Niederspannungs-DC-Supercap-USV-Design

Im Allgemeinen möchte ich eine USV für ein Gleichstromgerät mit geringem Stromverbrauch bei Wechselstrom mit höherer Spannung entwickeln, wobei die Speicherung von einem Superkondensator oder einer parallel verdrahteten Bank verwaltet wird.

Für meinen speziellen Fall möchte ich einen RasPi mit Strom versorgen, der von einem 24-VAC-3-Amp-HVAC-Transformator mit Backup von Supercaps im Bereich von 2,5 V bis 3 V angetrieben wird.

Es gibt einige ähnliche kommerzielle Produkte, das nächste davon ist Juice4Halt, und es gibt mehrere LiPo (UPiS)-Produkte, und allgemeinere batteriebetriebene Optionen wurden bereits auf dieser Website befragt. Mir ist nur ein Projekt mit Supercaps bekannt , aber sie sind in Reihe geschaltet, und zwischen der Notwendigkeit des Kondensatorausgleichs und der Nichtverwendung eines Aufwärtswandlers ist die nutzbare Zeit für die Notstromversorgung begrenzter als möglich, und Ineffizienzen können reduziert werden. Ich frage mich, was die effizienteste Topologie für dieses System wäre.

Gegenwärtig haben die beiden Methoden, die mir einfallen, relative Werte, und ich habe nicht die Erfahrung, die beste auszuwählen oder zu wissen, ob mir nicht eine bessere Idee einfällt.

Die erste ist die einfache Methode (24VAC->Rect->2.4VDC->5VDC->Load):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Eine komplexere Version wäre ein Buck auf 5 V und dann ein bidirektionaler Boost / Buck auf die Kappen (24 VAC-> Rect-> 5 VDC (<-> 2,5 V)-> Load):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung

Meine Erwartung ist, dass die zweite Version energieeffizienter wäre, vorausgesetzt, die Stromquelle wäre allgemein verfügbar, aber dass das erste Design in einer Blackout- oder Brownout-Situation besser funktionieren würde.

Welches wäre das effizienteste unter Berücksichtigung von Energieverbrauch und Leistungsfaktor? Würde eines der beiden in den meisten Situationen eher wie erwartet funktionieren? Würde eines der Designs Stromprobleme für das Ladegerät (RasPi) verursachen, während die Kappen anfänglich aufgeladen werden? Gibt es sonst noch etwas zu beachten/zu wissen?

Als ich schließlich mehr darüber erfuhr, waren die richtigen Schlüsselwörter zur Beantwortung meiner Frage „UPS-Topologie“. Das erste Beispiel ist ein Beispiel einer Online-USV-Topologie, während letzteres in die Kategorie der leitungsinteraktiven USV fällt und die Offline-USV-Topologie nicht dargestellt ist. Effizienz, Kosten, Niveau des elektrischen Schutzes, Größe und Zuverlässigkeit sind einige häufige Kompromisse zwischen verschiedenen Topologien. fs.com bietet weitere Informationen.

Antworten (2)

Ihr erster Schaltplan ist ziemlich einfach zu erstellen und wird höchstwahrscheinlich gut funktionieren. Die Abnahme der Effizienz ist nicht so wichtig, wenn Sie mit Netzstrom betrieben werden. Der zweite wird schwieriger zu implementieren sein.

Für beide Ausführungen werden Sie nicht die billigsten Aufwärtswandler verwenden können, da die am weitesten verbreiteten für die Li-Ion-Spannungsbereiche ausgelegt sind (dh sie verstärken 3..5V auf 5V).

Denken Sie auch daran, dass die Kapazität nicht die gespeicherte Energiemenge misst, das wäre C*V 2 , also speichert ein 10-F-Kondensator mit einer Nennspannung von 2,5 Volt die gleiche Energiemenge wie ein 2,5-F-Kondensator mit einer Nennspannung von 5 V oder ein 0,1-F-Kondensator mit einer Nennspannung bei 25V. Diese Tatsache erklärt auch, warum Niederspannungskondensatoren billiger und kleiner sind.

Ein weiteres Problem mit Supercaps ist, dass sie oft nur glorreiche RTC-Backup-Batterien mit empfohlenen Entladeströmen in der Größenordnung von 1-10 mA und einem Innenwiderstand von 1-10 Ohm sind. Das Ziehen von 0,5 A von solchen Kappen führt zu dauerhaften Schäden. Lesen Sie die gesamten Spezifikationen vor dem Kauf sorgfältig durch, überprüfen Sie nicht nur Kapazität und Spannung und gehen Sie davon aus, dass alles andere in Ordnung ist.

Ich schlage immer noch vor, dass Sie einen Li-Ionen-Akku als die billigste und effektivste Lösung betrachten. Das verwende ich in meinem Banana Pi, der Li-Ion-Akkupads auf der Platine freilegt und keine zusätzlichen Teile (außer dem Akku selbst) benötigt, um Notstrom zu haben.

Ich mache mir weniger Sorgen um die Effizienz, während das Netz Strom liefert (außer dass nicht alles verschwendet wird), und gehe davon aus, dass die Verbindung zum Netz zeitweise erfolgt (der Anwendungsfall ist ein Thermostat). Ich möchte also in der Lage sein, die Ladequelle von jedem Punkt im Ladezyklus aus zu wechseln. Während Li-Ion- oder Li-Poly-Batterien viel besser sind als Ni-Batterien für Probleme wie geringe Lebensdauer und Ladespeicher, sind Kondensatoren für diese Art von Zweck über einen Zeitraum von mehreren Jahren meines Wissens nach immer noch viel besser.

http://hackaday.com/2014/10/04/supercapacitors-for-the-raspberry-pi/

Hier ist eine vollständige Beschreibung eines Designs, das den Umgang mit Spannungsabfall und Abschaltung umfasst. (Und warum checkst du Hackaday nicht aus Gewohnheit morgens und abends?)

Das ist eigentlich das Juice4Halt-Gerät, das ich in der Frage erwähnt habe. Zusätzlich sind die Kondensatoren in Reihe statt parallel verdrahtet, wie ich es vorhabe. Ich versuche auch, die Notwendigkeit des Mikroprozessors (Altmega328P in den Zeichnungen) zu beseitigen.
@btharper das habe ich verpasst. Ich habe kürzlich 10 5,5-V-1F-Tokin-Supercaps gekauft, um sie für dasselbe zu verwenden. Billig aus China und jeweils etwa so groß wie ein Stapel von 5 US-Nickel. Ich mag Ihr zweites Design, muss aber experimentieren.
Ja, 5,5 V wären einfacher (nur Inline), aber 2,5/2,7-V-Kondensatoren sind billiger und haben viel höhere Kapazitäten. Wenn ich es mir genauer ansehe, kann ich mir keinen Grund vorstellen, warum zwei Konvertierungen besser wären, obwohl definitiv noch Optimierungen erforderlich sind.
Niederspannungs-DC-Supercap-USV-Design
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v