Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 12V Netzteil mit Notstromversorgung durch Akku


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von Marcus B. (dashque)


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Hallo ihr,

anbei befindet sich der Schaltplan zu einem 12V Netzteil, welches eine 
separate Schaltung versorgen und gleichzeitig einen Akku, der als 
Notstromversorgung dient, laden soll. Bevor ich die ganze Geschichte nun 
aufbaue und mir dann beim Einschalten vielleicht alles um die Ohren 
fliegt, wollte ich euch fragen, ob die ganze Geschichte so funktioniert.

Zur Schaltung:

Im linken Teil der Schaltung werden durch einen Trafo 24V erzeugt, 
welche mit Hilfe eines LM317 auf 16,6V abgesenkt werden. Mit diesen 
16,6V werden nun ein L200 und ein LM2940 versorgt. Der L200 soll einen 
Akku (mit knapp 250mA) laden/puffern und der LM2940 die 12V 
Ausgangsspannung erzeugen.

Der Akku und die 16,6V liegen parallel und sind durch Dioden entkoppelt, 
damit der Akku bei Netzausfall die Versorgung des LM2940 übernimmt. Dass 
dieser bei schwachem Akku dann weniger als 12V erzeugt, ist mir dabei 
bewusst.

Außerdem ist ein kleines Relais verbaut, was durch einen Wechselkontakt 
eine Störung der Netzversorgung detektieren soll.

Ich hoffe, ihr könnt mir sagen, ob meine Schaltung in dieser Weise 
funktionstüchtig ist.

Danke und viele Grüße

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von posti (Gast)


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Hi

Denke, Das sollte so funktionieren.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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R3 sieht sehr merkwürdig aus. Bist du sicher, dass du GND nicht direkt 
an GND anschließen willst?

Warum kakadierst du zwei Spannungsregler?

Ich finde den Ansatz fragwürdig, die Akkuspannung über D4 auf einen 12V 
Spannungsregler zu leiten. Wie sollen da 12V raus kommen, wenn der Akku 
selbst nur 12V Nennspannung hat?

Mach es doch wie im Auto: Da gibt es einen Laderegler und der Akku liegt 
parallel zur Last. Ich kenne kein 12V Gerät, für das 13,8V zu viel 
wären.

Ansonsten wirst du zwischen Akku und Last wohl einen Buck/Boost Regler 
brauchen.

Du verheizt da ziemlich viel Energie, nämlich ca 50%. Das ist uncool.

Wenn wir etwas über die Kapazität des Akkus und den Lastström erfahren, 
können wir vermutlich einen viel simpleren Gegenvorschlag machen.

Ich würde ein handelsübiches Ladegerät (oder einen äquivalenten 
Eigenbau) mit Erhaltungsladung verwenden. Und mit dem Relais würde ich 
umschalten, ob die Last vom Akku oder von einem 12V Schaltnetzteil 
versogt werden soll.

von Thomas B. (thombde)


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Sobald der Akku nicht geladen oder gepuffert wird sinkt die 
Klemmenspannung schnell auf 12,60V oder niedriger.
Der LM2940 kriegt das dann nicht auf die Reihe stabile 12V zu liefern.
Spannungsabfall an den Dioden wurde auch nicht berücksichtigt.

Edit:

Und die Schaltung könnte man noch wesentlich vereinfachen.

: Bearbeitet durch User
von Marcus B. (dashque)


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Stefan U. schrieb:
> R3 sieht sehr merkwürdig aus. Bist du sicher, dass du GND nicht direkt
> an GND anschließen willst?
>
> Warum kakadierst du zwei Spannungsregler?
>
> Ich finde den Ansatz fragwürdig, die Akkuspannung über D4 auf einen 12V
> Spannungsregler zu leiten. Wie sollen da 12V raus kommen, wenn der Akku
> selbst nur 12V Nennspannung hat?

Stimmt, den Widerstand habe ich aus einer Beispielschaltung übernommen, 
in der eine zusätzliche Glühlampe eine Verpolung anzeigen sollte. Der 
Widerstand ist nun verschwunden.

Mit Kaskadierung meinst du den vorgeschalteten LM317? Den habe ich 
vorgesehen, da der LM2940 laut Datenblatt mit maximal 26V 
Eingangsspannung betrieben werden darf und 24V in meinen Augen recht nah 
an diesem Limit liegen.

Außerdem machte ich mir Sorgen um die Wärmeentwicklung. Die kräftigsten 
Kühlkörper, die ich vorliegen habe, schaffen knapp 8 K/W. Das wären bei 
12V und max. 500mA knapp 50°C über Raumtemperatur gewesen, was mir zu 
heikel war, obwohl diese Stromaufnahme unwahrscheinlich sein wird.

> Mach es doch wie im Auto: Da gibt es einen Laderegler und der Akku liegt
> parallel zur Last. Ich kenne kein 12V Gerät, für das 13,8V zu viel
> wären.

Du meinst, wie in der angehängten Schaltung? Wenn diese so funktionieren 
sollte, würde mir das vieles erleichtern.

Der Akku hat ganze 1,2Ah und die separate Schaltung/der Verbraucher wird 
im Ernstfall allerhöchstens 500mA benötigen, was schon hoch gegriffen 
ist. Es sollen mit dem Netzgerät später kleinere 12V Verbraucher und ein 
ATmega16 versorgt werden.

: Bearbeitet durch User
von Thomas B. (thombde)


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Marcus B. schrieb:
> Der Akku hat ganze 1,2Ah und die separate Schaltung/der Verbraucher wird
> im Ernstfall allerhöchstens 500mA benötigen, was schon hoch gegriffen
> ist. Es sollen mit dem Netzgerät später kleinere 12V Verbraucher und ein
> ATmega16 versorgt werden.

Alarmanlage (EMA)?

von Marcus B. (dashque)


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Genau das. Der größte Verbrauche dürfte dabei mit <100mA das 
Sperrelement sein, das aber ja ohnehin nur einige Sekunden am Tag 
angesteuert wird.

: Bearbeitet durch User
von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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>> Mach es doch wie im Auto
> Du meinst, wie in der angehängten Schaltung?

Ja. Dann muss natürlich der Ladestrom mindestens ein kleines bisschen 
höher sein als der durchschnittliche Laststrom. Sonst wird der Akku 
entladen.

Aber zwei Spannungsregler hintereinander ist doch doof (wird aber 
funktionieren). Willst du nicht lieber einen anderen nehmen, der etwas 
mehr Spannung verträgt und einen größeren Kühlkörper?

Oder einen Schaltregler? Es gibt ja auch welche, mit Strombegrenzung, 
oft bei Ebay für weniger als 5 Euro.

von Manfred (Gast)


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Marcus B. schrieb:
> Außerdem ist ein kleines Relais verbaut, was durch einen Wechselkontakt
> eine Störung der Netzversorgung detektieren soll.
Relais an Wechselspannung?

Zur Leistungsbillanz wurde schon etwas gesagt, die kann man kaum 
schlechter hin bekommen - wozu 24V vom Trafo?

Ich habe mir neulich bei Conrad Laderegler PB137A gekauft, das ist ein 
Festspannungsregler mit 13,7V +/-1%. Der darf ohne Schutzbeschaltung am 
Bleiakku bleiben, hat allerdings keine einstellbare oder genau 
definierte Strombegrenzung.

von Thomas B. (thombde)


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Benötigst Du keine Unterspannungsabschaltung für den Akku?
Könnte man ja mit dem Atmega machen.

von Marcus B. (dashque)


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Stefan U. schrieb:
> Ja. Dann muss natürlich der Ladestrom mindestens ein kleines bisschen
> höher sein als der durchschnittliche Laststrom. Sonst wird der Akku
> entladen.

Ah ok, dann dürte es reichen, wenn ich mit R5 = 1 Ohm setze und mit 
450mA lade.

> Aber zwei Spannungsregler hintereinander ist doch doof (wird aber
> funktionieren). Willst du nicht lieber einen anderen nehmen, der etwas
> mehr Spannung verträgt und einen größeren Kühlkörper?

Jetzt, wo du es sagst, fällt mir ein, dass ich den ersten 
Spannungsregler ja nur vorgesehen hatte, um den weggefallenen LM2940 zu 
"schonen". Den L200 kann ich ja auch direkt an die 24V setzen, da dieser 
bis zu 40V vertragen soll.

Wenn ich ihm dann den frei gewordenen Kühlkörper mit 7,8K/W spendiere, 
käme ich mit (24V - 13,65V)  450mA  7,8K/W auf 36°C über 
Raumtemperatur. Laut Abbildung 3 (Typical  Safe  Operating  Area
Protection) des Datenblatts von ST sollte der Regler das sogar bei 40° 
Raumtemperatur gut vertragen, oder habe ich etwas nicht berücksichtigt?

Manfred schrieb:
> Relais an Wechselspannung?

Ich habe mich etwas missverständlich ausgedrückt. Das Relais erkennt 
einen Ausfall der Netzversorgung indirekt, da es hinter dem Trafo sitzt.

> Zur Leistungsbillanz wurde schon etwas gesagt, die kann man kaum
> schlechter hin bekommen - wozu 24V vom Trafo?

24V da die nächstkleinere Ausgangsspannung von Printtrafos 15V gewesen 
wären. Selbst wenn ich den L200 nun direkt an solch einem betreiben 
würde, würden diese 15V nicht ausreichen, da die "Dropout Voltage" (ist 
das im Deutschen der "Spannungsfall"?) laut Datenblatt bei 2,5V liegt.

Das war zumindest mein Gedankengang. Falls ich irgendetwas falsch 
verstanden habe, bitte ich um Verzeihung.

Schlussendlich hätte die Schaltung mit 24V Trafo und L200 also einen 
Wirkungsgrad von etwa 57%, wenn ich von obiger 4,7W Verlustleistung und 
13,65V * 450mA = 6,1W Wirkleistung ausgehe?

Dass das unterirdisch ist, leuchtet mir ein. Ließe sich das denn 
irgendwie verbessern, ohne große Änderungen vorzunehmen?

Edit:

Thomas B. schrieb:
> Benötigst Du keine Unterspannungsabschaltung für den Akku?
> Könnte man ja mit dem Atmega machen.

Ach du je, stimmt... Notwendig ist sie zwar nicht, aber ich möchte auch 
ungern den Akku schädigen. Mein erster Gedanke wäre, die 
Batteriespannung über einen Spannungsteiler auf einen ADC-Eingang des 
Controllers legen und beim unterschreiten eines bestimmten Wertes über 
einen Transistor die Batterie zu trennen.

: Bearbeitet durch User
von Lukas H. (eelhorsto)


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Also falls du doch nicht basteln willst, gibt es sowas für relativ wenig 
Geld fertig von Meanwell. Den Typen hab ich gerade nicht. Einfach nach 
Backup bei den AC/DC SMPS's suchen.

von Thomas B. (thombde)


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Bei meiner EMA habe ich das anders gemacht.
Das  “kleine Netzteil mit Strombegrenzung“ (bei mir 18VA) dient 
eigentlich nur für die Minimalstromversorgung.

- normaler Betrieb der EMA
- maximaler Ladestrom nach Netzausfall, und puffern des Akkus.
 (muss innerhalb 24h auf 80% geladen werden)

Den Hauptsrom für Sirene, Blitzlampe oder sonstiges liefert der Akku.
(Kann auch mal 3A sein)
Wenn die Stromaufnahme sehr hoch ist, also mehr als das Netzteil liefern 
kann, bricht die Betriebsspannung auf die Klemmenspannung des Akkus 
zusammen. (ZB 12,5V)
Das Netzteil geht dann in die Begrenzung.
Deswegen ist Strombegrenzung erforderlich.

Gruß
Thomas

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von Manfred (Gast)


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Marcus B. schrieb:
> Manfred schrieb:
>> Relais an Wechselspannung?
> Ich habe mich etwas missverständlich ausgedrückt. Das Relais erkennt
> einen Ausfall der Netzversorgung indirekt, da es hinter dem Trafo sitzt.
Du hast ein Wechselspannungsrelais? Die hier üblichen Relais wollen 
Gleichspannung, vielleicht will Deines auch etwas nach rechts rücken, 
hinter die Diode?

>> Zur Leistungsbillanz wurde schon etwas gesagt, die kann man kaum
>> schlechter hin bekommen - wozu 24V vom Trafo?
> 24V da die nächstkleinere Ausgangsspannung von Printtrafos 15V gewesen
> wären. Selbst wenn ich den L200 nun direkt an solch einem betreiben
> würde, würden diese 15V nicht ausreichen, da die "Dropout Voltage" (ist
> das im Deutschen der "Spannungsfall"?) laut Datenblatt bei 2,5V liegt.
15V ergeben nach Daumenfaktor 0,85 etwa 17,5V hinter dem Gleichrichter, 
das reicht.

Du sagst "Printtrafo", böse Falle: Die Dinger sind ziemlich weich, 
rechne mal damit, dass die ohne Last um 25% über Nennspannung gehen. Bei 
einem 24V-Printtrafo würde ich im Leerlauf bis 45V am Ladeelko 
befürchten. Anstatt eines LM317 würde ich dort eine simple 
Spannungsstabilisierung mit Transistor / Z-Diode hin packen: 
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0204131.htm, die ist 
weitaus robuster.

von Klaus (Gast)


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Manfred schrieb:
> Ich habe mir neulich bei Conrad Laderegler PB137A gekauft, das ist ein
> Festspannungsregler mit 13,7V +/-1%. Der darf ohne Schutzbeschaltung am
> Bleiakku bleiben, hat allerdings keine einstellbare oder genau
> definierte Strombegrenzung.

Das ist das einfachste. Und die Strombegrenzung ist selten kritisch, der 
Akku verträgt typisch wesentlich mehr Strom, als der PB137 liefert. Zur 
Versorgung ein Laptopnetzteil mit rund 18V, hat man meist rumzuliegen. 
Zusammen sind das kaum mehr als 10 Lötstellen. Bei mir läuft sowas seit 
vielen Jahren prima.

MfG Klaus

von HildeK (Gast)


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Mir gefällt die Einweggleichrichtung mit D2 nicht, ein 
Brückengleichrichter wäre sinnvoller und schont auch den Trafo.
Wohin gehen die Kontakte des Relais, was sollen sie bewirken? Zu einem 
µC zur Überwachung? Wenn ja, dann wäre es einfacher und billiger, die 
Wechselspannung mit einem Spannungsteiler, Z-Diode und kleinem C auf den 
Logigpegel zu begrenzen und so auszuwerten.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> (Kühlkörper) oder habe ich etwas nicht berücksichtigt?

Nö, passt schon.

> Ließe sich das denn irgendwie verbessern, ohne große
> Änderungen vorzunehmen?

Ja, indem du ein Schaltregler-Modul verwendest. Dann brauchst du auch 
keinen Kühlkörper.

Wenn der Transformator sonst nichts anderes versorgen soll, dann würde 
ich Trafo + Regler durch ein kompaktes Komplettgerät ersetzen. Zum 
Beispiel das hier für nur 12,50€:

https://www.amazon.de/Batterie-Automatik-Lader-300-2-6-12V-Batterien/dp/B001CNZP6S

> Benötigst Du keine Unterspannungsabschaltung für den Akku?

Ich würde drauf verzichten. Denn mit langfristigen Stromausfällen würde 
ich nicht rechnen. Und wenn es doch mal passiert, dann geht halt der 
Akku kaputt. Was solls?, so teuer sind die Dinger nicht und es wird 
sicher nicht mehrmals passieren.

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