Пользуясь автономной ветро-солнечной электростанцией, собранной по классической схеме (СБ + ВГ + контроллеры + аккумуляторы + инвертор) часто задумываюсь сколько вообще приходящей энергии от ветра и солнца тратится впустую, — выделяется теплом на различных преобразователях.
Типичная цепочка потерь обычно такая; КПД контроллера обычно высокий, но тоже греется при большом проходящем токе, пускай будет 99%, КПД аккумуляторов около 90%, КПД инвертора 85%. Получается если смотреть телевизор с потреблением 100 ватт*ч, нам нужно чтобы наша автономная электростанция вырабатывала 100 ватт + 1% + 10% + 15% + = 66%, 100+26%=126 ватт*ч. Но это ещё не все потери, есть потери в проводах и они очень заметны когда по ним пропускают большой ток. Но будем считать что сечения проводов подобраны правильно и потери не более 2-3%. Тогда получается что в среднем 30% энергии сгорает впустую, но это средний уровень потерь, он может быть гораздо больше если нагрузки возрастут до 1-2кВт.
При большой потребляемой мощности падает КПД аккумулятора, инвертора, в проводах возрастают потери и в общем весь КПД системы подающей ток до конечного потребителя (устройства) может быть всего 60% и даже 50%. Но грубо говоря потери в среднем 30%, это значит что систему нужно строить на 30% больше и дороже, а это очень чувствительно. А так-же цепочка из преобразователей понижает надёжность всей системы, так-как сломаться может контроллер или инвертор.Особенно много энергии теряется на инверторе, в среднем 15-20%, и невольно напрашивается мысль о исключении из системы этого дорогова устройства.
Как вариант можно перейти на питание от постоянного напряжения 12 вольт, 24 вольта, или 48 вольт. Под эти напряжения есть масса готовых устройств и адаптеров питания, особенно для 12 вольт. Есть любая бытовая электроника (телевизоры, холодильники, электрочайники и пр.). Но от 12 вольт не запитать электо-инструмент, насос, стиральную машину, микроволновку, и пр., так-как они не рассчитаны на это, да и от 48 вольт тоже работать не будут. А такие мощные потребители энергии трудно и дорого заменить на работающие от 12 вольт. Проще на самом деле тогда построить систему на 30% мощнее и пользоваться уже имеющимися устройствами.
Но можно перейти на питание от постоянного напряжения 220 вольт
Это избавит от инвертора, но многие приборы от "постоянки" запустить не получится. Это любые устройства на асинхронных двигателях, так-как им нужно переменное напряжение с чистой синусоидой и частотой 50Гц. По-этому насосы и холодильник скорее всего не заработают. Но есть насосы и холодильники, которые могут питаться от постоянного напряжения, и это указано в тех-паспорте.
Так-же любые приборы содержащие импульсные блоки питания тоже могут питаться от постоянного напряжения. Электро-инструмент с коллекторными двигателями тоже без проблем работает от постоянного напряжения. Лампочки освещения тоже в основном работают от постоянного напряжения. От "постоянки" заработает чайник, электо-плитка, и бытовая техника с коллекторными электродвигателями.
При переходе на постоянное напряжение DC 220v мы избавляемся от инвертора, и вся электростанция станет на 20% дешевле расчётной, а это очень прилично на начальном этапе вложения денег на свою автономную электростанцию. Так-же плюс к надёжности системы и безотказности. И экономия на самой стоимости инвертора, так-как хороший преобразователь стоит 15-20 т.руб. Общая экономия с учётом цены инвертора будет очень существенна. Так-же экономия на сечении проводов тоже будет заметна, так-как чтобы передать на 10 метров 1кВт энергии при 12 вольт, нужны провода сечением 30-40кв., а при 220 вольт достаточно 2.5кв.
Но есть и много минусов. Во-первых трудно найти контроллеры заряда для солнечных панелей и ветряков на напряжение 220 вольт, и они очень дорогие. Но эти контроллеры выпускаются на большую мощность и в принципе стоят своих денег, хотя они реально дороже чем контроллеры на 12/24/48/96 вольт аналогичной мощности.
Кроме того аккумуляторов понадобится 18шт, и есть проблема в разбалансировке аккумуляторов между собой. Проблема разбалансировки аккумуляторов не так актуальна если все аккумуляторы одной ёмкости, и из одной партии, и эти АКБ качественные. Так-же дисбаланс можно устранить соединив все АКБ параллельно и зарядить до 100%. Можно использовать балансиры, но балансиры для 12 вольт АКБ достаточно редкие устройства, но при желании их можно найти.
Собственно сам дисбаланс это когда напряжение АКБ в цепочке разное. При полном заряде, когда общее напряжение АКБ (14*18=252) вольта, на отдельных аккумуляторах может быть не 14 вольт, а больше или меньше, и если больше, то аккумулятор в цепочке перезаряжается. Так-же и при разряде какие,то АКБ разряжаются глубже и теряют ёмкость быстрее, а далее этот процесс усугубляется. И в итоге попорченные АКБ быстро теряют ёмкость, и портят другие АКБ в цепочке, и от этого быстро умирают все 18 шт аккумуляторов. К слову сказать те-же проблемы, но в меньшей степени у систем 24/48 вольт. И только у системы на 12 вольт нет проблем с этим, и аккумуляторы параллельно можно соединять любой ёмкости, они друг другу не мешают.
Вывод: В общем питаться от постоянного напряжения 220 вольт можно, и можно обойтись без инвертора, но придётся ограничивать себя в каких-то электроприборах, которые не могут работать от " постоянки". Но в целом грубо говоря 80% современных приборов могут работать от постоянного напряжения и это указано в тех-паспорте. Правда этот параметр часто не пишут явно, так-как питание от постоянного напряжения большая редкость, но эту информацию можно уточнить у производителя.
А для питания маломощной электроники можно строить систему на 12 вольт и не использовать инвертор. Обычно мелкая электроника через зарядные устройства питается от напряжения 12 вольт, и 5 вольт. И нет смысла из 12 вольт напряжения аккумуляторов с помощью инвертора делать 220 вольт, а потом снова понижать до 12 вольт, так-как от 12 вольт электронику как в автомобиле можно питать сразу. А для устройств на 5 вольт можно использовать DC-DC преобразователи которые из 12/24 вольта делают 5 вольт (автомобильные зарядные устройства).
Простейший путь организовать надёжное питание микроконтроллерного устройства — это «не изобретать велосипед», а использовать покупные промышленные адаптеры. Среди радиолюбителей достаточно популярными являются малогабаритные блоки питания в пластмассовом корпусе с запрессованной в него вилкой. В обиходе такие адаптеры называют «сетевыми вилками» или, по-английски, WW (Wall Warts).
Различают аналоговые и импульсные «сетевые вилки».
Аналоговые «сетевые вилки» выполняются по традиционной схеме «трансформатор — мостовой выпрямитель — электролитический конденсатор фильтра». Их выходное напряжение обычно не стабилизировано, хотя встречаются блоки питания с встроенной микросхемой из серии «78хх». Электрические параметры «сетевых вилок» указываются прямо на этикетке корпуса. Типовые значения: выходное напряжение 1.5. 12 В при токе нагрузки 0.2. 2 А.
Важный нюанс. Заявленные в этикетке данные могут не соответствовать действительности или выполняться с чрезмерным нагревом корпуса. Хорошим ориентиром при выборе адаптера является его масса. Чем он тяжелее (250. 450 г), тем больше выходная мощность и тем меньше температура нагрева.
Импульсные «сетевые вилки» тоже содержат трансформаторную развязку, но только на более высокой частоте. Внутри у них находится стабилизированный транзисторно-микросхемный AC/DC-преобразователь напряжения и импульсный трансформатор. Для сравнения, при выходной мощности 18 Вт, они весят всего лишь 200 г, имеют хороший КПД и низкий уровень пульсаций (Табл. 6.1). Из недостатков — более высокая цена, чем у аналоговых «сетевых вилок».
Шнур, выходящий из «сетевой вилки», оканчивается штыревым разъёмом DC Plug из серий «DJK», «2А» «РС» (название зависит от фирмы-изготовителя). Подбирая к нему ответную часть, надо знать точные геометрические размеры, потому что диаметры штырей встречаются разные. И хотя отличие порой составляет полмиллиметра, это может стать непреодолимым препятствием для стыковки.
На Рис. 6.1, а. ж показаны схемы организации питания от сети 220 В с использованием «сетевых вилок».
Рис. 6.1. Схемы организации питания от сети 220 В через «сетевые вилки» (начало):
а) типовая «сетевая вилка». Выходное напряжение не стабилизировано и зависит оттока нагрузки. Диаметр штыря разъёма XI в основном бывает двух типов: «малый» (1.65 мм) и «большой» (2.1 мм), что надо учитывать, подбирая ответную часть;
б) адаптация к сети 220 В «американской сетевой вилки», изначально рассчитанной на переменное напряжение 110 В. Резистор RI разряжает балластный конденсатор C1 при отключении устройства от сети 220 В, иначе «искра» от конденсатора может больно пройти через тело человека, если случайно взяться за сетевую вилку пальцами;
в) если имеется возможность выбрать одну «сетевую вилку» из нескольких однотипных, то следует по миллиамперметру PAI измерить переменный ток в первичной обмотке трансформатора 77 на холостом ходу, т.е. без нагрузки. Себе лучше оставить ту«сегевую вилку», которая имеет минимальный ток, обычно в районе 10. 20 мА;
г) автоматическая подача питания +5 В при нажатии кнопки SBI, при этом начинает работать телевизор или иной бытовой прибор (торшер, вентилятор). Первичная обмотка трансформатора 77 «сетевой вилки» дорабатывается уменьшением числа витков до 120. 160 проводом ПЭВ-0.31. В рабочем состоянии на первичной обмотке должно падать 3. 4 В, то есть трансформатор напряжения превращается в трансформатор тока. Стабилитрон VD5 защищает вход стабилизатора DA1 от импульсных перегрузок при включении/выключении телевизора;
Рис. 6.1. Схемы организации питания от сети 220 В через «сетевые вилки» (окончание):
д) аппаратное уменьшение температуры греющейся «сетевой вилки» с некачественно изготовленным трансформатором 77 (недостаточное число витков в первичной обмотке). Доработка заключается в установке элементов Rl, C1. CJ. Конденсатор C1 снижает напряжение, а элементы С2, CJ, VDI, VD2 — удваивают его;
е) схема Р. Степьена. Стандартные диоды моста «сетевой вилки» заменяются стабилитронами VD1. VD4, которые одновременно являются выпрямителями и стабилизаторами. Выходное напряжение получается на 0.7 В больше, чем пороговое напряжение одного стабилитрона. Балластный конденсаторе/ и резистор R1 ставятся в том случае, если первичная обмотка понижающего трансформатора 77 имеет слишком малое омическое сопротивление;
ж) А1 — это покупной «электронный трансформатор» для питания галогенных ламп. Его, в первом приближении, можно считать импульсной «сетевой вилкой», работающей на частоте около 30 кГц (зависит от мощности нагрузки). Доработка заключается в дополнительном введении в базовую схему сглаживающих конденсаторов С5. С7 и выпрямителя на высокочастотных диодах Шоттки VD7. VD10. Возможные замены диодов: MBR340, КД213, КД257 и другие аналогичные с обратным напряжением не менее 30 В.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.
В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.
В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.
Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам
1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;
2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.
Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания. Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах.
Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2. Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.
Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2. Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1.
Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом. Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер. Указанный ток должен течь и через резистор R1. Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт, по закону Ома определяем его сопротивление:
R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом.
Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт.
Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт. Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!
Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:
где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).
Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С, мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.
Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом.
Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс, мы определим значение ёмкости конденсатора:
С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10 -6 Ф = 2,3 мкФ
Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.
Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.
Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1, в схему введен резистор R1, который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:
Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения«:
Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1.
Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт.
По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.
Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1. В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.
Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.
С1 = 1 / ( 2 * 3,14 * 50 * ( (220 * 80) / 8 – 80 ) ) = 1,5 мкФ
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт, Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1. Этот ток легко найти:
Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1, равное 80 Ом.
Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения«:
где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1, которое находится по закону Ома:
Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;
R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 82 Ом;
R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм.
Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.
Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения«. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».
Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.
Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ
