UPS קבלים סופר: 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

לפרויקט התבקשתי לתכנן מערכת כוח גיבוי שתוכל להשאיר את המיקרו -בקר פועל כעשר שניות לאחר אובדן החשמל. הרעיון הוא שבמהלך 10 השניות האלה יש לבקר מספיק זמן

• תפסיק עם כל מה שהוא עושה
• שמור את המצב הנוכחי בזיכרון
• שלח את הודעת אובדן החשמל (IoT)
• הופך את עצמו למצב המתנה ומחכה לאובדן הכוח

הפעולה הרגילה מתחילה רק לאחר הפעלה מחדש. עדיין יש צורך בתכנון מה יכול להיות ההליך אם הכוח יחזור במהלך 10 השניות האלה. עם זאת, המשימה שלי הייתה להתמקד באספקת החשמל.

הפתרון הפשוט ביותר יכול להיות שימוש ב- UPS חיצוני או משהו כזה. ברור שזה לא המצב והיינו צריכים משהו הרבה יותר זול וקטן יותר. הפתרונות הנותרים הם שימוש בסוללה או בקבל -על. בדיוק במהלך תהליך ההערכה ראיתי סרטון YouTube נחמד בנושא דומה: קישור.

לאחר כמה שיקולים, מעגל קבלים העל נשמע כפתרון הטוב ביותר עבורנו. הוא קצת יותר קטן מהסוללה (אנחנו רוצים להשתמש ברכיבים שנמצאים בשימוש נרחב מאוד, אם כי אני באופן אישי לא בטוח אם הסיבה לגודל אכן נכונה), דורש פחות רכיבים (כלומר- הוא זול יותר) והכי חשוב- הוא נשמע הרבה יותר טוב מאשר סוללה (השלכות של עבודה עם לא מהנדסים).

נבנה מערך בדיקה כדי לבדוק את התיאוריה ולשלוט אם מערכות הטעינה של קבלים העל עובדות כראוי.

מדריך זה מראה יותר מה נעשה במקום להסביר כיצד לעשות זאת.

שלב 1: תיאור המערכת

ניתן לראות בתרשים את ארכיטקטורת המערכת. ראשית, 230VAC מומר ל- 24VDC ל- 5VDC ובסופו של דבר מעגל המיקרו -בקר פועל ב -3.3V. במקרה האידיאלי, אפשר היה לזהות את הפסקת החשמל כבר ברמת הרשת (230VAC). לרוע המזל, איננו מסוגלים לעשות זאת. לכן עלינו לבדוק אם הכוח עדיין קיים ב 24VDC. כמו זה, אי אפשר להשתמש בקבלים האחסון של ספק הכוח AC/DC. המיקרו -בקר וכל שאר האלקטרוניקה החשובה נמצאים על 3.3V. הוחלט כי במקרה שלנו מסילת 5V היא המקום הטוב ביותר להוספת קבל העל. כאשר מתח הקבלים יורד לאט, הבקר עדיין יכול לעבוד ב 3.3V.

דרישות:

• זרם קבוע - אייקון = 0.5 A (@ 5.0V)
• מתח מינימלי (מינימום מתח מותר @ מעקה 5V) - מכירה = 3.0V
• הזמן המינימלי שעל הקבל לכסות - T = 10 שניות

ישנם מספר קבלים סופר טעינים מיוחדים הזמינים שיכולים לטעון את הקבל מהר מאוד. במקרה שלנו, זמן הטעינה אינו קריטי. לפיכך, די במעגל הנגד הדיודה הפשוט ביותר. מעגל זה הוא פשוט וזול עם כמה חסרונות. סוגיית זמן הטעינה כבר הוזכרה. עם זאת, החיסרון העיקרי הוא שהקבל אינו טעון במלוא המתח שלו (ירידת מתח דיודה). עם זאת, המתח הנמוך יכול להביא לנו גם צדדים חיוביים.

בעקומת סופר החיים של קבלים סופר חיים מתוך נתון גיליון הנתונים של AVX SCM (קישור) ניתן לראות את משך החיים הצפוי לעומת טמפרטורת ההפעלה והמתח המיושם. אם לקבל ערך המתח נמוך יותר, אורך החיים הצפוי גדל. זה יכול להיות מועיל שכן ניתן להשתמש בקבל מתח נמוך יותר. זה עדיין צריך להבהיר.

כפי שיוצג במדידות מתח ההפעלה של הקבלים יהיה סביב 4.6V-4.7V-80% מדורג.

שלב 2: מעגל בדיקה

לאחר הערכה כלשהי, נבחרו קבלים -על AVX לבדיקה. אלה שנבדקו מדורגים עבור 6V. זה בעצם קרוב מדי לערך שאנו מתכננים להשתמש בו. עם זאת, לצורך הבדיקה זה מספיק. נבדקו שלושה ערכי קיבול שונים: 1F, 2.5F ו- 5F (2x 2.5F במקביל). הדירוג של הקבלים הוא כדלקמן

• דיוק קיבול - 0% +100%
• מתח מדורג - 6V

• יצרן חלק מס ' -

  • 1F - SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F - SCMS22H255PRBB0
• אורך חיים - 2000 שעות @ 65 ° C

על מנת להתאים את מתח המוצא למתח הקבלים משתמשים בדיודות מתח קדימה מינימליות. בבדיקה VdiodeF2 = 0.22V מיושמות יחד עם דיודות זרם גבוה עם VdiodeF1 = 0.5V.

נעשה שימוש ב- LM2596 פשוט ממיר DC-DC. זהו IC חזק מאוד ומאפשר גמישות. לבדיקה תוכננו עומסים שונים: עומס התנגדות שונה בעיקר.

שני הנגדים המקבילים 3.09kΩ המקבילים לקבל העל נחוצים ליציבות המתח. במעגל הבדיקה קבלים העל מחוברים באמצעות מתגים ואם אף אחד מהקבלים לא מחובר המתח יכול להיות גבוה מדי. כדי להגן על הקבלים מוצבת במקביל דיודת זנר של 5.1V.

לעומס, הנגד 8.1kΩ והנורית מספקים עומס כלשהו. הוא הבחין כי במצב ללא עומס המתח יכול להגיע גבוה מהרצוי. הדיודות עלולות לגרום להתנהגות בלתי צפויה.

שלב 3: חישובים תיאורטיים

הנחות:

• זרם קבוע - אייקון = 0.5A
• Vout @ הפסקת חשמל - Vout = 5.0V
• מתח טעינת קבלים לפני דיודות - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• מתח התחלה (Vcap @ הפסקת חשמל) - Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5.5 - 0.5 - 0.22 = 4.7V
• Vout @ הפסקת חשמל - Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4.7 - 0.22 = 4.4V
• Vcap מינימלי - Vcap_min = Vdiode Fend של Vend = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• הזמן המינימלי שעל הקבל לכסות - T = 10 שניות

זמן טעינת קבלים (תיאורטית): טעינה = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

עבור קבל 1F הוא R1F = 25.5 + 0.72 + 0.2 +? +? = 27 אוהם

אם C = 1.0F, טעינה = 135 שניות = 2.5 דקות

אם C = 2.5F, טעינה = 337 שניות = 5.7 דקות

אם C = 5.0F, טעינה = 675 שניות = 11 דקות

מתוך ההנחות, אנו יכולים להניח שדירוג הספק קבוע הוא בערך: W = I * V = 2.5W

בקבל ניתן לאחסן כמות מסוימת של אנרגיה: W = 0.5 * C * V^2

מתוך נוסחה זו ניתן לחשב את הקיבול:

• אני רוצה לצייר x וואט עבור t שניות, כמה קיבול אני צריך (קישור)? C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• אני רוצה לצייר x אמפר למשך t שניות, כמה קיבול אני צריך? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

אם נבחר בערך הקבל להיות 5F:

• כמה זמן ייקח לטעון/לפרוק את הקבל הזה עם זרם קבוע (קישור)? Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11.0 sec
• כמה זמן ייקח להטעין/לפרוק את הקבל הזה עם הספק קבוע (W)? Tdischarge = 0.5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8.47 שניות

אם משתמשים ב- Rcharge = 25ohm זרם הטעינה יהיה

וזמן הטעינה בערך: טעינה = 625 שניות = 10.5 דקות

שלב 4: מדידות מעשיות

תצורות וערכי קיבול שונים נבדקו. כדי לפשט את הבדיקה נבנתה התקנת בדיקה מבוקרת Arduino. התרשימים מוצגים באיורים הקודמים.

נמדדו שלושה מתחים שונים והתוצאות מתאימות יחסית לתיאוריה. מכיוון שזרמי העומס נמוכים בהרבה מדירוג הדיודה ירידת המתח קדימה מעט נמוכה יותר. עם זאת, כפי שניתן לראות מתח הקבלים העל הנמדד תואם בדיוק את החישובים התיאורטיים.

באיור הבא ניתן לראות מדידה טיפוסית עם קבלים בגובה 2.5F. זמן הטעינה מתאים היטב לערך התיאורטי של 340 שניות. לאחר 100 שניות נוספות מתח הקבלים עולה רק 0.03V נוסף, כלומר ההבדל זניח ובטווח שגיאות המדידה.

על דמות השוער אפשר לראות שאחרי הפסקת החשמל מתח היציאה Vout קטן יותר מ- VdiodeF2 מאשר מתח הקבלים Vcap. ההבדל הוא dV = 0.23V = VdiodeF2 = 0.22V.

ניתן לראות סיכום של הזמנים הנמדדים בטבלה המצורפת. כפי שניתן לראות התוצאות אינן מתאימות בדיוק לחישובים התיאורטיים. הזמנים הנמדדים הם לרוב טובים יותר מהמחושבים, כלומר כמה טפילים שהתקבלו לא נחשבו בחישובים. כאשר מסתכלים על המעגל הבנוי ניתן להבחין כי ישנן מספר נקודות חיבור לא מוגדרות היטב. בנוסף, החישובים אינם מתחשבים היטב בהתנהגות העומס - כאשר המתח יורד הזרם יורד. עם זאת, התוצאות מבטיחות והן בטווח הצפוי.

שלב 5: כמה אפשרויות שיפור

אפשר לשפר את זמן ההפעלה אם משתמשים בממיר בוסט במקום בדיודה אחרי קבל העל. חשבנו כי למרות זאת המחיר גבוה מזה של דיודה פשוטה.

טעינת קבל העל באמצעות דיודה (במקרה שלי שתי דיודות) פירושה ירידת מתח וזה יכול להיות מוסר אם נעשה שימוש ב- IC טעינת קבלים מיוחד. שוב, המחיר הוא הדאגה העיקרית.

לחלופין, ניתן להשתמש במתגי צד גבוהים יחד עם מתג PNP. ניתן לראות פתרון אפשרי מהיר למחשבה להלן. כל המתגים נשלטים באמצעות דיודת זנר המופעלת מכניסת 24V. אם מתח הכניסה יורד מתחת למתח הזנר של הדיודה, מתג PNP נדלק ומתגי הצד הגבוה השני כבים. מעגל זה אינו נבדק וכנראה דורש כמה רכיבים (פסיביים) נוספים.

שלב 6: מסקנה

המדידות מתאימות למדי לחישובים. מראה שאפשר להשתמש בחישובים התיאורטיים-הפתעה-הפתעה. במקרה המיוחד שלנו, יש צורך בקצת יותר מ- 2.5F קבלים כדי לספק כמות אנרגיה מספקת לפרק הזמן הנתון.

החשוב ביותר, מעגל טעינת הקבלים פועל כצפוי. המעגל פשוט, זול ומספיק. ישנם כמה חסרונות שהוזכרו, אולם המחיר הנמוך והפשטות מפצים זאת.

אני מקווה שהסיכום הקטן הזה יכול להועיל למישהו.