбинированный блок питания электронно-механических часов
При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов - энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
Освещение циферблата включают размыканием контактов выключателя SA1. В этом случае ток зарядки и разрядки конденсаторов С1 и С2 протекает через нити накала ламп EL1 и EL2, и они начинают светиться. А ранее замкнутый двуханодный стабилитрон VD1 теперь выполняет две функции: ограничивает напряжение на лампах до значения, при котором они светятся с небольшим недокалом, а в случае перегорания нити накала одной из ламп пропускает через себя зарядно-разрядный ток конденсаторов, что предотвращает нарушение работы блока питания в целом.
Двуханодный стабилитрон VD1 типа КС213Б можно заменить на два включенных встречно-последовательно стабилитрона Д814Д, КС213Ж, КС512А. Светодиод HL1 - АЛ341 с прямым падением напряжения при токе 10 мА - 1,9...2,1 В. Лампы накаливания EL1 и EL2 типа СМН6,3-20 (на напряжение 6,3 В и ток и м/ч; или аналогичные, корпус выключателя SA1 должен быть надежно изолирован от сети.
В блоке питания для электронных часов (рис. 10.9) гашение избыточного сетевого напряжения осуществляется резисторами R1 и R2 . Это не самое экономичное решение проблемы, но при малых токах потребления вполне оправдано. Кроме того, при случайном касании выхода выпрямителя максимальный ток через тело человека не достигнет опасных значений (не более 4 мА), поскольку величина ограничивающих ток резисторов достаточно велика.
Рис. 10.9. Схема резервированного питания электронных часов
С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения - светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник бесперебойного питания (рис. 10.10) для кварцевых электронно-механических часов вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА . Напряжение, снимаемое с емкостного делителя С1 и С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
Рассмотренные ранее устройства автоматического перехода на резервное питания в случае отключения основного источника использовали в качестве базового (основного) источник постоянного тока. Менее известны схемы резервирования устройств, работающие на переменном токе. Схема одного из них, способного работать в цепях как постоянного, так и переменного тока приведена ниже .
Рис. 10.10. Схема низковольтного источника бесперебойного питания
Рис. 10.11. Схема включения источника резервного питания с гальванической развязко й
Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (рис. 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 - VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5.
Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7.
При отключении управляющего напряжения переход эмиттер - база входного транзистора устройства более не шунтируется. Транзисторы VT1 и VT2 открываются. Конденсатор С1 разряжается через реле К1 и транзистор VT2. Контакты К1.1 реле замыкаются, включая ИРП. Питание на схему поступает от ИРП. Одновременно контакты реле К1.2 могут управлять другой нагрузкой. Если на входе устройства вновь появляется управляющее напряжение, транзистор VT1 запирается. Соответственно, запирается и транзистор VT2. Реле К1 обесточивается, отключая своими контактами К1.1 ИРП. Напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 9... 10 Б, и схема переходит в ждущий режим работы.
Довольно часто возникает необходимость обеспечить резервное питания вашего устройства, в данной статье рассматривается 4 способа как обеспечить это.
Самый простой
Самый простой способ перейти на резервное питание-2 диода
Будет открыт только один из диодов, от того источника питания, напряжение на котором больше. Преимущества схемы-простота и дешевизна. Недостатки схемы очевидны, зависимость напряжения на нагрузке от тока, типа диода(шотки или обычный), температуры. Напряжение всегда будет ниже чем у источника на величину падения напряжения на диоде.
Немного сложней
Это схема немного сложнее, работает она следующим образом: когда напряжение VCC присутствует, и оно больше чем напряжение резервного источника(в данном случае это батарея BT2), то мосфет закрыт, потому что напряжение на затворе(Gate) выше чем на Истоке(Source), пропуск напряжения к нагрузке и Истоку обеспечивает открывшийся диод D3. Когда VCC пропадет, напряжение на Затворе пропадет вслед за ним, зато откроется диод внутри мосфета, обеспечив напряжение на Истоке, ну а поскольку на истоке теперь есть напряжение, а на Затворе нет, то транзистор полностью откроется, обеспечив коммутацию батареи без потери напряжения. Данный способ отлично подходит для коммутации питания для модуля GSM, внешнее напряжение выбираем 4,5в, тогда к модулю через диод D3 придет 4,2-4,3в а от батареи напряжение будет идти без потерь.
Дорогой но без потерь
Без потерь напряжения можно коммутировать источники с помощью специальных микрочхем, в частности LTC4412 скачать даташит Однако, эта микросхема бывает дефицитной и дорогой.
Оптимальный без потерь
Ну вот и подошли к оптимальному способу, причем без потерь. Для начала рассмотрим блок схему LTC4412
Сразу понятно, что в ней нет ничего сложного, так почему бы не повторить её на дискретных элементах? Блок PowerSorceSelector-это матрица из двух диодов, обеспечивает питание остальной схемы, A1-это компаратор, AnalogController-непонятно что, однако можно предположить, что ничего особо важного он не делает, позже станет понятно почему.
Попробуем изобразить это.
DA3-это компаратор. Он сравнивает напряжения на двух источниках. Питается через диод D4 или D5. Когда напряжение на VCC больше чем на батарее, на выходе компаратора устанавливается высокий уровень, это закрывает VT2, и открывает VT3, потому что он подключен на выход через инвертор. Таким образом, VCC проходит на нагрузку без потерь. В случае, когда VCC будет меньше батареи, низкий уровень на выходе компаратора закроет VT3 и откроет VT2.
Надо сказать пару слов о выборе деталей. DA3, DD1 должны иметь потребление, которое допустимо в данной системе, выбор очень широк, от единиц миллиампер, до сотен наноампер (например MCP6541UT-E/OT и 74LVC1G02). Диоды обязательно шотки, если падение на диоде будет выше порога открытия транзистора(а у IRLML6402TR он может быть -0,4в), то он не сможет полностью закрыться.
С необходимостью организации резервного питания сталкивается практически каждый владелец загородной недвижимости. И причин этому несколько: изношенность коммуникаций, интенсивная застройка в микрорайоне, несоответствие характеристик подстанции возросшим потребностям и ряд других. Это вызывает систематические (порой надолго) отключения напряжения, его постоянные броски или перекосы фаз. Проблема, знакомая многим.
В таких условиях не то что говорить о гарантированном сроке эксплуатации различных (и порой весьма дорогостоящих) бытовых приборов; многие из них вообще не получается включить. Например, импортный газовый котел, который довольно популярен у «частников», очень требователен к качеству напряжения. «Заморским изобретателям» и в голову не может прийти, что с электричеством возможны такие недоразумения. И если сработает защита и он «встанет», зимой, при наших морозах, то это самое настоящее ЧП.
С целесообразностью резервирования по энергоснабжению все ясно. Но вот как лучше это сделать и что стоит учесть, мы рассмотрим подробно.
Здесь подразумевается, в течение какого срока необходимо организовать независимое электроснабжение участка. Одни устройства рассчитаны на длительную непрерывную работу ( , бензиновые двигатели с водяным охлаждением), другие требуют систематической остановки (те же бензиновые с охлаждением воздушным).
Кстати, некоторые специализированные фирмы предлагают услуги по подключению непосредственно к ЛЭП (минуя местную подстанцию). Иногда просто невозможно организовать энергоснабжение иным способом. Для этого используется или кабель, уложенный в траншею, или воздушная линия, протянутая к участку. Если у данной организации есть соответствующая лицензия, и она берет на себя все заботы по оформлению разрешительных документов, то это – отличный вариант.
Недостаток – стоимость работ, так как придется устанавливать свою собственную подстанцию. Хотя есть и выход – «скооперироваться» с соседями, которые испытывают те же неудобства в энергоснабжении. Зато есть и ощутимый «плюс» – перебои с напряжением исключены, да и его качество будет соответствовать всем нормативам.
Какие устройства необходимо «запитать»
примерная мощность
От этого будут зависеть и дальнейшие критерии подбора источника энергии. Ориентироваться следует, естественно, на те, которые должны работать постоянно. К примеру, тот же котел, холодильник, морозильная камера. Каждый собственник должен составить список всех изделий, которые должны быть постоянно включены.
Тип напряжения
Большинство бытовых агрегатов потребляют 1-фазное 220 В. Но встречаются и такие, которым необходимо 3 ф. Это нужно учесть, если они также постоянно используются. Но такие изделия встречаются довольно редко.
Мощность источника
По примерным оценкам специалистов, нужно ориентироваться по максимуму на 20 кВт. Для загородного дома (если это не дворец, напичканный различными устройствами) вполне достаточно. Но это для варианта «все включено». Возможно, хватит агрегата и на 4 кВт. Для примера – если одновременно будут работать котел (вместе с насосом), холодильник и телевизор + освещение, то понадобится не более 2 – 2,5 кВт. Если система водоснабжения автономная, то периодически будет включаться насосная станция. Ее мощность также нужно учесть.
Кроме того, необходимо принять во внимание, что некоторые бытовые приборы характеризуются большим пусковым током. Например, у электромясорубки он превышает номинальное значение в 6 – 7 раз. Кроме того, должен быть и расчет на перспективу. Возможно, что-то будет приобретено еще, и также с обязательным постоянным включением. Необходимо сделать и «запас» для самого генератора, так как он не должен работать на пределе. Оптимальная нагруженность – не более 80%.
Подведем итог. Как видим, нюансов довольно много. Поэтому следует определить все «изделия» (включая и приборы освещения на прилегающей территории, автоматику, сигнализацию и тому подобное), которые должны быть в любое время обеспечены бесперебойным питанием и посчитать их совокупную мощность. Полученную величину нужно умножить на 1,5. Вот по такому параметру и подбирать энергоустановку.
Вид топлива
Это может быть газ, дизельное топливо (соляра), бензин. Каждый определяет сам, с чем ему удобнее (и дешевле) работать.
Место установки
Оно определяет как габариты источника питания, так и его конструктивные особенности. Например, дизель больше дымит, поэтому необходима качественная «вытяжка». Агрегаты без кожуха – «шумные», следовательно, они более подходят для размещения в хозпостройках (пристройках).
Если предусмотрена установка резервного агрегата на улице, то нужно обратить внимание на способ его запуска (ручной или автоматический, от АКБ).
Особенности источников резервного питания
Газогенераторы
Если дом газифицирован, то это наиболее оптимальный вариант. Топливо для такого устройства самое дешевое. Мощность большинства таких изделий начинается от 7 кВт, что вполне достаточно для загородного дома с периодическим пропаданием напряжения в сети.
Примерная стоимость – 180 000 рублей. Но если учесть, сколько будет сэкономлено на топливе (по сравнению с бензином или солярой) за весь период эксплуатации, то цена вполне приемлемая. Кроме того, почти отсутствуют вредные выхлопы.
Бензогенераторы
Наиболее распространенный тип устройств для резервного эл/питания. Отчасти это потому, что мы лучше разбираемся именно в таких двигателях, чем в дизельных. Ведь многие собственники загородных домов имеют личный автомобиль, следовательно, хотя бы общее понятие о принципе работы есть. К тому же они проще в обслуживании.
Дизельные агрегаты
Под этим наименованием подразумевается несколько разновидностей подобной «техники» — дизель-генераторы, дизельные станции и так далее. Неоспоримое достоинство – возможность длительной (без остановок) эксплуатации. Кроме того, нет паров бензина, которые требуют принятия особых мер по пожарной безопасности.
Мы привели только наиболее распространенные устройства для организации резервирования. Но есть и ряд других, которые хотя и применяются реже, но тоже достойны внимания. Например, ИБП, солнечные батареи, системы на инверторах.
Вывод
Практика показывает, что независимо от способа решения проблемы резервирования системы электроснабжения, необходимо все-таки иметь запасной генератор. По отзывам большинства собственников загородных домов, более удобными как с точки зрения эксплуатации, так и ремонта являются агрегаты бензиновые. Например, их всегда можно дозаправить прямо из бака автомобиля.
Решая вопрос организации резервного электроснабжения, не стоит руководствоваться чьим-то мнением, ориентироваться на друзей или соседей. Главный «подсказчик» – собственный дом и находящееся в нем имущество (в первую очередь, технические устройства и расположение осветительных приборов). Они и определяют целесообразность приобретения того или иного агрегата.
Нужно учесть, что ИБП, солнечные батареи имеют ограниченное применение как по времени, так и по подключаемым устройствам (схемам). В их комплект входят АКБ, а они требуют постоянного внимания (контроль состояния, подзарядка). Кроме того, современные батареи (в отличие от «старых» моделей, в которых можно было заменять отдельные банки) ремонту не подлежат.
При наличии средств целесообразно смонтировать более сложную, но надежную комбинированную схему резервирования. Например, включение аварийного питания от ИБП с последующим автоматическим запуском дизеля. Это более затратно, зато перебои в электроснабжении исключены.
Принципиальная схема устройства автоматического переключения, показанная здесь, построена на интегральной микросхеме LTC4412 от Linear Technologies. Эта схема может быть использована для автоматического переключения нагрузки между батареей и сетевым адаптером (блоком питания). Микросхема LTC4412 управляет внешним P-канальным MOSFET транзистором, чтобы создать подобие диода Шоттки, функционируещего как выключатель питания для распределения нагрузки. Это делает LT4412 идеальной заменой в источниках питания. Широкий спектр МОП полевых транзисторов может управляться с помощью интегральной микросхемы, и это дает большую гибкость в плане выбора тока нагрузки.
Принципиальная схема переключателя питания
LT4412 также имеет кучу хороших функций, таких как защита аккумулятора от переплюсовки, ручное управление, защита затвора в транзисторе и другие. Собственный ток потребления схемы составляет всего 11 мкA. Диод D1 предотвращает обратное протекание тока к сетевому адаптеру, когда нет питающей сети. Конденсатор С1 – конденсатор выходного фильтра. Вывод 4 интегральной микросхемы называется выводом состояния. Некоторых функций микросхемы не показано на схеме.
Транзистор FDN306P не рекомендуется при использовании брать руками, полевые транзисторы очень часто выходят из строя именно по причине статического напряжения, которое есть на теле каждого человека. При пайке его на печатную плату было бы не плохо заземлить себя специальном браслетом, и заземлить сам паяльник, но если используете паяльную станцию, этого делать не надо. Основные параметры полевого транзистора таковы (из даташита):
- 1) Максимальный долговременный ток-2.6А;
- 2) Максимальное напряжение VDSS 12В;
- 3) Быстрая скорость переключения;
- 4) Высокая производительность технологии;
Рабочая температура транзистора составляет от -55 до +150 градусов Цельсия. Рабочая температуры микросхемы от -40 до +80, температура при пайке составляет 300 градусов, в течении не более 10 секунд. Распиновку выводов можно увидеть в даташите по ссылке выше или на картинке.
- 1) Схему собирайте на печатной плате высокого качества;
- 2) Входное напряжение адаптера может быть от 3 до 28В;
- 3) Напряжение батареи может лежать в пределах от 2.5V к 28V;
- 4) Не подключайте нагрузку, которая потребляют более 2А;
- 5) D1 (1N5819) -диод Шоттки, ращитаный на 1А;
- 6) Q1 (FDN306P) – P-канальный MOSFET транзистор.
Применение данной схемы – различные источники резервного питания, где нужна экономичность и стабильность.
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.
