Электрическая схема, представленная на рисунке, удобна в применении на даче и там, где электроэнергия пока еще поступает нестабильно. Простое устройство, собранное по рекомендуемой схеме, обеспечит автоматическое включение резервного освещения (или другой активной нагрузки мощностью до 10–12 Вт) при пропадании сетевого напряжения 220 В.
Транзистор VT1 серии КТ825 (можно заменить указанный на схеме на транзистор КТ825 с буквенными индексами Д и Е) обеспечивает максимальную нагрузку до 25 Вт. Он должен быть установлен на радиатор с площадью охлаждения не менее 100 см2. Если планируется менее мощная нагрузка (до 5 Вт), то возможно применить в схеме управляющий транзистор типа КТ818АМ - КТ818ГМ.
В качестве резервного источника питания используется автомобильный аккумулятор емкостью 55-190 А/ч. В качестве ламп резервного освещения используются автомобильные лампы накаливания.
Сетевой блок питания (БП) вырабатывает пониженное выпрямленное напряжение 13–14 В. В БП входят понижающий трансформатор и выпрямительный мост. Пульсации этого источника питания сглаживаются электролитическим конденсатором большой емкости С1. Напряжение с блока питания через диоды VD1, VD2 и ограничивающий резистор R1 беспрепятственно поступает к подключенному аккумулятору и заряжает его слабым током. При величине зарядного тока 80-110 мА автомобильная АКБ может находиться без вреда под зарядкой продолжительное время, примерно до десяти суток подряд. Падение напряжения на диоде VD2 создает обратное смещение для перехода база-эмиттер транзистора VT1. Транзистор находится в закрытом состоянии и нагрузка (EL1, EL2) обесточена. Переключатель S1 служит для принудительного включения аварийного режима. Это может понадобиться для разрядки АКБ или проверки системы резервного освещения (целостности ламп).
Устройство в налаживании не нуждается.
Когда сетевая энергия отключается, стационарный источник питания обесточивается, и в цепь базы транзистора VT1 поступает ток через резистор R2, транзистор открывается и нагрузка питается от АКБ. Как только поступление энергии в сети возобновляется, транзистор VT1 закрывается, нагрузка выключаются, и аккумулятор заряжается по рассмотренной схеме.
Резистор R1 марки МЛТ-2, резистор R2 - типа МЛТ-0,5. Аккумулятор и лампы нагрузки подключаются к устройству многожильными изолированными сетевыми проводами сечением не менее 1 мм и с минимальной длиной (для уменьшения потерь энергии в проводах). Конденсатор С1 марки К50-24, К50-3Б или другой на напряжение не менее 25 В.
Оптимальный вариант для понижающего трансформатора сетевого источника питания - универсальный силовой трансформатор ТПП 127/220-50-12.
Чем автомобильный аккумулятор отличается от аккумулятора для ИБП ?
Почему нельзя установить автомобильную батарею для работы с источником бесперебойной работы?
Поскольку автомобильная батарея значительно дешевле специализированного аккумулятора для ИБП , то эти два вопроса являются основными при покупке источника бесперебойного питания, работающего от внешних аккумуляторов.
Ответ на вопрос уже содержится в названии аккумуляторов: они отличаются по предназначению и условиям функционирования. Автомобильная батарея расположена в хорошо проветриваемом пространстве — под капотом. Она предназначена для запуска двигателя при помощи стартера и подачи электрического тока на свечи зажигания у бензиновых двигателей. Этот процесс длится недолго, после запуска двигателя внутреннего сгорания питание всех систем происходит от работающего генератора. Несмотря на то, что цикл невелик, от аккумулятора требуется высокое значение тока за небольшой период времени для запуска двигателя. В процессе работы батарея теряет большую ёмкость.
Аккумуляторные батареи для ИБП располагаются, как правило, в малопроветриваемом помещении и источники бесперебойного питания с такими батареями предназначены для длительной работы (до нескольких суток). Выбор комплекта ИБП и батарей определяется ёмкостью батарей и мощностью зарядного устройства аппарата. Батареи для ИБП равномерно отдают энергию, но этот процесс длится долго. Первое существенное различие — длительность цикла работы и равномерность выделения электрического тока достигается за счёт толщины пластин (электродов) внутри аккумулятора. У автомобильной батареи средняя толщина электрода составляет 1-1,2 мм, у аккумулятора для ИБП — 2-2,5 мм. Чем меньше толщина электродов, тем быстрее движутся электроны. Если автомобильный аккумулятор функционирует в длительном цикле с ИБП, то его пластины быстро разрушатся. Однако электроды большей толщины у специализированной батареи не смогут отдать больше тока за определенную единицу времени, если их установить в автомобиль. У них намного больше ресурс при длительной эксплуатации.
Второе важное отличие заключается в напряжении постоянного тока у зарядного устройства в машине и у источника автономного электроснабжения. Напряжение цепи постоянного тока автомобиля примерно равно 14-14,2 В, у зарядного устройства ИБП оно составляет от 13,5 до 13,8 В. Автомобильные и специализированные аккумуляторы рассчитаны на различные значения напряжения тока заряда. Подсоединив автомобильную батарею к системе резервного электропитания, вы обнаружите, что она постоянно недозаряжена. Если аккумулятор заряжен не полностью, то время автономной работы будет меньше, чем при заряженном аккумуляторе. Полностью заряженная батарея имеет высокое внутреннее сопротивление, потому при работе с ИБП потребляет во время заряда небольшой ток. У разряженного аккумулятора низкое внутреннее сопротивление, в процессе заряда он потребляет больший ток. Т.к. автомобильная батарея при работе с ИБП будет постоянно потреблять ток и не перейдёт в режим полной зарядки, это приводит к кипению электролита, что негативно сказывается на параметрах аккумуляторной батареи.
Третье отличие аккумуляторов: в процессе заряда батарея выделяет водород. Когда она установлена под капотом машины, то пространство вокруг АКБ хорошо проветривается, выделяемый водород быстро улетучивается. Если такой аккумулятор установить в помещении, то водород может скапливаться в замкнутом пространстве. Смесь водорода с воздухом образует очень опасную взрывоопасную смесь, которая может детонировать от любой искры, например, при включении или выключении света. Аккумулятор для ИБП полностью герметизирован, в процессе работы он не выделяет водород в атмосферу, а рециркулирует в пространстве батареи.
У автомобильного аккумулятора большое значение тока саморазряда . Как правило, батарея для машины имеет жидкий электролит (разбавленная серная кислота), а в жидкой среде химические процессы протекают быстро, за счёт чего срок службы АКБ меньше, чем в аккумуляторе для ИБП. Не подключённый аккумулятор разряжается быстрее специализированного. Батареи для аппаратов резервного электроснабжения изготовлены по технологии AGM : между электродами располагается губчатый материал, пропитанный электролитом, а не жидкий электролит. За счёт этого ток саморазряда невелик. Когда система резервного электропитание переходит на функционирование от батарей, то даже полностью заряженные автомобильные аккумуляторы проработают за счёт большого тока саморазряда меньше, чем специализированные батареи такой же ёмкости.
Немаловажный фактор — экологичность применяемого оборудования. У АКБ электролит постепенно выкипает, под крышкой батареи образуется свободное пространство, которое заполняет взрывоопасный водород. Применять такие аккумуляторы в жилом помещении не рекомендуется, т. к. они могут выделять водород в атмосферу.
Автомобильная аккумуляторная батарея стоит дешевле аналогичной по ёмкости специализированной аккумуляторной батареи для ИБП, но экономия ощутима только при покупке . Очень быстро экономия превратится в убытки. В среднем, автомобильный аккумулятор на 100 А/ч стоит 4000 руб. (цены на Яндекс.Маркет) и служит 2 года (с ИБП). Батарея для ИБП, например, на 100 А/ч стоит около 8000 руб., но служит 10 лет . Получаем, что специализированные батареи в долгосрочной перспективе выгодней более чем в 2 раза.
При применении автомобильного аккумулятора вместе с источником автономного электропитания есть вероятность, что ИБП перестанет работать или совсем не запустится. Для надежной и длительной работы системы резервного электроснабжения в качестве ёмкости электрического тока лучше покупать специализированные аккумуляторы известных производителей, выполненные по технологии AGM.
Гелевый аккумулятор (маркировка GEL) — это особая разновидность АКБ, у которых электролит имеет жидкую желеобразную консистенцию за счет добавления в него кремния (двуокись кремния).
Гелевые аккумуляторы с напряжением 12В нашли свое применение в качестве источника бесперебойного питания (ИБП). Такой аккумулятор подойдет в качестве ИБП в закрытых и невентилируемых помещениях, для питания солнечных и ветровых электрогенераторов, в системах автономного электроснабжения.
Обзор гелевых батарей (GEL) для ИБП
При работе батареи происходит разрыв и соединения молекул газа (рекомбинация), выделяется энергия и вода, которая потом поглощается жидким гелем. Благодаря этому решается две проблемы:
Технологию изготовления гелевых аккумуляторов будем разбирать в другой статье. Также чуть позже проведем сравнительных анализ разных типов батарей, сведем данные в таблицу для удобного понимания. Достаточно посмотреть это короткое видео, чтобы понять основные преимущества гелевых аккумуляторов.
Сферу применения гелевых аккумуляторов можно описать так:
Комбинированные аккумуляторные батареи — новое развитие технологии свинцово-кислотных батарей. Например, технология PLT, в которой пластины изготавливаются из чистого свинца, а электролит применяется на основе геля, позволило увеличить срок службы батарей до 15 лет, DoD до 50%, а количество циклов разрядки до 1000 раз.
При сравнение гелевых батарей для ИБП по ценовой диапазон колеблется от 10 000 руб до 40 000 руб., разница по цене наблюдается в технологиях изготовлении и емкости батареи
Такая технология применяется в VENTURA VG 12-200, но примерная цена данного аккумулятора составляет 26000 руб. Цена батарей в системах бесперебойного питания составляет от 300 руб.
У гелевых аккумуляторов, которые используются в качестве ИБП, следующие показатели:
Узнаем о технических и эксплуатационных характеристиках гелевых аккумуляторов, представленных на российском рынке:
Какую модель гелевого аккумулятора Вы бы ни выбрали, рекомендую в первую очередь соблюдать рекомендации производителя по температуре окружающей среды в месте расположения батарей, температуре при которой происходит зарядка и уровню напряжения зарядки. Данные указанные производителем являются номинальными, т.е. заявленный срок службы будет зависеть от выполнения этих рекомендаций.
В действительности данные условия редко можно соблюсти. Поэтому ресурс самых простых батарей составляет 1-3 года, после чего они высыхают и вздуваются. В более дорогих моделях, при соблюдении рекомендаций по глубине разряда (DoD) живут намного дольше 5-10 лет. Пример, где соблюдают условия, заявленные производителем, являются ЦОД (центры обработки данных).
Аккумулятор фактически является расходным материалом в или в системе автономного или резервного питания. И чем лучше Вы подберете аккумулятор к своей системе, тем дольше он проработает и тем меньше в конечном итоге будет стоимость электроэнергии, вырабатываемой Вашей системой.
На что обратить внимание при выборе аккумуляторных батарей?
В случае, если аккумулятор будет применяться в системе резервного питания и соответственно разряжаться он будет довольно редко (при сбое основного источника электричества), можно рассчитывать необходимую емкость исходя из 100% цикла разряда. И хотя 100% разряд вреден для любых свинцовых аккумуляторов, особенно, если нет возможности сразу их зарядить, в случае эксплуатации резервной системы таких разрядов накопится максимум десяток за год. А любой свинцовый аккумулятор (кроме автомобильных) способен выдержать до 200 полных (на 100%) циклов разрядки. То есть, при таком режиме теоретический срок службы должен составить 200/10=20 лет, однако максимальный срок службы аккумуляторных батарей равен 10 годам. Поэтому для не имеет никакого смысла приобретать избыточные емкости исходя из 30% или 50% цикла разряда.
Саму же ёмкость нужно рассчитывать исходя из количества энергии, которую необходимо запасти.
Например, поставлена задача обеспечить круглосуточную работу насоса системы отопления и периодическую работу освещения:
Расход электроэнергии за 2 суток составит 50*24*2+100*3*2=3000 Вт*час.
С учетом потерь в (возьмем для расчета — 10%), необходим запас энергии 3000+10%=3300 Вт*час.
При напряжении 12 В, необходимый номинал составит 3300/12=275 А*час, т.е. в этом случае необходимы 2 батареи емкостью по 140 А*ч.
Данный расчет приведен для случая, когда отсутствует автономный источник энергии, например в виде солнечных батарей. Если же в системе резервного питания предусмотрены и допустим они выдают 500 Вт*сутки (а столько выдает одна 100 Ваттная панель в солнечную погоду), то необходимо внести соответствующую поправку в расчет, а именно:
При напряжении 12 В, необходимый номинал составит (3300-500*2)/12=192 А*час, т.е в этом случае будет достаточно 2-х батарей емкостью по 100 А*ч.
Для автономной системы желательно производить расчет исходя из 30% разрядного цикла, поскольку в этом случае срок службы аккумуляторов будет фактически определяться количеством циклов заряда/разряда, а это количество тем больше, чем меньше глубина разрядки.
При выборе марки нужно обратить внимание на то, для скольки-часового разряда указана емкость . Дело в том, что разные производители указывают номинальную емкость для разных условий, например для 10-и часового или для 20-и часового разряда. Та марка, у которой указан номинал для 10-и часов, будет обладать большей реальной емкостью, чем 20-и часовая при условии одинакового номинала.
Для систем автономного питания применять автомобильные не рекомендуется по той причине, что они не предназначены для длительной разрядки малыми токами и имеют минимальное число циклов среди прочих типов (обычно, не более 50). Их основное предназначение — отдать очень большой ток стартеру в течение нескольких секунд при старте двигателя.
Однако, существует еще один тип жидко-кислотных аккумуляторов, которые специально предназначены для разрядки малыми токами, так называемые OPzS. Этот тип имеет максимальное число циклов заряда/разряда, в большинстве случаев является обслуживаемым (т.е. требующим контроля за параметрами электролита), а кроме того имеет максимальную цену и по этой причине мало распространен.
Самым распространенным по причине низкой стоимости является AGM тип. Более дорогой, гелевый (GEL) тип также находит свое применение в солнечных электростанциях. О том, читайте на нашем сайте.
Надеемся, приведенные выше советы помогут Вам !
Для обеспечения надежной работы многих стационарных устройств необходимо применять резервное питание. Чаще всего для этих целей устанавливают аккумулятор, но за ним надо следить, не допуская сильного разряда и вовремя ставить на подза- ряд. Удобнее эту обязанность поручить автоматике.
Для подзаряда аккумулятора необходимо соответствующее устройство (внутреннее или внешнее). Зарядное устройство можно выполнить в составе системы бесперебойного питания и полностью автоматизировать процесс, т. е. оно может включаться при снижении напряжения на аккумуляторе ниже порогового уровня , или же применить «плавающий» подзаряд . Под плавающим зарядом подразумевают подключение аккумулятора параллельно с нагрузкой (рис. 2.18), когда источник питания служит только для компенсации токов саморазряда в элементах питания. В этом случае схема получается наиболее простой.
В этих схемах поступающее напряжение с трансформатора выбирается таким, чтобы зарядный ток, проходящий через аккумулятор, компенсировал ток естественного саморазряда. Нужное напряжение после выпрямителя можно подобрать экспериментально установкой дополнительных диодов или с помощью отводов от вторичной обмотки трансформатора (у некоторых унифицированных трансформаторов, например из серии TH, ТПП и др., есть возможность немного изменить напряжение во вторичной цепи за счет переключения отводов в первичной обмотке). При этом контролируем ток в цепи аккумулятора по амперметру. Обычно значение тока «плавающего» подзаряда не должно превышать 0,005…0,01 номинального для аккумулятора. Уменьшение тока заряда приводит только к увеличению продолжительности процесса (в данном применении время заряда значения не имеет - оно всегда будет достаточным).
Такие схемы можно применять, если ваша сеть достаточно стабильна и питающее напряжение не выходит за рамки допуска
Рис. 2.18. Схемы, обеспечивающиеплавающийподзаряд аккумулятора резервного питания
(в крупных городах за этим следят). В противном случае между трансформатором и аккумулятором устанавливается стабилизатор напряжения и диод, препятствующий прохождению тока аккумулятора в стабилизатор, когда трансформатор не включен (рис. 2.19). Микросхема KP142EH12 может быть заменена аналогичной импортной LM317.
Рис. 2.19. Схема зарядного устройства со стабилизатором напряжения
Более совершенная схема зарядного устройства приведена на рис. 2.20. Она не только поддерживает стабильное напряжение на
аккумуляторе, но и имеет настраиваемую токовую защиту, которая предотвращает повреждение элементов в случае короткого замыкания на выходе (или неисправности аккумулятора). Ограничение тока полезно и в тех случаях, когда подключается новый аккумулятор (еще не заряженный или сильно разряженный ранее). В этом случае ограничение тока на нужном уровне предотвращает перегрузку питающего сетевого трансформатора (он может быть маломощным - 14…30 Вт, так как в режиме «Тревога» необходимый ток вполне может обеспечить сам аккумулятор). Кроме того, внутри микросхемы есть температурная защита, отключающая ее выход при перегреве, что исключает повреждение компонентов.
Для сборки устройства можно воспользоваться односторонней печатной платой из стеклотекстолита, показанной на рис. 2.21, ее внешний вид приведен на рис. 2.22.
При монтаже применялись детали C1 - любой оксидный, С2-С4 - из серии K10. Подстроечный резистор R4 - многооборотный СП5-2В. В качестве микросхемы можно использовать любые из серии K142EH3 или K142EH4 - они имеют планарные выводы. Для установки микросхемы со стороны печатных проводников, в плате сделано окно размером 15 x 10 мм и отверстия для ее крепления. Между пластиной теплоотвода микросхемы и платой подкладываются диэлектрические шайбы так, чтобы выводы легли прямо на токопроводящие дорожки. Это позволит ко всей плоскости микросхемы закрепить отводящую тепло пластину.
Рис. 2.21. Топология печатной платы и расположение элементов
Рис. 2.22. Внешний вид монтажа элементов на плате
Трансформатор (T1) можно заменить на ТП115-K9 - он имеет 2 обмотки по 12 В с допустимым током до 0,8 А. В холостом ходу на обмотке будет напряжение 16 В, а после выпрямления и сглаживания конденсатором - 19 В, что вполне достаточно для работы стабилизатора (основную часть времени схема будет работать как раз в режиме хрлостого хода).
Работающая аналогично еще одна схема приведена на рис. 2.2,3- Основой ее является микросхема L200 (отечественных аналогов нет), имеющая выводы (2 и 5) для контроля тока в нагрузке. Приреденное включение микросхемы является типовым: от номинала резистора В2 зависит максимальный ток в цепи нагрузки (Lax = 0,45/R2), а нужное напряжение выставляется резистором R3. Стабилизатор может обеспечить выходной ток от 0,1 до 2 А и имеет внутреннюю защиту от перегрева.
Рис. 2.23. Второй вариант схемы зарядного устройства с ограничением тока
Для монтажа элементов второй схемы зарядного устройства можно воспользоваться печатной платой, показанной на рис. 2.24.
О настройке всех схем со стабилизацией. Вам потребуется миллиамперметр, вольтметр (лучше цифровой) и имитирующий нагрузку мощный резистор. Все это соединяется no схеме, показанной на рис. 2.25.
Сначала при отключенном аккумуляторе соответствующим подстроечным резистором выставляем на выходе стабилизатора напряжение 13 В, После этого переключателем S1 включаем резистор RH и проверяем ток ограничения. Его можно установить любым при помощи подбора резистора токовой обратной связи - R3 в схеме рис. 2.20 (например, для тока 220 мА - R3 = 3,9 Ом; для 300 мА - R3 = 3,3 Ом) или R2 в схеме на рис. 2.23.
Рис. 2.24. Топология печатной платы и внешний вид монтажа
Рис. 2.25. Стенддля настройки и проверки зарядногоустройства
Теперь вместо резистора RH подключаем аккумулятор GB1. Необходимый ток в цепи заряда (для энергоемкости конкрегного аккумулятора) устанавливаем подстройкой выходного напряжения. Окончательную установку следует делать уже после того, как аккумулятор полностью зарядится - этот ток должен компенсировать саморазрядОВ1.
Дополнительная литература
1. Кадино Э. Электронные системы охраны. Пер. с франц. - M.: ДМК Пресс, 2001,c. 11.
2. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 1. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 84.
3. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 3. - M.: СОЛОН-Пресс, 2003, с. 133.
4. Сайт фирмы: http://www.dart.ru/index5.shtml?/cataloguenew/acoustics/oscillator.shtml
5. ХрусталевД. А. Аккумуляторы. - M.: Изумруд, 2003.
