5V USV ohne Akkus sondern mit Caps?

[quadrable]

Guten!

Ich brauche eine 5V Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung mit max. 10W. Da ein Akku nicht in Frage kommen darf, möchte ich es gerne mit Puffer-Elkos machen. Die Speisungszeit liegt nur bei max. 10 Sekunden, ich gehe aber von max 1-2 Sekunden aus.

Da ich keine eigene Platine verwenden möchte, suche ich nun eine fertige Platine mit Elkos. Könnte ihr was empfehlen?

[MisterMou]

Wie groß darf denn der Spannungsabfall maximal sein? Dementsprechend muss erst einmal die Kapazität der Kondensatoren bestimmt werden.

[quadrable]

Also ich habe davor einen DC-DC-Wandler auf 5V. Der Mikrocontroller macht ab 3,3V Probleme.

[Bumbum]

Hallo,

ich versuche mal mein gelerntes Wissen zusammenzutragen. 10W heißt eine Stromaufnahme von 2A an 5V. Das entspricht einem ohmschen Widerstand von 2,5 Ohm.
Von 5V auf 3,3V sind es ca. 70%, weshalb man das ganze vereinfachen kann. Tau ist die Zeit, die benötigt wird um den Kondensator auf 70% zu entladen: Tau = R*C.
Die Zeit soll 10 Sekunden sein, also ergibt sich für C eine Kapazität von 4 Farad.

Hui! Ich habe mal einen 1F Kondensator fürs Auto gesehen, der hatte ca. 10cm Durchmesser und eine Höhe von ca. 30cm...

Viele Grüße
Andreas

[MisterMou]

Musst du quadrable die Arbeit abnehmen? ;)

War das Auto 20Jahre alt oder war das ein Kondensator für Hochspannungen?
Heutzutage passen über 100F in eine Bierbückse.

[Bumbum]

Hallo MisterMou,

ich denke meine Berechnung sind eine grobe Schätzung, quadrable kann gerne die Formeln recherchieren und das genaue Ergebnis beisteuern, dann lerne ich auch noch was. ;-)

Der von mir beschriebene Kondensator war ich für Hifi-Anlagen. Also 12V und mit sehr niedrigem Innenwiederstand für hohe Stromabgabe.

Was du als Bierbüchse bezeichnest geht wohl mehr in den Bereich Goldcap. Die können nicht den benötigten Strom von 2A liefern. Irgendein Zwischending zwischen meinen 4 "Bomben" und deiner Bierdose wird es wohl werden, wenn es so etwas überhaupt zu kaufen gibt und noch dazu bezahlbar ist.

Die eigentliche Frage ist aber eigentlich: Warum darf kein Akku verwendet werden?

Viele Grüße
Andreas

[Besserwessi]

Eine Leistung von 10 W bei 5 V ist heute schon eher ungewöhnlich, denn 5 V sind bei modernen Teilen nicht mehr das Mass der Dinge. Wenn der µC erst ab 3.3 V Probleme macht, wieso reichen dann nicht 3,6 V. Wenn es geht würde man den Puffer auch eher vor dem DCDC-wandler haben - der Wandler kann dann den Spannungsabfall am Kondensator ausgleichen. 10 W für 10 s sind halt 100 Joule. Die im Kondensator gespeicherte Energie ist 1/2*C*U², und davon kann man in der Regel nur einen Teil (vielleicht 50%) nutzen.

[quadrable]

Der Bekannte wollte nur keine Batterie für seine Schaltung haben. Er meinte, dass es doch zu wartungsintensiv sei. Naja, ein Elko hält auch nicht ewig ;-)
Also die 10W sind erste Hochrechnungen und noch daher noch keine praktischen Erfahrungen. Ich gehe aber eher von 5 Watt aus.

Nehmen wir als an, dass der Verbraucher 5 Watt aufnahme hat. Die Spannung darf z.B. innerhalb von 3 Sekunden von 12V auf 3.5V.

Dann wäre es doch:
C = I/(dv/dt)
= 0,5A/(8,5V/3s)
= 1,5As/8.5V = 0,17 F

oder nicht?

Alternativ könnte ich natürlich einen 12V Blei-Akku (http://www.pollin.de/shop/dt/MTY5ODI3OTk-/Stromversorgung/Akkus/Blei_Akkus/Blei_Akkumulator_KUNG_LONG_WP1_2_12_12_V_1_2_Ah.ht ml) nach einem 12V DC-DC-Wandler hängen und von da auf einen 5V-DC-DC-Wandler gehen. Das der Akku nicht mit 13,8 V aufgeladen wird nehme ich in Kauf.

[MisterMou]

C = I/(dv/dt)
= 0,5A/(8,5V/3s)
= 1,5As/8.5V = 0,17 F

:D so einfach ist das nicht.
Das "d" steht nicht für Delta, sondern für Differenzial;)

Ich rechne das mal durch und mach eine allgemeine Formel fertig.

- - - Aktualisiert - - -

Soo, ich habe das mal fix fertig gemacht, damit sollte jeder auf seine passenden Kondensatoren kommen.
Es wird davon ausgegangen, dass die Last ein rein ohmsches Verhalten hat, außerdem werden Leitungsinduktivitäten und -kapazitäten vernachlässigt. Auch der Innenwiderstand des Kondensators wird vernachlässigt. Um es kurz zu sagen, alles was ein Hobbybastler nicht braucht ;)

http://www.abload.de/img/gleichungc4ssl.png (http://www.abload.de/image.php?img=gleichungc4ssl.png)
U0=Quellspannung
UR=Mindestspannung an der Last
R=Widerstand der Last
t=Zeitraum, der gepuffert werden soll
C=Kapazität des Puffers

[clso]

Danke für die Berechnung. Blicke da leider immer nicht so ganz (und schnell) durch.
Was und wie viele Ersatzbatterien Notstromanlagen (http://www.zdis.de/) habt ihr im Einsatz?
Und natürlich für welche Größenordnung an Systemen und Clients?

[PsiQ]

Das mit dem Kondensator ist wenn es funktioniert zwar eine schöne Sache, aber die Goldcaps mit 5V Spannung kosten einiges.
PC-Mainboards werdens eit Jahrzenten im BIOS durch Lithiumzellen gepuffert. Das sind die CR2032 mit 3V Nennspannung, neu haben die aber auch 3,3V.
Wenn du eine Diode findest die dir bei deinem real benötigten STrom nur 0,3V Spannung als Vdrop verbraucht, kannst du die größere Variante der Zellen nehmen mit 3,6V Nennspannung.
Dann kommen noch 3,3V beim Controller an, und für kurze Zeit ist das auch mit hohen Strömen möglich. Vorteil bei kleinen Dioden: Der Vdrop sinkt wenn die heiß werden!!

Ich würde dir daher wenn du nun schon über einen Akku nachdenkst die Variante mit 10Jahres Lithiumbatterien raten. Wenn du davon 2 oder 3 nimmst, kann auch eine verrecken und es tut immernoch.
Die Zellen werden ja nur belastet, wenn kein Netz anliegt.

Wenn eine höhere Spannung durch Reihenschaltung (2x3,3V , 2x 3,6V) oder die Verwendung einer 9V Lithiumzelle möglich ist,
hast du durch anschließen vor dem Regler für deinen µC gar keinen Unterschied (Siehe Alternative im Schaltplan).
Fertige 9V Lithium Blocks sind aber sauteuer, da sind 4 x 3,6V Lithium AA (2xparallel, 2 Reihenschaltung) günstiger und bei dir passend!

Hab mal nochn Schaltplan zu meinem Vorschlag / Vorschlägen gemacht.

Achtung:
Für ein Reset des Mikrocontroller muss zwischen den Batterien und dem Controller dann noch ein Schalter oder Jumper rein!

edit: Ich habe beim oberen Schaltbild den Eingangskondensator vor dem Regler vergessen...

http://s10.postimg.org/v1cu2jjyd/usv_mikrocontroller.jpg (http://postimg.org/image/v1cu2jjyd/)


edit2: Variante 2 mit Redundanz kostet komplett bei reichelt (ohne Versand):
2x Diode SB350 = 2x 0,25€ = 0,50€ (Für 2x D5)
4X Batterien = 4x 3,50€ = 14€ (2x G3 und G4)
-------------------------------------
14,50€
Ohne irgendwelchen Hightech der kaputt geht, alles direkt verlötbar.

http://www.reichelt.de/Lithium-Batterien/TEKCELL-AA01-1A/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=1028&ARTICLE=26535&SHOW=1&START=0&OFFSET=500&
http://www.reichelt.de/SB-SKE-4F-Dioden/SB-350/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=2991&ARTICLE=16043&SHOW=1&START=0&OFFSET=500&

[ichbinsisyphos]

:D so einfach ist das nicht.
Das "d" steht nicht für Delta, sondern für Differenzial;)
Lineare Näherung ist schon ok, wenn nicht stark entladen wird. 5->3.3V ist immer noch im oberen Drittel. Übrigens kommen ich für die lineare Näherung mit den ursprünglichen Annahmen auf knapp 12F und nicht 4F.

5V kann zwar kaum was anrichten, aber bei Farad-Kondensatoren wird mir schwindelig.

[Klebwax]

Was du als Bierbüchse bezeichnest geht wohl mehr in den Bereich Goldcap. Die können nicht den benötigten Strom von 2A liefern.

Aus einem Datenblatt / Beschreibung eines WIMA Supercaps:


Speicherkondensatoren mit sehr hoher Ladungsspeicherung und starker Kapazitätsausbeute.
Die Besondere Stärke liegt im schnellen Bereitstellen von Ladung für pulsartige Anwendungen. Mit Stromstärken bis mehrere 100 A, zu Modulen zusammengeschaltet sogar mehrere 1000 A. ....

Gibts bei Conrad

MfG Klebwax

[PsiQ]

Hmmm. Bei der Formel komme ich für 2.5 Ohm (bzw 5V 2A) auf :

C = [(10 Sekunden):(2.5Ohm x ln(5V:( 5V - 3.3V))] = 3,7 F

Ist das nicht etwas wenig ??

Kopf-Formel:
1Farad = 1 AmpèreSekunde => 2Amp x 10sec = 20As => 20F .. Davon unter 50% nutzbar wären über 40F nötig.
(Ist schon lange her, eventuell hab ich auch falsch eingsetzt in der anderen Formel, bitte um Korrektur falls falsch)

Also trotz der einfachen Lösung mit "nimm eine Batterie" interessiert mich das jetzt, und ich hab mal noch eine (jetzt schon teurere) Lösung mit Kondensatoren überlegt.
Fertig zu kaufen gibts das aber so eh nicht.

Die Schaltung kommt so rechnerisch theoretisch auf 21 F VOR der Diode über die entladen wird, und bei stetig fallender Spannung beim Entladen der Kondensatoren.
Vermutlich muss man daher eher die doppelte Anzahl Kondensatoren verwenden!!

Über R1= 10K Widerstand wird der Ladestrom begrenzt,
auch um ein Gegenstrom über die Kondensatoren zum 5V Regler zu verhindern! Die Spannung der Kondensatoren steigt sonst theoretisch bis 6,9V,
was ja mehr als die 5V vom Regler sind.

Über die Z-Dioden werden die Kondensatoren beim Laden geschützt vor Überspannung und für gleichmäßige Verteilung.
Der 1M (oder 10M) Widerstand entlädt die Kondensatoren damits keinen Kurzen mit Lichtbogen gibt beim Aus/Umbau.
Der Strom fließt bei NetzUnterbrechung dann über D5 zum µC.

Wenn man das Ganze VOR einen Low Drop 3,3V Regler setzen würde und dahinter den µC, könnte man sich den 5V Regler sparen. Die Leistungshardware muss halt dann extra versorgt werden.

Sicherlich interessant, aber Platz und kostenintensiv, die Lithiumbatterien sind da billiger und einfacher im Verbauen.

Schaltung:

http://s18.postimg.org/o4h3n7tz9/usv_mikrocontroller_2.jpg (http://postimg.org/image/o4h3n7tz9/)

edit: Schaltung R1 von 1K auf 10K erhöht da Spannung theoretisch höher als 5V vom Regler möglich. Strom liegt somit unter 1 mA von 6,9V zu 5V.
Hoffe jetzt passt alles.

- - - Aktualisiert - - -

Hier noch die Relaisversion vom Batteriebackup: (Spannung weg, Relais fällt ab, Batterien greifen.. Achtung, Relais braucht etwas Zeit (ms) zum Umschalten, das muss der Regler kompensieren!!)
http://s15.postimg.org/48ayq8g5z/usv_mikrocontroller_3.jpg (http://postimg.org/image/48ayq8g5z/)

.. Ich mach jetzt mal was anderes :rolleyes:...

[Besserwessi]

Es ist wirklich die Frage wozu der µC so viel Leistung braucht. Normal braucht ein µC eher so 1-10 mA bei 3 V, wenn man es sparsam anlegt auch unter 0,1 mA. Dafür ist die Kondensatorlösung auch noch realistisch.

Die Rechnung über die Ladung ist schon fast richtig, es fehlt aber noch der Spannungshub, bzw. hier der erlaubte Spannungsabfall. Die 20 As könnte man also etwa mit 20 F und 1 V Spannungsabfall (z.B. 4,5 V auf 3,5 V) oder auch 10 F mit 2 V Spannungshub erreichen. Nutzbar ist die Ladung voll - da kommt also kein Faktor 50% dazu. Wenn man einen Schaltregler wählt, kann man ggf. noch etwas mehr der Energie nutzen. Hier hat z.B. ein 5 V 10 F Elko dann nach 0,5*C*U² eine Energie von 125 J. Bei einer Leistung von rund 4 W am Eingang des Wandlers wären das theoretisch 30 Sekunden. Allerdings kann man den Elko i.A. nicht ganz leer bekommen, sondern nur vielleicht 50-75% der Energie nutzen.