Организация электропитания портативной колонки

[Vectorman]

Здравствуйте!
Задумал я собрать себе портативный бумбокс.
Подобрал основные комплектующие: усилитель, низкочастотный динамик и 2 динамика средних-высоких частот.

Встал вопрос организации электропитания всей конструкции.
Согласно информации от производителя усилителя, для работы на максимальной мощности (200 ватт) желательно подавать напряжение 24V.
Согласно моих расчетов энергопотребления, усилителю нужен ток в 8-9A чтобы отдавать максимальную мощность на максимальной громкости.
Перехожу к сути моего вопроса.
Найти блок питания DC 24V-10A не проблема. Однако, по задумке динамик же портативный, а значит должен работать автономно.
Для этого, согласно моих расчетов, должно хватить 12 банок аккумуляторов 18650 или 26650, соединенных параллельно по 6 штук, для увеличения общей емкости (по схеме 2P6S). Добавим сверху BMS на 6 банок и 20 ампер тока.
И вот тут суть проблемы: заряжать эту систему нужно CC-CV зарядником на 1-2 ампера. Получается, на высокой громкости усилитель потребляет больше, чем заряжает зарядник. Или я не прав?
Если таки прав, дайте пожалуйста совет, как сделать бумбоксу питание и от АКБ и от сети в стационарном режиме? В идеале, чтобы при работе от сети шел заряд АКБ, а при отключении сети система переключалась на работу от АКБ (и обратно).
Пока я додумался только до 2 параллельных способов с ручным переключением в виде трехпозиционного тумблера.

Спойлер: Принципиальная схема

Любые иные замечания также приветствуются!

Спасибо!

 

[kostyamat]

@Vectorman, если БМС принимает заряд по тем же клеммам, по которым отдаёт заряд - вам ничего не нужно переключать, она сама разберется. У БП по выходу диод, напряжение с БМС дальше него в БП в обратном направлении не пойдет. Вот единственная проблема - конденсаторы на УНЧ и БП. Их зарядка вполне может увести как БП, так и БМС в защиту. Придется вам схему плавного запуска городить. Самая простая на самоблокируещемся реле - там вся схема: реле и резистор (сам такую ставил, когда усилок собирал).

На счёт того, что заряжать и слушать одновременно вы с таким зарядным не сможете - вы правильно поняли.


*** Нет у того усилка 200Ватт, смело делите на два.

 

[Vectorman]

@Vectorman, если БМС принимает заряд по тем же клеммам, по которым отдаёт заряд - вам ничего не нужно переключать, она сама разберется. У БП по выходу диод, напряжение с БМС дальше него в БП в обратном направлении не пойдет. Вот единственная проблема - конденсаторы на УНЧ и БП. Их зарядка вполне может увести как БП, так и БМС в защиту. Придется вам схему плавного запуска городить. Самая простая на самоблокируещемся реле - там вся схема: реле и резистор (сам такую ставил, когда усилок собирал).

На счёт того, что заряжать и слушать одновременно вы с таким зарядным не сможете - вы правильно поняли.


*** Нет у того усилка 200Ватт, смело делите на два.

Благодарю за совет насчет плавного запуска, я учту это! Разъяснения по поводу принципов работы БМС также полезны для меня.

Однако основной вопрос пока остается открытым.

Я додумался до следующей схемы:

Спойлер: Двойная схема питания

 

[poty]

И вот тут суть проблемы: заряжать эту систему нужно CC-CV зарядником на 1-2 ампера.

А для чего такая сложность? Почему не использовать нормальный зарядник/блок питания на 10А? Тогда ничего переключать не надо.
По поводу потребления. Усилитель класса D, что означает (с учётом КПД, конечно) потребление мощности прямо пропорционально выходной. Музыкальный сигнал имеет импульсный характер, поэтому приводимая RMS-мощность на синусоиде не отражает реальной действующей выходной мощности сигнала, на которой Вы будете что-то слушать (типично - от 1:5 до 1:10). Пиковые значения мощности будут отрабатываться конденсаторами и/или аккумуляторами. Всё это для того, чтобы Вы ориентировались в реальном положении дел с распределением токов.

 

[Vectorman]

А для чего такая сложность? Почему не использовать нормальный зарядник/блок питания на 10А? Тогда ничего переключать не надо.
По поводу потребления. Усилитель класса D, что означает (с учётом КПД, конечно) потребление мощности прямо пропорционально выходной. Музыкальный сигнал имеет импульсный характер, поэтому приводимая RMS-мощность на синусоиде не отражает реальной действующей выходной мощности сигнала, на которой Вы будете что-то слушать (типично - от 1:5 до 1:10). Пиковые значения мощности будут отрабатываться конденсаторами и/или аккумуляторами. Всё это для того, чтобы Вы ориентировались в реальном положении дел с распределением токов.

Благодарю за ответ. Насчёт пиковых значений я, в целом, понимаю. Да и, строго говоря, не планируется его включать "на всю катушку".
Я правильно понимаю, что блока питания на 10 ампер более чем хватит?

Вместе с тем, не совсем понял ваши слова про "нормальный зарядник/блок питания на 10А". Насколько я знаю, обычный DC блок питания не умеет заряжать аккумуляторы, для этого нужен CC-CV блок, причем токи он отдаёт лимитированные, рассчитанные на зарядку батареи, если в цифрах - то 1-2 Ампера. А этого будет явно недостаточно для работы усилителя. Поясните, пожалуйста, что имелось ввиду.

Городить огород с аккумуляторами приходится ради портативности устройства. Хочется не только слушать от розетки, но и вынести на улицу.

Спасибо!

 

[kostyamat]

А для чего такая сложность? Почему не использовать нормальный зарядник/блок питания на 10А? Тогда ничего переключать не надо.

Ну, наверное потому, что БМС это не контроллер заряда, и такой БП просто сварит аккумуляторы вкрутую. Или, если БМС умный, то отсечет питание и ничего заряжаться не будет. Но я бы не проверял эту теорию.

 

[poty]

Что-то я не пойму. Зарядник отдаст столько тока, сколько будет необходимо для заряда аккумуляторов, он же не навязывает такой ток для зарядки? Кроме того, у зарядника есть контроль заряда подключенных аккумуляторов, судя по описанию.

 

[kostyamat]

@poty, БП стабилизирует напряжение, если напряжение проседает он будет продолжать давить, пока не отрубится по защите от превышения тока.
Зарядник же стабилизирует ток, а на напряжение ему плевать. Главное, чтобы его напряжение не превышало максимально возможное для аккумулятора.
Это принципиально разные вещи.

 

[DAK]

Если подумать, то по этой схеме немного тяжеловато заряжать батареи, так как разница между напругами маловата. Прям хочется порыть схемы заряда АКБ ноутов, ведь не даром там питание ноута по 19 вольтам, а с АКБ ноута идёт всегдо 12. Ну и зарядка на аккум ноута идёт через понижающий дс-дс, там ШИМ и дроссель. Если предположить, что усилок на 200 вт, плюс кинем ватт 30 для зарядки, то 10 ампер, это предел. Надо подумать, почитать, посчитать...

 

[Vectorman]

@DAK, я обдумывал данное решение. Взять просто мощный источник питания, от него отвести блок CC-CV для заряда АКБ, а остальное - в усилитель. Однако встает другой вопрос: нужно ведь переключаться как-то между питанием от АКБ и питанием от блока питания. А как это сделать? Или не нужно?

 

[Vectorman]

@poty, весь прикол в том, что для зарядки литиевых аккумуляторов нужен не просто блок питания, а блок питания, который умеет держать постоянный ток и постоянное напряжение, или, по научному, это называется Constant Current - Constant Voltage, CC-CV.
Так вот превышать зарядный ток нельзя, можно угробить АКБ или даже устроить взрывчик. А у литиевых банок 18650 этот зарядный ток составляет 1 ампер. А усилитель "ест" 9 ампер.

 

[poty]

@kostyamat, @Vectorman, здесь понятно. Для меня здесь есть неопределённость, но так как я с этим не сталкивался приму как данность. Тогда вариант

@DAK, я обдумывал данное решение. Взять просто мощный источник питания, от него отвести блок CC-CV для заряда АКБ, а остальное - в усилитель. Однако встает другой вопрос: нужно ведь переключаться как-то между питанием от АКБ и питанием от блока питания. А как это сделать? Или не нужно?

вполне рабочий. Параллельных "банок" у Вас две, ток зарядки блоком CC-CV не будет, получается, больше 2А, предельное потребление усилителя = 9А, таким образом чисто математически - предельный ток = 11А, но я считаю, что с учётом наличия аккумуляторов на подстраховке, БП можно взять и на ток 10А.
Автоматическое переключение легко решается с помощью диода, включаемого между аккумулятором и блоком питания. Желательно диод брать из класса ultrafast или shottki. Я бы поставил ещё стабилизатор между входом питания и усилителем.

 

[Vectorman]

@poty, можете схему нарисовать или подсказать где посмотреть? А то я дуб

Спасибо!

 

[kostyamat]

@Vectorman, для начала. Вам нужно определится. На стационарном питании 24в - ОК. На батарейном наверное придется довольствоваться 4S питанием. Тогда возможна развязка через диоды.
Еще раз, я вам уже писал выше - обратно в БП питание от батарей не пойдет, потому как там диод на выходе, он запрется. Пойдет ли в обратку в CC-CV модуль - нужно смотреть его схемотехнику. А вот питание с батарей нужно будет пустить на УМЧЗ через диод Шоттки, а с БП на прямую. И ничего переключать не придется.

 

[DAK]

Я не даром писал про ноут, у них как раз реализовано переключение с помощью мосфитов, всё просто и надёжно. Надо просто стащить кусок схемы...

 

[Vectorman]

@kostyamat, спасибо, идею понял. Объясните, пожалуйста, почему с АКБ только 4S?

@DAK, проработаю этот вариант тоже. Благодарю!

 

[kostyamat]

@Vectorman, потому, что нужна разница напряжений, от БП выше, а от батареи ниже. Тогда батарею можно будет заряжать от БП, и выше предложенный мной алгоритм переключения будет работать. Иначе никак, физика.
Если напряжение батареи будет выше чем у БП, УМЗЧ будет всегда работать от батареи, потому как более высокое напряжение с нее будет запирать выходной диод БП.

 

[DAK]

@kostyamat, и я про то же... Было бы неплохо использовать более мощный блок питания, повышающий dcdc и переключение на мосфитах...

 

[Vectorman]

@Vectorman, потому, что нужна разница напряжений, от БП выше, а от батареи ниже. Тогда батарею можно будет заряжать от БП, и выше предложенный мной алгоритм переключения будет работать. Иначе никак, физика.
Если напряжение батареи будет выше чем у БП, УМЗЧ будет всегда работать от батареи, потому как более высокое напряжение с нее будет запирать выходной диод БП.

Благодарю вас за разъяснение! Теперь все понятно.

В принципе, можно даже и 5 банок взять. Сделать схему 3P5S, например. Чтобы прям надолго хватало!

 

[Vectorman]

Подведу итог дискуссии. Получается вот такая схема.

Спойлер: Итоговая схема электропитания

Прошу рассмотреть, поправить где я не прав. Диоды взял парные, не знаю зачем, в принципе не будет лишним, верно?

 

[DAK]

не пойму зачем диоды, минусы объединить полностью, провод от блока питания напрямую послать на усилок, поставить pnp мосфит на выходе с повербанка, взять самый просто компаратор и с помощью него управлять мосфитом. Из плюсов моего решения, так это то, что у вас не будет потерь на нагрев диодов, да, пусть 0,4 Вольта на них садится, плюс ко всему их у Вас 2, тоесть при 10А это 8 ВТ тепла, это Вам радиатор ещё надо крутить к ним.

 

[kostyamat]

@Vectorman, Вообще-то, я предполагал что-то такое.

*** Диод после зарядника предполагается опционально, в случае, если схемотехника СС-CV модуля не имеет диода по выходу (скорее всего таки имеет) и ток будет утекать в обратку, иначе он там нафиг не нужен.

*** Вся эта история имеет смысл, если напряжение питание с батареи ниже, чем от стационарного БП.

 

[DAK]

Не не не, так лучше не делать. рискуем что нить поджарить, @kostyamat (25 Вольт с выхода DCDC модуля через диод потечёт на его вход, работать будет, но как-то некрасиво), в Вашем варианте только через двойной Шоттке, а так вместо диода просто мосфит PNP и компаратор, это было бы лучшим решением.

 

[Vectorman]

@DAK, я понимаю о чем вы говорите. Идея хороша, но боюсь засыпаться на реализации - уровень знаний не тот. Диод проще, хотя у него и есть недостатки.
Есть ли готовые решения по вашему предложению, вы не знаете? Быть может есть в сборе компаратор и мосфет, которые бы решили задачу?

 

[poty]

Слишком много предположений.
Давайте начнём с цели для питания: нам нужно получить в номинале 24В для питания усилителя, максимальное напряжение - 25,5В.
Первый способ питания - это от сетевого блока питания. Выбран блок питания 24В. Здесь вопросов нет.
Второй способ питания - от аккумуляторов. Предложено питать от 6 последовательно соединённых аккумуляторов (параллельные ветви на это не влияют), полностью заряженные аккумуляторы будут давать 25,2В, что вполне укладывается в предельный диапазон усилителя.
Требуется третья функциональность - автоматический заряд аккумуляторов от сетевого блока питания при подключении. Я посмотрел на модуль CC CV, предложенный во второй раз, дифференциальное напряжение между входом и выходом для нормальной работы должно быть 0,8В. Т.о., входное напряжение на модуль CC CV должно быть не менее 26В для 6 банок аккумуляторов. У нас не хватает 2В. Вариантов решения этого несоответствия два:
1. Использование повышающего модуля 24-26В (а лучше, немного с запасом - 28В на выходе)перед входом на CC CV модуль.
2. Использование 5 последовательно соединённых аккумуляторов.
Мне нравится второй вариант. При этом варианте напряжение полностью заряженных аккумуляторов будет 21В и мы не потеряем значительной выходной мощности усилителя при питании от них. Дифференциальное напряжение на клеммах CC CV будет 24-21 = 3В - отлично.
В таком варианте требуется лишь один диод, соединяющий положительный полюс BMS и положительный полюс блока питания, как предложил @kostyamat и всё будет работать отлично. Я бы не рекомендовал использовать два диода - это совершенно ненужная потеря напряжения (нагрев и проч.).