PergolyHlavní lišta vyrovnání napětí: Co je to a proč je důležitá?
Stabilizátory napětí jsou klíčovým prvkem pro ochranu vašich elektronických zařízení před negativními vlivy nestabilního elektrického napájení. Výkyvy napětí, přepětí nebo výpadky proudu mohou způsobit poškození citlivé elektroniky, což může vést k vysokým nákladům na opravy nebo výměnu zařízení. V kategorii zaměřující se na stabilizátory naleznete široký sortiment kvalitních stabilizátorů napětí, záložní zdroje, nouzové napájení a náhradní elektrické zdroje, které vám pomohou chránit vaše zařízení a zajistit jejich spolehlivý a dlouhodobý provoz.
Výhody stabilizátorů napětí
Výhody stabilizátorů napětí, záložních zdrojů a náhradních elektrických zdrojů jsou zřejmé. Díky těmto produktům zajistíte, že vaše elektronika bude chráněna před škodlivými výkyvy napětí, což nejen zvyšuje její životnost, ale také zajišťuje její optimální výkon. Záložní zdroje jsou zásadní pro zajištění nepřetržitého napájení ve chvílích, kdy dojde k výpadku elektrické energie. Poskytují spolehlivou ochranu citlivým elektronickým zařízením, přičemž zajišťují jejich správný chod i v krizových okamžicích. Záložní zdroje mohou také sloužit k dlouhodobému pokrytí energetických potřeb v domácnostech nebo firmách, čímž minimalizují dopady na každodenní činnosti při neočekávaných výpadcích elektřiny.
Nouzové napájení je specifickým řešením, které se využívá v okamžiku, kdy dojde k výpadku běžného napájení. Systémy pro nouzové napájení jsou navrženy tak, aby okamžitě a efektivně poskytly potřebnou energii pro zařízení a systémy, které jsou v daném okamžiku nezbytné. S moderními technologiemi, které umožňují integraci s regulačními systémy, je možné zajistit optimální provoz i během výpadku hlavního napájení.
Náhradní elektrické zdroje jsou navrženy pro situace, kdy je nutné pokrýt výpadky hlavního napájení. Tato zařízení nejen že poskytují stabilní a spolehlivý zdroj energie během výpadků, ale zároveň jsou schopna optimalizovat spotřebu elektřiny v domácnostech a firmách. V naší nabídce naleznete náhradní elektrické zdroje, které zahrnují jak malé kompaktní modely pro domácnosti, tak robustní systémy pro velké podniky, kde jsou nároky na stálé napájení obzvlášť vysoké.
Typy stabilizátorů napětí a jejich principy
Lineární stabilizátory
LM7805 je velmi oblíbený lineární regulátor napětí, jehož výstupní napětí se rovná + 5 V. Jak jste si možná všimli, poslední dvě číslice názvu 7805 se shodují s hodnotou výstupního napětí. Stabilizátor LM78XX je součástí rodiny regulátorů, kde XX znamená hodnotu výstupního napětí. A tak například pro stabilizátor LM7812 je výstupní napětí 12 V.
Čtěte také: Podrobný rozbor hlavních postav z "Nebezpečí číhá všude"
Co je to záhadný výpadek napětí? Úbytek napětí není nic jiného než minimální rozdíl hodnot mezi napětím, kterým napájíme regulátor, a jeho výstupním napětím, aby regulátor správně fungoval. Lineární regulátory bohužel nelze napájet libovolným napětím. Vstupní napětí musí být odpovídajícím způsobem vyšší než výstupní napětí. V katalogové poznámce je uvedeno, že pro stabilizátor z rodiny LM7805 je úbytek napětí 2 V. Podle výše uvedeného vzorce by vstupní napětí mělo být minimálně 7 V (5 V + 2 V). Vidíme tedy, že lineární stabilizátory v každém návrhu nepoužijeme.
Dalším zajímavým lineárním stabilizátorem je obvod LM317. Proč je zajímavý? Inu proto, že se jedná o stabilizátor s nastavitelným výstupním napětím v rozsahu 1,2 až 37 V. Možnost nastavení napětí je však zatížena nutností použití dalších externích součástek (rezistorů potřebných k vytvoření děliče napětí).
Hysterezní regulátory
Chceme-li se vyhnout indukčnostem, komplikovanému obvodovému řešení, rušení, nebo i chladičům, použijeme s výhodou hysterezní regulátor zjednodušující připojování a odpojování solárního panelu s ohledem na omezení stavu nabití baterie. Možné budou obě topologie hysterezního spínače, sériová a také „zkratovací“ (Shunt).
V případě sériové konfigurace po dosažení maximálního nabíjecího napětí článku přerušíme přívod k solárnímu panelu, abychom jej pak mohli znovu obnovit poté, co napětí na baterii klesne na svou nižší prahovou úroveň. Hlavní problém spojený se sériovou konfigurací však spočívá v buzení spínače na vyšší straně napájení, který vyžaduje buď nábojovou pumpu pro případ kanálu n, resp. budicí obvody hradla na vyšší straně napájení a s vyšším napětím (MOSFET s kanálem p).
Výhodnější zkratovací variantu pak zachycuje obrázek 1. Klesne-li v tomto případě napětí na baterii pod určitou prahovou úroveň, spínač S1 vypíná, a umožňuje tak proudu ze solárního panelu nabíjet baterii. Když pak napětí na akumulátoru překročí druhý vyšší práh, dochází k aktivaci spínače, který tak svádí proud solárního panelu k zemi. Při zkratu solárního článku spínačem S1 oddělujeme baterii diodou D1. Spínač jsme přitom jednoduše vyřešili MOSFETem s kanálem n, který budíme přímo z výstupu komparátoru vztaženého vůči zemi.
Čtěte také: Jak snadno zvětšit ikony na hlavním panelu
Kompletní regulátor nabíjení s funkcí zkratování vstupu vidíme pro 12V olověné akumulátory na obrázku 2. Na pozici řídicího prvku bude stavět na 100 V monitorovacích obvodech napětí LTC2965 od společnosti Linear Technology s přívlastkem „micropower“. Přestože v našem zapojení s napětím 100 V nepracujeme, provozní rozsah obvodu LTC2965 v rozmezí od 3,5 V až do 100 V velkoryse pokryje běžný napěťový rozsah 12V baterie s více než dostatečnou rezervou. Struktura LTC2965 obsahuje dělič 10:1 s odporem přibližně 78 MΩ pro monitorování napětí baterie na vývodu VIN. Prahové úrovně zde generujeme z přesné reference 2,412 V samostatným vnějším děličem a vše pak porovnáváme s již děleným napětím VIN. Vyhneme se tak potřebě precizních rezistorů s vysokými velikostmi odporu hlavního děliče. Hysterezi zde řešíme přepínáním invertujícího vstupu komparátoru mezi vysokou a nízkou úrovní, přesně tak, jak je definují vývody INH a INL. S těmito spouštěcími body stanovujeme napětí, při kterých nabíjení baterie začíná a také končí.
Z dalších důležitých vlastností obvodu LTC2965 vybíráme nízkopříkonový provoz s celkovým proudovým odběrem 40 µA, a to včetně buzení hradla Q1, interní referenci s přesností 0,5 % a také hysterezní činnost s nezávislým přizpůsobením prahových úrovní.
Zapojení pracuje takto: s napětím baterie pod 13,7 V bude výstup komparátoru nejprve na nízké úrovni a tranzistor Q1 vypnutý. Veškerý dostupný proud ze solárního panelu tak prochází diodou D1 až do baterie a zátěže. S tím, jak se nyní baterie nabíjí, poroste i její napětí. Dostaneme-li se na horní limit pro nabíjení 14,7 V, tranzistor Q1 sepne a zkratuje solární panel na zem. K oddělení akumulátoru od blokovací cesty slouží dioda D1. Při sepnutém tranzistoru Q1 bude napětí na baterii klesat rychlostí závisející na stavu nabití a také velikosti zatěžovacího proudu. Když pak napětí na baterii dosáhne spodního limitu 13,7 V, tranzistor Q1 vypíná a proud z panelu opět teče do baterie a zátěže. Právě popsaný postup nabíjení vykazuje určité prvky cyklického a také udržovacího nabíjení. Výchozí nabíjení pokračuje, dokud napětí na baterii nedosáhne 14,7 V, načež obvod začíná dobíjet pulzně s cílem dokončit celý proces.
Bateriové systémy a napěťové hladiny
Bateriové systémy pro různá použití vyžadují specifické napětí. Které veličiny určují výši napětí v dané aplikaci a jaké možnosti nabízí jednotlivé akumulátorové technologie?
Základy napětí článku a baterie
Odpověď je velmi jednoduchá: „Baterie je soubor vzájemně propojených článků.“ Například lidovým názvem „tužková baterie“ se správně nazývá článek R6 nebo LR6. Písmena v označení článku udávají typ článku a číslo jeho rozměr. Článek je jeden elektrochemický systém skládající se z anody, elektrolytu a katody. Z konstrukčních důvodů je často mezi anodou a katodou vložen separátor z izolačního matriálu, který ale umožňuje propouštět ionty nesoucí elektrický náboj. Napětí článku je odvislé od rozdílu elektrochemického potenciálu anody a katody. Vzhledem k faktu, že napětí článků je dáno jejich chemickou podstatou, nelze z článků jednoho typu složit baterii o libovolném napětí. Protože v baterii je potřeba používat pouze články jednoho typu, je tak napětí celé baterie „kvantováno“. Například jeden zinko-chloridový článek má napětí 1,5 V, takzvaná „plochá baterie“ pak sestává ze tří článků a její napětí je 4,5 V.
Čtěte také: Hlavní vypínač 160A: Podrobný průvodce
V případě akumulátorů se zachovalo z minulosti rozdělení napěťových hladin DC soustav po 2 V (6 V, 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 96 V, 120 V…). Toto dělení vycházelo ze jmenovitého napětí olověného akumulátoru. Při použití dnešních moderních lithiových článků je pak snaha tyto hladiny z důvodů kompatibility dodržovat, a to i za cenu, že ve skutečnosti bude jmenovité napětí takové baterie mírně odlišné. Některé napěťové hladiny jsou i u moderních systémů shodné.
Každý sekundární (nabíjitelný) elektrochemický článek má definovánu základní trojici hodnot napětí vycházející ze samotné chemické podstaty článku. Jsou to: jmenovité napětí, minimální vybíjecí napětí a maximální nabíjecí napětí. Dále pak výrobci definují takzvaná doporučená napětí. Jmenovité napětí uváděné výrobcem článku na jeho obalu, je typické pro daný článek. Je napětí, na které lze článek bezpečně vybíjet, tak aby nedošlo k jeho trvalému poškození. Výrobce proto často doporučuje ještě druhou (mírně větší) hodnotu napětí, než je minimální vybíjecí napětí, při této hodnotě pak zaručuje cyklickou životnost článku. Obdobně jako u napětí vybíjecího, výrobce většinou doporučuje s ohledem na životnost článek nabíjet na napětí mírně menší. Často tento fakt také nezmiňuje v datovém listu explicitně. Napětí článku se tedy pohybuje v rozmezí mezi dolní a horní hodnotou doporučenou výrobcem. Například pro olověnou 12V baterii vybíjenou malým proudem to znamená 10,5 V až 14,1 V. V případě náhrady LiFePO4 baterií (jmenovité napětí 12,8 V) se pohybujeme v hodnotách 10 V až 16 V.
Z tabulky je patrné také, o kolik procent se změní napětí během nabíjení či vybíjení článku. Tento rozsah je potřeba brát v úvahu při návrhu bateriových systémů. U systémů založených na olovu byla tato změna okolo 30 %, v případě moderních lithiových systémů se blíží až 50 %. Na druhou stranu lithiové systémy mají plošší vybíjecí charakteristiku, a tak pokud baterie nepracuje v rozmezí hodnot mezních, ale doporučených, případně pokud ještě více omezíme z důvodů delší životnosti minimální provozní napětí, je změna napětí srovnatelná, respektive lepší než u baterií olověných.
Vliv napětí na výkon a bezpečnost
Napěťové hladiny úzce souvisí s použitím baterie v dané aplikaci. Často jsou tyto hladiny dlouhodobě fixovány a jejich změna není snadná. Stacionární bateriové systémy pro domácí využití mají nejčastěji úložnou kapacitu kolem 5 kWh, s výkonem 3 kW až 8 kW. Pokud vezmeme střední hodnotu 5 kW, znamená to při systémovém napětí 12 V proud přes 400 A, při napětí 48 V je to cca 100 A. Pro vysokonapěťové baterie (HV) vychází ale proud při systémovém napětí 300 V na 16 A.
12V rozvody jsou v současné době nejběžnější jako napětí pro palubní síť u osobních automobilů, dále pro systémy LED osvětlení. V případě automobilu je zdrojem napětí systém alternátor-olověná baterie. O nabíjení a hlídání napěťové hladiny se stará řídicí systém. U starších vozů elektro-mechanický (nabíjecí relé) a u novějších pak elektronický. Nevýhodou elektromechanického systému je větší rozmezí provozního napětí a tím i možnost přebíjení baterie, vůči kterému jsou citlivé především takzvané bezúdržbové baterie.
24V systémy nalezneme především jako palubní síť nákladních automobilů a pracovních strojů. Dále se s tímto napětím lze setkat v rozsáhlejších autonomních systémech s výkony okolo 1 až 2 kW, které jsou často využívány na napájení větších odlehlých rekreačních objektů, kde zajišťují základní pokrytí potřeb elektrické energie na svícení a provoz některých spotřebičů.
48V palubní síť u moderních hybridních automobilů umožňuje využití elektrické energie i pro pohon energeticky náročnějších aplikací jako jsou klimatizace, jízdní asistenti, aktivní podvozek a v neposlední řadě lze při tomto napětí již uvažovat o využití elektrické energie pro pohon vozidla. Hlavní výhodou stálého palubního napětí 48 V je pak zachování těchto funkcí i při vypnutém spalovacím motoru. Použití hladiny 48 V u domácích bateriových systémů lze vnímat jako snahu o úsporu nákladů (je použita většinou kompaktní baterie 48 V jako základ stavebnice) nikoliv technologické optimum.
Méně rozšířené systémové napětí pro výkony do přibližně 10 kW je 120 V, což je starší velmi rozšířená napěťová soustava pro stejnosměrné rozvody.
Jako vysokonapěťové (HV) systémy, jsou označovány systémy pro napětí vyšší než přibližně 150 V. U domácích baterií je snaha používat napěťové hladiny blízké špičkové hodnotě požadovaného výstupního střídavého napětí. Tedy 325 V pro jednofázový systém, případně cca 600 V pro systém třífázový. Důvodem této snahy je minimalizace ztrát v systému způsobených úpravou hodnoty napětí.
Faktory ovlivňující volbu napěťové hladiny
Co ovlivňuje volbu napěťové hladiny systému kromě nároků dané aplikace a počtu článků? V případě stejnosměrného napětí je nutné zmínit dvě dělicí roviny a to hodnotu cca 28 V a hodnotu 60 V. První hodnota je hodnotou napětí, od kterého je možno udržet zapálený obloukový výboj. Ztrátový výkon rezistoru je definován jako součin napětí na rezistoru a proudu rezistorem procházejícím. Pokud vyjádříme ztráty v obvodu jako výkon zmařený na odporu vodičů, pak lze konstatovat, že zmařený výkon roste kvadraticky s rostoucím proudem. Dimenzování vodičů se často provádí na základě maximální povolené proudové hustoty pro daný materiál vodiče. Je tedy žádoucí snižovat proudovou hustotu (proud) ve vodiči, a to použitím vyššího napětí. Na druhou stranu příliš nízká proudová hustota znamená nižší využití vodiče a tím pádem vyšší náklady na vedení.
Samotný elektrochemický článek (lithiového typu) má hodnotu maximálního napětí okolo čtyřech voltů. Pro uložení většího množství energie je pak potřeba velká ampérhodinová kapacita článku. Z výše uvedených postřehů lze tedy vyvodit závěr, že pro provoz bateriového úložiště s velkou kapacitou je vhodné zvýšit napětí systému. Bohužel zvyšování systémového napětí sériovým řazením článků s sebou nese riziko nerovnoměrného rozložení napětí na článcích a tím i jejich poškození. Takový systém pak výrazně zvyšuje nároky na řídicí systémy (BMS, battery management system). Systémy pro vysoké napětí musí být pro splnění požadavků bezpečnosti dimenzovány na krátkodobé přepětí v řádu tisíců voltů.
Z hlediska úrazu elektrickým proudem o maximálním bezpečném napětí rozhoduje okolní prostředí. U stejnosměrných (DC) systémů je za bezpečnou hodnotu považováno napětí živých částí 60 V (krátkodobě - při poruše - lze připustit výskyt napětí až 120 V) v případě zvláště nebezpečných prostorů (vlhké, stísněné prostory) je pak maximální přípustné napětí při poruše 25 V a není povolen dotyk s živou částí. V případě specifických požadavků může být hladina bezpečného napětí dále snížena na 12 V. Systémy s napětím vyšším jak cca 100 V tak lze považovat ve většině případů za systémy nebezpečné.
V případě systémů o systémovém napětí vyšším jak cca 28 V je potřeba připočítat ještě nebezpečí spojené s hořením oblouku při přerušení obvodu. Hoření oblouku je doprovázeno velkým vývinem tepla a následným poškozením (opálením) i kovových částí systému. Oblouk je také hlavním limitujícím faktorem u kontaktního způsobu spínání stejnosměrného proudu. Při napětích pod cca 28 V lze vliv oblouku zanedbat. V tom případě se spínací prvky konstruují jako systémy bez zhášecích komor a je nutno pouze dimenzovat plochu kontaktu. Při napětích vyšších je nutno realizovat opatření pro zhášení oblouku. Tyto systémy jsou často velmi komplikované (magnetické zhášení, tlakovzdušné zhášení) proto je v současné době snaha tyto systémy nahrazovat, tam kde je to technicky možné a vhodné, pomocí bezkontaktních polovodičových spínačů. U spínačů je pak také nutno při dimenzování zohlednit vznik přepětí vlivem indukčnosti obvodu, kdy toto přepětí může napomáhat zapálení oblouku nebo poškodit polovodičový spínač. Spínací prvky je nutno dimenzovat s bezpečnostním koeficientem > 2, tedy pro napětí 1200 V až 1600 V a v neposlední řadě je problematické i samotné sériové řazení jednotlivých článků s ohledem na výrobní tolerance kapacity článku. Nicméně většina výkonových aplikací, jako například domácí baterie či pohon elektrických vozidel, dnes směřuje k systémovému napětí 300 V až 600 V.
Solární systémy a regulace nabíjení
Solární napájecí systémy s baterií pracující v rozsahu od 10 W až do 100 W pro řízení nabíjení svého akumulátoru často využívají spínané měniče. Těží přitom z výhody vysoké účinnosti a snadného sledování bodu maximálního výkonu, avšak za cenu indukčnosti, komplikovaného obvodového řešení a také rušení. V aplikacích přibližně do 20 W pak můžeme využít i jednodušší alternativy ke spínanému zdroji - lineárního řízení. Neruší a není vůbec složité, lineární prvky používané při nabíjení však budou generovat teplo, které potřebujeme odvádět pryč, tzn. musíme počítat s chladičem. Výslednými rozměry, náklady, nebo i složitějším osazováním chladiče proto do jisté míry zpochybňujeme výhody lineárního přístupu oproti spínanému regulátoru.
Pro danou aplikaci však musíme zvolit odpovídající velikost baterie a také solárního panelu. Obecné pravidlo hovoří o maximálním nebo „špičkovém“ proudu panelu na úrovni desetinásobku zatěžovacího proudu průměrovaného po dobu 24 hodin, zatímco kapacita baterie vyjádřená v jednotkách Ah bude odpovídat stonásobku této průměrné hodnoty. Špičkový proud 36článkového panelu odhadneme tak, že vydělíme jeho „obchodně“ udávané watty patnácti. V případě 15W panelu proto můžeme za příznivých podmínek očekávat maximální výstupní proud přibližně 1 A - potřebujeme to však ověřit měřením ve skutečném provozu. Zmíněné vztahy byly odvozeny pro Milpitas (California) s cílem zajistit čtyřdenní provoz samostatného bateriového zdroje s panelem orientovaným tak, aby i v zimě dosáhl maximálního oslunění. Obvod dle obr. 2 byl navržen pro trvalou zátěž 100 mA, tj. 2,4 Ah/den, znamenající použití 1A panelu spolu s akumulátorem o kapacitě 10 Ah. Ten však bude dle obr. 2 poněkud menší, a umožní tak pracovat bez jakéhokoli zdroje světla přibližně tři dny.
Prahové úrovně nabíjení jsou teplotně kompenzovány NTC termistorem v rozsahu od 0 °C až do +50 °C. V případě vyrovnaných podmínek okolí se bez teplotní kompenzace dokážeme obejít a termistor spolu s rezistorem 150 kΩ můžeme nahradit pevnou velikostí odporu 249 kΩ. Pro ty, kdo by si pak přáli ošetřit chyby vnášené rezistory s tolerancemi 1 %, přináší jednoduché řešení obr. 3. Prahovou úroveň nabíjení zde dostavujeme v rozmezí ±250 mV.
Zatímco solární panely budou orientovány tak, aby za rok shromáždily maximální množství energie, samostatné systémy potřebujeme optimalizovat s ohledem na minimální sezónní oslunění, a přihlédnout přitom též k náhodným výkyvům počasí. V prvé řadě se bude jednat o orientaci solárního panelu, což je věda sama o sobě. Teoretický výpočet ideální a pevně dané orientace bude docela jasný, do hry nám však v praxi vstupuje spousta dalších faktorů, včetně atmosférického rozptylu, mlhy, mraků, stínů, výšky nad horizontem apod., což přinejlepším vnáší do celé otázky pouze nepřesnosti.
LiPo RiderProje vybaven dvěma konektory JST 2.0 a lze jej použít jako nabíječku pro lithium-polymerové baterie 1S 3,7 V. A co víc, může to dělat pomocí solární energie připojením fotovoltaického článku. Umožňuje také napájení zařízení prostřednictvím zásuvky USB A při napětí 5 V s maximálním odběrem proudu 1 A.
tags: #hlavni #lista #vyrovnani #napeti #co #je
