Ośwetlenie LED.Sterowanie zasilaniem awaryjnym z akumulatora

Witam !
Jestem w trakcie projektowania urządzenia do sterowania oświetleniem na Ledach dużej mocy.
Zastosowanie domowe - oświetlanie pomieszczeń użytkowych.

Chciałbym, aby te urządzenie dostarczało oświetlenie w razie awarii zasilania 230V.
Kwestia ta jest tematem tego postu.

W czasie normalnej pracy, jest zasilane z zasilacza impulsowego, lub prosto z transformatora toroidalnego (złącze CON7).
Napięcie zasilania, to 10-40Vdc, w zależności od mocy zastosowanych diod.
W przypadku zaniku zasilania zewnętrznego, przekaźnik automatycznie jest zwalniany i źródłem energii dla Power Ledów jest akumulator o odpowiednim napięciu

Na stałe do urządzenia ma być podłączony akumulator.
Na razie nie przewidziałem układu ładowania akumulatora.

Pytanie dotyczy przekaźnika, sterującego wyborem źródła zasilania.
Nie jestem pewien, czy jest to optymalne rozwiązanie.
Zależy mi na żywotności baterii w trakcie spoczynku.




Wyjaśnienia:
PVCC i PGND zasilają obciążenie, czyli ledy mocy.

Układ BSP450, to tzw. ProFet, czyli mosfet z zabezpieczeniami przeciwzwarciowymi, przeciw wyładowaniom ESD, no i może być sterowany poziomami logicznymi prosto z mikrokontrolera. Na wejściu Vbb, jest dren, oraz podaje się tu zasilanie profeta. Na "Out" jest źródło.

Gałąź VDD to +5V.

Podwójna dioda D4 - BAR43C jest potrzebna, aby spadki napięcia na lini zasilania (podczas zbyt dużego obciążenia), nie wysysały prądu z kondensatora C15.

Dzielnik napięcia na akumulatorze, służy do monitorowania stanu naładowania akumulatora.

Byłbym bardzo wdzięczny za opinie, a w szczególności te negatywne.
Pozdrawiam.
Michał Kaczmarczyk

1. Ze wzgledu na pobór prądu, lepsze jest użycie tranzystorów mocy MOSFET niż przekaźników: ich obciążalność obecnie sięga kilkudziesięciu amper, przy oporności "on" na poziomie kilkunastu - kilkudziesieciu miliohmów, co jest porównywalne z własnościami styku przekaźnika, przy praktycznie zerowym poborze prądu dla wysterowania.
2. Nie wiem do czego służy tutaj monitorowanie stanu akumulatora, z reguły raczej wystarczy zadbać o dopowiednie samoczynne ładowanie. Akumulatory bezbsługowe (np. żelowe) mogą mieć przez cały czas podawane napięcie do 14,4V (niektórzy zalecają do ok. 13,8V - ale wtedy nie mają zgromadzonego 100% ładunku), powiedzmy, że gdy napięcie się obniży w pobliże dolnej granicy wyładowania, układ może to sygnalizować "oszczednym" poborem prądu: załączając światło na 1 - 2 sekundy, a potem np. 5 - 10 sekund przerwy. Podobnie można postąpić z innymi akumulatorami: nieprzekraczalna granicą podczas ładowania dla NiMH jest 1,4V na ogniwo, a dla Li-ion to 4,2V na ogniwo, a dla rozładowania 1V dla NiMH lub 2,9V dla Li-ion. Do ładowania wystarczy dość prosty układ np. z LM317 lub tyrystorem, na którego anodę podaje się napięcie tętniące, a na bramkę napięcie o 0,7V wyższe, niż napięcie końcowe ładowania akumulatorów.
3. Granicą rozsądnej walki z poborem prądu w stanie spoczynku jest samorozładowanie akumulatorów, które dla NiMH wynosi ok. 1,5% na dobę, dla żelowych 0,5 - 1% na dobę, a dla Li-ion 0,2 - 0,3% na dobę.

Bardzo dziękuję za odpowiedź.
Jak najbardziej należy się "pomógł".

Jerzy Węglorz wrote:

1. Ze wzgledu na pobór prądu, lepsze jest użycie tranzystorów mocy MOSFET niż przekaźników: ich obciążalność obecnie sięga kilkudziesięciu amper, przy oporności "on" na poziomie kilkunastu - kilkudziesieciu miliohmów, co jest porównywalne z własnościami styku przekaźnika, przy praktycznie zerowym poborze prądu dla wysterowania.

To fakt, na początku wykluczyłem tą opcję, zakładająć, że do wysterowania MosFeta, potrzeba napięcia o kilka woltów wyższego niż potencjał źródła.
W tej aplikacji (mosfet N fruwający przy górnej gałęzi zasilania, jest to nie możliwe).

Rozumiem, że rozwiązaniem jest zastosowanie Mosfeta typu P.
Chyba, że się mylę, bo nie jestem pewien, czy w tej aplikacji to się sprawdzi.

Jerzy Węglorz wrote:

2. Nie wiem do czego służy tutaj monitorowanie stanu akumulatora, z reguły raczej wystarczy zadbać o dopowiednie samoczynne ładowanie.
(..)
..powiedzmy, że gdy napięcie się obniży w pobliże dolnej granicy wyładowania, układ może to sygnalizować "oszczednym" poborem prądu: załączając światło na 1 - 2 sekundy, a potem np. 5 - 10 sekund przerwy.

Mam na to inny sposób - gdy napięcie na akumulatorze zacznie przysiadać, mogę zmniejszać wysterowanie Ledów. Przy sterowaniu przebiegiem PWM z mikrokontrolera, nie stanowi to żadnego problemu.

Jerzy Węglorz wrote:

Akumulatory bezbsługowe (np. żelowe) mogą mieć przez cały czas podawane napięcie do 14,4V.

Dziękuję za cenną uwagę. Nie znam akumulatorów żelowych, dlatego nie przewidziałem takiego rozwiązania. Wydaje mi się, ze jest to najlepsze i najtańsze rozwiązanie samoładowania się akumulatora.

A jak jest z żywotnością takiego akumulatora ?
Dobrze by było, aby można było przez cały czas działania urządzenia podawać na akumulator ustalone napięcie ładujące (czyli codziennie, najlepiej przez kilka lat). Przewiduję w takim razie tani stabilizator do tego celu.

Jeszcze raz dziękuję za odpowiedź.

Zalecane sposoby ładowania akumulatorów są podawane przez producentów, sięgnij po odpowiednie instrukcje. Nie musisz się sugerować reklamami producentów ładowarek, bo z kolei ci prześcigaja się w licytacji forsownych sposobów ładowania w najkrótszym czasie - Tobie to nie jest potrzebne. Jeśli nie masz ograniczenia miejsca, to zamiast akumulatora żelowego o niewielkiej pojemności możesz użyć akumulatora samochodowego albo motocyklowego, najczęściej mają nie gorszą trwałość, a nowoczesne konstrukcje też są "bezobsługowe" - głównie dzięki mało forsownemu trybowi ładowania z precyzyjnym ograniczeniem napięcia.
Zywotność akumulatora w samochodzie to z reguły 6 lat, mimo, że taki akumulator pracuje w zdecydowanie trudnych warunkach: duże pobory prądu przy rozruchu, zmiana temperatury od -30 do +60 i wyżej, wstrząsy ...
Pamiętaj o bilansie energetycznym, akumulator samochodowy (12V, 50Ah) ma 600 watogodzin, więc np. 10W może oddawać przez 60 godzin ...

Kolejny raz dziękuję za odpowiedź. Wszyscy otrzymują "pomógł".

WojcikW wrote:

Układ zasilania awaryjnego może być prosty. Wystarczy przekaźnik zasilany z układu podstawowego, po zaniku napięcia sam się przełączy na zasilanie awaryjne i nie pobierze nawet mikroamperów z akumulatora.

Właśnie takie było moje założenie.
Podczas zasilania pośrednio z 230V, nie szkoda tych 50mA na załączenie przekaźnika.

Rozważając tą kwestię trafiam na same kłopoty.
Podstawowym jest ekonomia.

WojcikW wrote:

W przypadku zasilania awaryjnego akumulator pozastaje cały czas pod napięciem 13,5V. W przypadku gdy zostanie rozładowany należy go jak najszybciej naładować, napięcie w końcowej fazie ładowania może być wyższe niż 14,4V, jednak nie należy przekraczać 16V. Po naładowaniu przełączyć na 13,5V

Rozumiem, że jest to złoty przepis.
1. A jak mogę sprawdzić, czy akumulator jest już naładowany ?

Rozumiem, że mam go ładować stabilizowanym napięciem, a nie prądem.
2. Zatem, jeśli się naładuje, to prąd się zmniejsza, tak ?

Jeśli będę znał algorytm ekonomicznego ładowania akumulatora, to mogę sam wyklepać odpowiedni schemat, ale potrzebuję podpowiedzi.

Chcę zastosować tradycyjny akumulator samochodowy, bo ma największy współczynnik "pojemność/cena".

3. Proponuję:
Stabilizacja napięcia na LM317, 2 opcję napięcia wyjściowego 14,4V przy ładowaniu i 13,5V przy spoczynku, tak ?

Witam !!

Odnośnie ładowania akumulatora to powinien być ładowany zarówno z ograniczeniem napięcia jak i natężenia, ja jako ładowarkę używałem odpowiednio zmodyfikowanego zasilacza od PC, na układzie TL 494, po przeróbkach dostarczał prąd o natężeniu nie przekraczającym 8A i napięcie wyjściowe wynosiło 14,4V o ile nie był przekroczony prąd ładowania.
W przypadku rozsądnego prądu pobieranego przez diody led (powiedzmy 1/20 pojemności akumulatora wyrażonej w Ah) ja zastanowiłbym się nad dużo prostszym rozwiązaniem -

Sieć -> ładowarka o wydajności 1/10 C -> akumulator -> zasilane diody.

W ten sposób od razu można rozwiązać i ładowwanie akumulatora i pozbyć się układu przełączania sieć/akumulator. Diody podłączone są na stałe (wraz z urządzeniem sterującym) do akumulatora, a ładowarka służy również jako źródło zasilania. Ten sposób jest często stosowany w droższych UPS'ach, nie występuje w nich żadne zakłócenie przy przełączaniu, ponieważ pracuje on non stop z akumulatorów ładowanych z sieci.

Ad. 1 - Można uznać że akumulator jest naładowany gdy przy napięciu na zaciskach = 14,4 V pobór prądu przez akumulator jest znikomy.
Ad. 2 - Tak.
Ad. 3 - Gdyby kolega zechciał podać jakiego natężenia prądu pobieranego się spodziewa, jakiej pojemności ma być akumulator oraz jak szybko powinien zostać naładowany, wtedy można przejść do konkretów i skreślić jakiś schemat.

Pozdrawiam i życzę powodzenia - Daniel

Napięcie 14,4V dla akumulatora kwasowego (12 voltowego) - obojętnie jakiej konstrukcji: "mokrego" czy żelowego - jest granicą początku gazowania. To wynika z potencjałów elektrodowych i potencjału rozkładu wody, to jest elektrochemia. Poniżej gazowanie nie występuje, powyżej - tak! Gazowanie odbywa się kosztem wody (której w elektrolicie jest ok. 70%), i w akumulatorach "mokrych" ten ubytek można i należy uzupełniać, natomiast w akumulatorach żelowych i innych szczelnych to jest niemożliwe, dlatego doprowadzenie do gazowania w akumulatorze żelowym to jest zniszczenie akumulatora.
Napięcie 16V na akumulatorze "mokrym" było dopuszczalne, ale w szczelnym to jest katastrofa.

Kiedyś do pracy buforowej stosowano napięcie akumulatora 2.15-2.18V; praca buforowa to taka, że akumulator
jest cały czas połączony równolegle do odbiornika prądu, i całość jest zasilana napięciem stabilizowanym.
Stwierdzono jednak, że czas powrotu akumulatora do pełnego naładowania jest zbyt długi, że często zdarza
się zasiarczanie akumulatorów pracujących w ten sposób - żeby utrzymać akumulator w dobrym stanie trzeba
było choć raz na parę miesięcy go doładować "do pełna", przy takim napięciu najwyraźniej jeszcze nie był;
inną wypróbowaną metodą było ładowanie akumulatora do 2.7V po każdym zaniku napięcia w sieci.
Było to niewygodne, i wprowadzono inny system: napięcie buforowe 2.25V, i żadnych doładowań - skutkiem
było nieco większe gazowanie, ale uznano je za mniej szkodliwe, niż okresowe intensywne ładowanie.
To odnosiło się do akumulatorów stacyjnych, stosowanych w zasilaniu central telefonicznych.

Obecnie zwykle stosuje się napięcie pracy buforowej 2.25-2.30V - odrobinę wyższe, co powoduje znacznie
większe gazowanie; akumulatory żelowe mają system odzyskiwania wody przez łączenie wodoru i tlenu,
ma on jednak niską wydajność, i przypuszczalnie to napięcie (2.30V) jest maksymalnym, przy którym nie
powoduje to wypuszczania gazów przez zawory bezpieczeństwa, i utraty wody z elektrolitu.

Przy ładowaniu akumulatora, który był choćby częściowo rozładowany, stosuje się wyższe napięcie, ale
niewiele - od 2.4V akumulator już wyraźnie gazuje; 2.7V to jest napięcie podczas ładowania prądem C/10,
przy którym wyłączało się ładowanie - mam wrażenie, że do niego wlicza się spadek napięcia na oporności
wewnętrznej akumulatora, która na skutek gazowania gwałtownie wzrasta.
Obecnie raczej preferuje się ładowanie CC-CV: stały prąd 0.3C do uzyskania napięcia 2.40-2.50V, potem
przez niezbyt długi czas utrzymywanie tego napięcia, i na koniec wyłączenie ładowania.

Sprawdzałem jak ładuje UPS firmy APC (jedna z najbardziej renomowanych) - napięcie rośnie powoli do
2.275V, i takie pozostaje (czyli CC-CV, ale z napięciem pracy buforowej, bez intensywnego ładowania).

Wszystkie napięcia są dla jednego ogniwa (nominalne napięcie 2V) - trzeba pomnożyć przez ilość ogniw.

Dla NiMH napięcie przy ładowaniu może osiągnąć około 1.46V, przy pracy buforowej 1.40-1.42V; rozładowania
do 1V należy unikać - schodzenie poniżej 1.2V nie daje znaczącej ilości energii, a znacznie skraca trwałość.
Dla Li-ion - koniecznie trzeba sprawdzić konkretny typ, część ma maksymalne napięcie 4.1V, a nie 4.2.


Mosfety typu P są znacznie droższe, i trudno znaleźć jakieś o dużym prądzie i małej oporności - może jeśli
włączać mosfetem, to typu N na minusie akumulatora? Ale przy pracy buforowej i tak nie ma przełączania.

Co do pracy buforowej, to jeszcze taka uwaga: jeśli akumulator jest podłączony równolegle do odbiornika,
to - jeśli zasilacz nie ma kondensatora filtrującego - będzie on rozładowywany w czasie, kiedy napięcie
sieci jest bliskie zera, a ładowany "wierzchołkami sinusoidy" - należałoby tego uniknąć, a przynajmniej
ograniczyć, bo może to mieć niekorzystny wpływ na akumulator - czyli: prostownik, kondensator filtrujący,
i dopiero stabilizator napięcia stałego odpowiedniego dla akumulatora - wtedy, jeśli będzie zasilanie z sieci,
to nie będzie poboru prądu z akumulatora, będzie on cały czas dostawał stabilizowane napięcie.

Dlaczego w waszych rozważaniach nie ma nic na temat zasilania solarnego tego typu urządzeń. Mnie się wydaje że jest to podstawowa rzecz do zasilania oświetlenia LED.

W zależności od ilości lamp led należy dopbrac panel solarny. Ze względu na jego cenę nie nalęzy sie rozbiegać z ilością lamp. panel mozna zbudowac z nieco niższym napieciem i ewentyalnie przy pomocy przetwornicy ładowac akumulator. jest to oczywiście roziązanie na "lato". mam cos takiego u siebie i oświetlam sobie balkon. Całość instalacji załanczana jest przy pomocy czujki ruchu. Jest to mały system ale na początek też dobry. Z tym forum to masz rację nie zaglądam często bo siedzę w warsztacie i cos zawsze dłubie . Proszę o pytania - jęsli tylko cos wniosę to odpowiem.

zbyszek1 wrote:

Dlaczego w waszych rozważaniach nie ma nic na temat zasilania solarnego tego typu urządzeń. Mnie się wydaje że jest to podstawowa rzecz do zasilania oświetlenia LED.

Tak, bardzo dobrze, że o tym piszesz. Ja tym sposobem ładuję akumulator 12V od lata 2006. Początkowo zasilałem dwie latarki rowerowe na ledach. Teraz od czasu do czasu zapalam sobie świetlóweczkę 15 W pozbawioną fabrycznej elektroniki. Do pracy w tym zespole zatrudniłem przetworniczkę 12/220V kupioną na allegro za 10 zł.
Fajna sprawa. Problem tylko w tym, że teraz czasem muszę aku podładować przez chwilę prostownikiem, ale już niedługo ten problem zniknie przy względnie oszczędnej eksploatacji. Słoneczko się przecież będzie pokazywać na dłużej. Może udostępnisz schemacik Twojej przetwornicy lub jej dane w inny sposób. Zrozumiałem, że masz wpiętą na linii panel solarny - akumulator.
Pozdrawiam

Myślę, że panel solarny to raczej nie do oświetlenia awaryjnego - bo ono z definicji jest mało używane,
a panel solarny jest dość drogi - a do oświetlenia używanego na co dzień. Tylko koszt akumulatora jest
wyższy, niż koszt energii elektrycznej, jaką można w nim zmagazynować przez cały czas eksploatacji.

a moze panel solarny i bateria kondensatorow takich jak do podtrzymywania pamieci - kilka faradow / kilka woltow moze i dogie rozwiazanie ale raz na zawsze , ew kondensatory do sprzetu audio ale nie wiem jak dlugo one trzymaja ladunek .

Na kwadrans dla jednego LED-a może taki kondensator starczy...

Submariner!
Małe obliczonko: Pojemność 1 farada daje ładunek 1 kulomba (czyli 1 amperosekundy) kosztem obniżenia napiecia na kondensatorze o 1V. Jeżeli źrodłem jest kondensator o pojemności 10F, to prąd 100mA może dawać przez 150 sekund, obniżając swoje napięcie od 4,5V do 3V.
A teraz akumulatorki: 3szt "R6" o pojemności 2500mAh (takie po 4.- zł): prąd 100mA mogą dawać przez 25 godzin, kosztem obniżenia napięcia od 3,9 do 3,3V.
Czy widzisz RÓŻNICĘ?