Diseño de UPS Supercap DC de bajo voltaje

En general, busco diseñar un UPS para un dispositivo de CC de baja potencia con una corriente de CA de mayor voltaje, con almacenamiento manejado por un supercondensador o un banco cableado en paralelo.

Para mi caso específico, estoy buscando alimentar un RasPi impulsado por un transformador HVAC de 24 VCA y 3 amperios con respaldo de supercaps en el rango de 2.5V - 3V.

Existen algunos productos comerciales similares, el más cercano es Juice4Halt, y existen varios productos LiPo (UPiS), y opciones más generales impulsadas por baterías han sido preguntas en este sitio anteriormente. Solo conozco un proyecto que usa supercapacitores, pero están conectados en serie y entre la necesidad de equilibrar el condensador y no usar un convertidor elevador, el tiempo utilizable con energía de respaldo es más limitado de lo posible y las ineficiencias pueden reducirse. Me pregunto cuál sería la topología más eficiente para este sistema.

Actualmente, los dos métodos en los que puedo pensar tienen valores relativos y no tengo la experiencia para elegir el mejor, o para saber si no estoy pensando en una idea mejor.

El primero es el método simple que parece ser (24VAC->Rect->2.4VDC->5VDC->Load):

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Una versión más compleja sería buck a 5V y luego un Boost/Buck bidireccional a las tapas (24VAC->Rect->5VDC(<->2.5V)->Load):

esquemático

simular este circuito

Mi expectativa es que la segunda versión sea más eficiente energéticamente suponiendo que la fuente de alimentación esté generalmente disponible, pero que el primer diseño funcione mejor en caso de un apagón o una caída de tensión.

¿Cuál sería el más eficiente teniendo en cuenta tanto el uso de energía como el factor de potencia? ¿Es más probable que cualquiera de los dos funcione como se espera en la mayoría de las situaciones? ¿Alguno de los diseños causaría problemas de energía para el dispositivo de carga (RasPi) mientras las tapas se cargan inicialmente? ¿Algo más a tener en cuenta/algo que deba saber?

Eventualmente aprendí más sobre esto, las palabras clave correctas para responder a mi pregunta fueron 'Topología de UPS'. El primer ejemplo es un ejemplo de una topología de UPS en línea, mientras que el último pertenece a la categoría de UPS de línea interactiva y la topología de UPS fuera de línea no está representada. La eficiencia, el costo, el nivel de protección eléctrica, el tamaño y la confiabilidad son algunas compensaciones comunes entre diferentes topologías. fs.com tiene más información.

Respuestas (2)

Su primer esquema es bastante sencillo de hacer y lo más probable es que funcione bien. La disminución de la eficiencia no es tan importante cuando funciona con la red eléctrica. El segundo será más complicado de implementar.

Para cualquiera de los diseños, no podrá utilizar los convertidores elevadores más baratos disponibles, porque los más comunes están hechos para los rangos de voltaje de iones de litio (es decir, aumentan de 3 a 5 V).

También tenga en cuenta que la capacidad no mide la cantidad de energía almacenada, eso sería C*V 2 , por lo que un condensador de 10F nominal de 2,5 voltios almacena la misma cantidad de energía que un condensador de 2,5F nominal de 5V o un condensador de 0,1F nominal a 25V. Este hecho también explica por qué las tapas de bajo voltaje son más baratas y más pequeñas.

Otro problema más con los supercaps es que a menudo son simplemente baterías de respaldo RTC glorificadas con corrientes de descarga recomendadas del orden de 1-10 mA y resistencia interna de 1-10 ohmios. Extraer 0,5 A de dichas tapas provocará daños permanentes. Lea atentamente todas las especificaciones antes de comprar, no solo verifique la capacidad y el voltaje y asuma que todo lo demás estará bien.

Todavía le sugiero que considere una batería de iones de litio como la solución más económica y efectiva. Eso es lo que uso en mi Banana Pi, que expone las almohadillas de la batería de iones de litio en la placa y no requiere piezas adicionales (además de la batería en sí) para tener energía de respaldo.

Me preocupa menos la eficiencia mientras la red eléctrica suministra energía (aparte de no desperdiciar todo), y asumo que la conexión a la red eléctrica será intermitente (el caso de uso es un termostato). Así que quiero poder cambiar la fuente de carga desde cualquier punto del ciclo de carga. Si bien las baterías de iones de litio o de polímero de litio son mucho mejores que las baterías de Ni para problemas como la vida útil de ciclo bajo y la memoria de carga, los condensadores siguen siendo mucho mejores para este tipo de propósito durante varios años, por lo que puedo decir.

http://hackaday.com/2014/10/04/supercapacitors-for-the-raspberry-pi/

Aquí hay una descripción completa de un diseño que incluye el manejo de caídas de tensión y apagado. (¿Y por qué no estás revisando Hackaday mañana y noche por costumbre?)

Ese es en realidad el dispositivo Juice4Halt que mencioné en la pregunta. Además, los condensadores están conectados en serie en lugar de en paralelo, como estoy buscando hacer. También estoy tratando de eliminar la necesidad del microprocesador (Altmega328P en los dibujos).
@btharper Me perdí eso. Recientemente compré 10 supercaps Tokin 5.5V 1F para usar para lo mismo. Baratos de China y cada uno del tamaño de una pila de cinco centavos estadounidenses. Me gusta tu segundo diseño, pero necesito experimentar.
Sí, uno de 5,5 V sería más sencillo (solo en línea), pero los condensadores de 2,5/2,7 V son más baratos y tienen capacidades mucho más altas. Mirándolo un poco más, no puedo entender ninguna razón por la que dos conversiones serían mejores, aunque definitivamente todavía se necesitan ajustes.
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