USV ohne Zeitbeschränkung für Inselanlage

[cordopc]

Hallo zusammen,

die üblicherweise käuflich angebotenen PC- USV verzögern bei Netzausfall mit Hilfe einer Batterie die Abschaltung des PC, um Daten noch sichern zu können.
Die hier vorgestellte Schaltung geht den umgekehrten Weg. Der PC wird aus dem Akku betrieben….und wenn dieser leer wird, dann wird aufs Netz geschaltet. Wenn der Akku wieder durch Wind/Solar geladen ist; beginnt das Spiel von vorne…..
Meine Inselanlage bestand bisher aus einem 24V/100Ah-Akku und 2 Ladegeräten für Wind und Solar (nachführend). Die Energie benutzte ich über einen 24V Wechselrichter um meinen PC (ca.90W) zu betreiben.
So war es bisher…..…zu Beginn der PC-Einschaltung erst mal prüfen ob der Akku geladen ist. Wenn der Akku im Laufe der Zeit dann leer wurde (Signal kam fast zu spät vom Wechselrichter), musste der PC wegen der sonst drohenden Datenverluste schnell heruntergefahren werden. Anschließend wurde der PC dann für die weiter Arbeit auf Netzbetrieb neu gestartet.

Diese Prozedur hat mich dazu angeregt eine USV-Schaltung zu entwerfen, die einen dauerhaften, unterbrechungsfreien Betrieb meines PC mit automatischer Akku/Netz-Betriebsumschaltung gewährleistet.

Um die Anzahl Mehrfachwandlungen von 24V auf 230V und umgekehrt, zu reduzieren, habe ich den PC zunächst mit einem M4-ATX Netzteil (250W) bestückt. Es ist ein DC-DC Schaltwandler, der aus 6-30V DC, die verschiedenen Versorgungsgleichspannungen für den PC erzeugt. Eine Direktversorgung aus dem 24V-Akku ist somit problemlos möglich und erspart gegenüber der Wechselrichterbenutzung 20W! An der USV kann natürlich auch weiterhin ein Wechselrichter für andere Zwecke betrieben werden oder das E-Bike mal geladen werden……*gg.

Diese jetzt hier entwickelte USV-Anlage schaltet nun je nach Ladezustand des Akkus, anhand vorgegebener Schaltpunkte, auf eine Ersatzversorgung in Form eines 24V-Schaltnetzteiles um. Dies geschieht absolut unterbrechungsfrei –der PC-Betrieb wird nicht unterbrochen- . Sollte während dieses Netzbetriebes der Akku seine Ladeschluss-Spannung wieder erreicht haben, so wird automatisch wieder von Netz- auf Akku-Betrieb zurückgeschaltet. Die Umschaltung von Akku auf Netz wird dabei auch akustisch signalisiert.
Die Hysterese beträgt ca.5V (oberer Schaltpunkt 27V; unterer Punkt 22V). Diese Schaltpunkte lassen sich mit P1+2 individuell festlegen. Das Schaltnetzteil springt nur an als Ersatzspannungsquelle und dient nicht dazu den Akku zu laden (kein Pufferbetrieb)! Um den Schaltungsaufwand und die Spannungsverluste in Grenzen zu halten, wurde die eigentliche Umschaltung mit einem Relais vorgenommen (Kontaktbelastung bis 10A).

Der Akku hängt nach wie vor an den Wind/Solar-Ladereglern und seine Entladung hat immer Vorrang vor Netzbetrieb! Die Anlage läuft seit einigen Tagen (12Std/Tag) einwandfrei. Montiert habe ich die Elektronik auf eine Europlatine.

Vielleicht hat ja der Eine oder Andere auch Interesse an einer solchen Schaltung……..oder hat Verbesserungsvorschläge; deshalb stelle ich die Schaltung hier mal zur Diskussion.
Grüße
Klaus

[Roland]

Hallo Klaus !

Schöne Schaltung hast du dir da aufgebaut.....Ich hätte nur eine Frage bzgl. Versorgungssicherheit

Die USV soll ja normalerweise die Ersatzstromversorgung bei Netzausfall gewährleisten.

Für den Fall das bei dir das Netz ausfällt bist du aber im schlimmsten Fall (Dein System hat gerade den entladenen Akku weggeschalten) völlig ungeschützt, und dein Computer stürzt ab.

Oder hab ich irgendetwas übersehen

lg

Roland

[MyCo]

Kannst du dir den LM2574 nicht sparen? Deine Steuerung würde doch auch mit 24V klarkommen. Und wieso verwendest du überhaupt die HV-Version?
Ohne dem 20V Schaltregler kannst du mit einer Referenzspannungsquelle oder einer einfachen Zener die Vergleichsspannung für die OPs generieren. Das würde sicherlich ein paar mA Leerlaufstrom einsparen und das Rauschen würde evtl. auch reduziert. Die Zener D1, D2 kannste dir wahrscheinlich auch sparen.

[MaRiJonas]

Hallo Klaus,

das finde ich eine SUPER-Idee und toll, dass Du das umgesetzt hast und dass es funktioniert. Gratulation!

Auch das Schaltbild hast Du sehr schön dokumentiert, so dass auch ich als Maschinenbauer was damit anfangen kann und verstehe. Danke.

Vielviel Prozent läuft denn der PC am Netz? Ich frage deswegen, weil eine einfachere Möglichkeit evtl. gewesen wäre den Akku im Notfall übers Netz zu laden.

Gruß

Richard

[andreas]

Hallo Klaus,

die Idee ist prima. Realisiert habe ich sie noch nie, obwohl hier schon oft Bedarf bestand. Handbetrieb geht ja auch...

Einige Dinge scheinen mir verbesserungswürdig. Die Schaltung der beiden Z-Dioden D1 und D2 ist leistungsmäßig tödlich für beide Dioden, wenn die Eingangsspannung etwas zu hoch ist (z.B. fehlender Akku). Sicherer ist es, eine (oder mehrere) Referenzspannung(en) aus einer stabilisierten Spannung abzuleiten und sie für beide Op zu nutzen. Dann gibts an den Spannungsfühlereingängen nur noch Spannungsteiler, welche sehr robust sein können.

Du hast dort Op als Vergleicher verwendet, noch dazu ohne Hysterese. Das ergibt eine ziemlich flache Flanke am Ausgang beim Umschalten. Für eine dynamische Anbindung eines FF brauchst Du dann unnötig große Koppelkondensatoren, was man an C5 und C6 sehen kann. Setzt Du anstelle des Doppel-Op einen pinkompatiblen Doppel-Komparator ein, hast Du immer eine scharfe Schaltflanke. Die Koppel-Cs lassen sich dann auf wenige nF herunterdrehen.

Und zu guter Letzt: der gesamte obere Teil der Schaltung steckt fix und fertig in einem 555 drin. Beschalte den als Fensterkomparator und hänge hinten direkt das Relais mit D5 ran. Der "normale" 555 schaltet +-200 mA ohne externe Treiber. Lediglich die Speisung dafür musst Du dann flacher ansetzen, sie sollte 16 V nicht überschreiten.

MfG. Andreas

[cordopc]

Hallo,
erst mal schönen dank für das Echo......
und jetzt zu den Antworten:
@Roland
das ist richtig...wenn kein Netz und kein Akku mehr da ist...wohin will man dann umschalten........??!!
ein bisschen Schwund ist halt immer....*gg

@MaRiJonas
puffern mit Netzteil.....das habe ich auch überlegt, aber warum dann wieder wandeln...dann besser den Verbrauch direkt aus dem Netz.Wenn Sonnenschein da ist, arbeiten die Solarzellen im Pufferbetrieb. Das reicht fast den ganzen Tag.

@MyCo
der LM war in der Bastelkiste...und warum überhaupt geregelt? Bei jeder Akkuspg.ist so ohne große Verluste immer eine stabile Referenz da.

@andreas
da sieht man wieder....man hat nicht jeden Betriebszustand im Auge......den Eingang werde ich besser sichern für den Fall des fehlenden Akkus!
Auch deine anderen Ideen lassen darauf schließen , dass du elektronisch tief drinsteckst...da hat unsereins als "Hobbyelektroniker" Nachholbedarf!

Vielen Dank bei allen für die konstruktive Kritik!!!
Grüße
Klaus

[Roland]

Hallo Klaus !

Wenn du noch einen 2ten Akku hättest könntest du einen vollen in Reserve halten und bei wirklichem Netzausfall auf diesen umschalten....

damit wäre das bisschen Schwund auch nicht mehr....

lg

Roland

[cordopc]

Hallo,
den Vorschlag von Andreas habe ich aufgegriffen und den OP LM258 gegen einen pinkompatiblen Komparator LM2903 ausgetauscht. Da diese Komparatoren open Kollektor haben, habe ich noch jeweils 3.3k von St1 und St.7 nach +U gelegt. C5 und C6 wurden auf 0.1µ reduziert. D1 und D2 wurden durch Widerstände von 47k und 22k ersetzt.
Diese Änderungen haben sich in der Funktion nicht ausgewirkt...aber sind wohl auch für eine Nachbausicherheit von Bedeutung.

Eine Frage habe ich noch an die Experten:

läßt sich der Relaiskontakt (Schaltstrom ca.10A bei 24V), bzw. das Relais nicht durch Halbleiterbauteile ersetzen; vorausgesetzt, derLeistungsverlust bleibt klein.....??
Ich habe mich mal über SSR Halleiterrelais informiert...aber die sind ja nur zum Schalten von Wechselspannungen geeignet, wegen des erforderlichen 0-Durchganges. Oder mache ich da einen Denkfehler?

lg
Klaus

[andreas]

Hallo Klaus,

das Relais lässt sich durchaus ersetzen. Heute kommen wohl nur Fets als Ersatz in Frage. Ohne große Schaltungsänderungen lassen sich zwei P-Kanals-Fets im Inversbetrieb anstelle der Relaiskontakte einsetzen. Etwas billiger kommt man mit N-Kanal-Fets davon, sie sind dann aber besser in der Masseleitung einzuschleifen. Dazu ist einiges an Schaltungsänderungen notwendig.

MfG. Andreas

[MyCo]

2 P-Fets werden glaube nicht reichen die Dioden könnten beim Netzteil u.U. schon leiten, bevor die Batterie am unteren Umschaltpunkt angelangt ist. Zur Sicherheit könnte man 4 P-Fets nehmen (je 2x antiseriell). Die Verluste mal abgesehen vom Umschalten liegen dann aber bei 2 * I² * RDSon... das wären bei 5A etwa 250-350mW, das ist etwas über der Hälfte des Verlustes an einem Std-Relais

Weniger Verluste hat man mit einem Bistabilen Relais, allerdings um diese einigermaßen zuverlässig zu schalten, braucht man eine etwas aufwändigere Ansteuerung.