Конструкция низковольтного ИБП постоянного тока Supercap

В большинстве случаев я пытаюсь разработать ИБП для маломощного устройства постоянного тока с более высоким напряжением переменного тока, с хранилищем, управляемым суперконденсатором, или банком, подключенным параллельно.

Для моего конкретного случая я ищу питание RasPi, управляемого от трансформатора HVAC 24 В переменного тока 3 А с резервным питанием от суперконденсаторов в диапазоне 2,5–3 В.

Существуют некоторые аналогичные коммерческие продукты, наиболее близким из которых является Juice4Halt, и существует несколько продуктов LiPo (UPiS), и более общие варианты с батарейным питанием уже обсуждались на этом сайте. Я знаю только один проект с использованием суперконденсаторов, но они подключены последовательно, и между необходимостью балансировки конденсаторов и отсутствием повышающего преобразователя полезное время работы от резервного питания более ограничено, чем возможно, и неэффективность может быть уменьшена. Мне интересно, какой будет наиболее эффективная топология для этой системы.

В настоящее время два метода, о которых я могу думать, имеют относительные значения, и у меня нет опыта, чтобы выбрать лучший или узнать, не думаю ли я о лучшей идее.

Первый, кажется, простой метод (24VAC->Rect->2.4VDC->5VDC->Load):

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Более сложная версия будет понижать до 5 В, а затем двунаправленным усилением/понижением до конденсаторов (24 В переменного тока->Прямое->5 В постоянного тока(<->2,5 В)->Нагрузка):

схематический

смоделируйте эту схему

Я ожидаю, что вторая версия будет более энергоэффективной, если предположить, что источник питания общедоступен, но первая конструкция будет работать лучше в случае отключения электроэнергии или понижения напряжения.

Какой из них будет наиболее эффективным с учетом как энергопотребления, так и коэффициента мощности? Будет ли один из них с большей вероятностью работать, как ожидается, в большинстве ситуаций? Может ли какая-либо конструкция вызвать проблемы с питанием нагрузочного устройства (RasPi) во время первоначальной зарядки колпачков? Что-нибудь еще, на что следует обратить внимание/что нужно знать?

В конце концов, я узнал об этом больше, правильные ключевые слова для ответа на мой вопрос были «Топология ИБП». Первый пример представляет собой пример топологии ИБП, подключенного к сети, тогда как второй относится к категории линейно-интерактивных ИБП, а топология автономного ИБП не представлена. Эффективность, стоимость, уровень электрической защиты, размер и надежность — вот некоторые общие компромиссы между различными топологиями. fs.com имеет больше информации.

Ответы (2)

Ваша первая схема довольно проста в изготовлении и, скорее всего, будет работать нормально. Снижение эффективности не так важно, когда вы работаете от сети. Второй будет сложнее реализовать.

Для любой конструкции вы не сможете использовать самые дешевые повышающие преобразователи, потому что наиболее распространенные из них сделаны для диапазонов напряжения Li-Ion (т.е. они повышают напряжение от 3..5В до 5В).

Также имейте в виду, что емкость не измеряет количество хранимой энергии, это будет C*V 2 , поэтому конденсатор 10F, рассчитанный на 2,5 вольта, хранит такое же количество энергии, как конденсатор 2,5F, рассчитанный на 5В, или конденсатор 0,1F, рассчитанный на номинальное напряжение. на 25В. Этот факт также объясняет, почему низковольтные конденсаторы дешевле и меньше по размеру.

Еще одна проблема с суперконденсаторами заключается в том, что они часто являются просто прославленными резервными батареями RTC с рекомендуемыми токами разряда порядка 1-10 мА и внутренним сопротивлением 1-10 Ом. Вытягивание 0,5 А из таких колпачков приведет к необратимому повреждению. Внимательно прочитайте всю спецификацию перед покупкой, а не просто проверьте емкость и напряжение и предполагайте, что все остальное будет в порядке.

Я по-прежнему предлагаю вам рассмотреть литий-ионный аккумулятор как самое дешевое и эффективное решение. Это то, что я использую в своем Banana Pi, который обнажает литий-ионные аккумуляторные площадки на плате и не требует дополнительных деталей (кроме самой батареи) для резервного питания.

Меня меньше беспокоит эффективность, когда сеть подает питание (кроме того, чтобы не тратить все впустую), и исходить из предположения, что подключение к сети будет прерывистым (вариант использования - термостат). Поэтому я хочу иметь возможность переключать источник заряда с любой точки цикла заряда. В то время как литий-ионные или литий-полимерные батареи намного лучше, чем никель-батареи, в таких вопросах, как низкий срок службы и память заряда, конденсаторы по-прежнему намного лучше подходят для таких целей в течение нескольких лет, насколько я могу судить.

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

Ниже приведено полное описание конструкции, включающей управление снижением напряжения и отключением. (А почему вы по привычке не проверяете Hackaday утром и вечером?)

На самом деле это устройство Juice4Halt, о котором я упоминал в вопросе. Кроме того, конденсаторы соединены последовательно, а не параллельно, как я хочу сделать. Я также пытаюсь избавиться от необходимости использования микропроцессора (Altmega328P на рисунках).
@btharper Я пропустил это. Недавно я купил 10 суперконденсаторов Tokin 5,5 В 1F, чтобы использовать их для той же цели. Дешево из Китая, и каждый размером с стопку из 5 американских пятицентовых монет. Мне нравится ваш второй дизайн, но нужно поэкспериментировать.
Да, конденсатор на 5,5 В будет проще (только встроенный), но конденсаторы на 2,5/2,7 В дешевле и имеют гораздо большую емкость. Глядя на это еще немного, я не могу понять, почему два преобразования были бы лучше, хотя настройка определенно все еще необходима.
Конструкция низковольтного ИБП постоянного тока Supercap
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v