Zasilanie terenowe dla Astrofotografii

Posted on by Rafał Trzebiński

Każdą decyzję poprzedza jakieś wydarzenie a każdy pomysł jest wynikiem potrzeby. W przypadku   projektu Zasilania Terenowego było dokładnie tak samo. Gdy po wielu tygodniach oczekiwania trafiła się wreszcie weekendowa pogodna noc okazało się, że miejsce w którym rozkładam zwykle sprzęt było niedostępne. Zależność od gniazdka z prądem całkowicie wykluczała szybką zmianę miejsca. Wyjazd skończył się wielkim rozczarowaniem. To był moment kiedy zrodził się pomysł całkowitego uniezależnienia się od zasilania sieciowego.

Skrzynia narzędziowa DeWALT model TSTAK DWST83343-1

Założenia projektu

  1. Nieprzerwane i stabilne zasilanie zapewniające pracę wszystkich urządzeń astro przez całą noc
    • maksymalny, ciągły pobór prądu – 10A
    • długość nocnej sesji – 10 godzin
    • możliwość wielokrotnego ładowania przy zachowaniu trwałości baterii
    • nieprzerwane, stabilne napięcie powyżej 12V przez całą noc
  2. Możliwie małe rozmiary przy zachowania jak najniższej masy całego układu
    • wybór lekkiej baterii o niewielkich rozmiarach i dużej pojemności
    • kompaktowa i wytrzymała skrzynia transportowa
  3. Wskaźnik napięcia oraz komunikacja Bluetooth do ciągłego monitorowania stanu baterii
    • zdalna kontrola stanu baterii za pomocą smartfona
  4. Różne rodzaje gniazd zasilających: 220V, 12V, USB 5V
    • 220V do podłączenia zasilacza PrimaLuceLab 180W i innych urządzeń
    • 12V – gniazdo zapalniczki samochodowej
    • 5V – Gniazdo zasilania USB do ładowania np. smartfona
  5. Zintegrowany i wydajny układ ładowania baterii

Sporo wymagań? Sporo, bo układ zasilania ma przecież być podstawą prawidłowej pracy zestawu astrofotograficznego, ma być poręczny i niezawodny. Dobór komponentów należy zacząć od określenia potrzebnej mocy. Posłużę się przykładem moich urządzeń, więc przy określeniu poboru mocy pamiętajcie aby odnosić się do Waszego wyposażenia. Do wyliczeń przyjmuje maksymalne wartości.

 

ZAŁOŻENIE 1 – Określenie zapotrzebowania prądowego

 

  • grzałki (teleskop główny i prowadzący) – 3A
  • kamera z chłodzeniem QHY268M – 2.5A
  • montaż iOptron CEM70EC – 1.5A
  • komputer Eagle 4 PrimaLuceLab – 1A
  • inne urządzenia (koło filtrowe, focuser…) – 1A

Obliczony, maksymalny pobór prądu daje wartość 9A. Przyjmując pewien margines bezpieczeństwa (10 – 20%) określiłem, że bezpieczny poziom poboru prądu (taki który nie zostanie przekroczony w szczytowym momencie) to wartość maksymalnie 10A.

 

ZAŁOŻENIE 2 – Czas pracy baterii

Zakładam, że nocna sesja nie trwa dłużej niż 10 godzin a pojemność baterii musi być wystarczająca dla potrzeb maksymalnie jednej sesji.

 

Powyższe założenia są wystarczające aby obliczyć pojemność baterii dla nieprzerwanej pracy przy obciążeniu 10A przez okres 10 godzin. Mając na uwadze, że w miarę wyczerpywania się baterii napięcie zacznie powoli spadać, przyjąłem kolejny margines bezpieczeństwa 20% zapotrzebowania energetycznego.

10h x 10A = 100Ah + 20% = 120Ah

Skoro znamy już zapotrzebowanie prądowe naszych urządzeń czas na wybór odpowiedniej baterii. Jednym z podstawowych założeń mobilność całego układu są kompaktowe rozmiary i stosunkowo niewielka masa całego układu. Powyższe kryteria mocno zawężają obszar poszukiwań i z całą pewnością nie są to akumulatory samochodowe. W zasadzie jedyną grupą pasującą do opisanych kryteriów są ogniwa litowo – jonowe. Ogniwa Litowo – Żelazowo – Fosforanowe (LiFePO4) wydają mi się najlepszym wyborem. Ten rodzaj baterii zapewnia niewielkie rozmiary, stosunkową małą wagę przy jednoczesnym zachowaniu dużej pojemności i wydajności prądowej.

Ogniwa Li-Fe-PO4

Pojemność nominalna: 120AH
Napięcie nominalne: 3.2V
Maksymalne napięcie ładowania: 3.65V
Minimalne napięcie rozładowania: 2.5V
Zalecany stały prąd ładowania: 0,5c
Maksymalny prąd ładowania: 1C
Zalecany stały prąd rozładowania: 0,5c
Maksymalny prąd rozładowania: 3C
Wymiary (L * W * H):173.9*48*170mm
Waga: 2.95 ± 0.1kg
Cykl życia (80% DOD):6000 razy
Temperatura ładowania: 0 ℃ ~ 55 ℃
Temperatura rozładowania:-20 ~ 55 ° c
Rozmiar śruby: M6

Pakiet czterech ogniw ma kształt sześcianu o bokach ok 20cm i masie 12kg. Takie parametry baterii z całą pewnością spełniają kryteria mobilności. Należy pamiętać, że ogniwa łączymy szeregowo!!! Tylko w takiem układzie łączenia poszczególnych ogniw, bateria będzie w stanie zapewnić napięcie 12V (nominalnie 12.8V) przy zachowaniu nominalnej pojemności 120Ah.

 

BEZPIECZEŃSTWO

PAMIĘTAJCIE, to bardzo ważne, użytkowanie baterii litowo – jonowych (tu odnoszę się do ogniw LiFePO4) bez żadnych zabezpieczeń jest niebezpieczne!!! Nie wolno przekraczać określonych wartości maksymalnych i minimalnych takich jak maksymalne napięcie ładowania (3.65V), minimalne napięcie rozładowania (2.5V) czy minimalne lub maksymalne prądy ładowania lub rozładowania określone dla danego ogniwa!!!

Kluczowym elementem bezpieczeństwa jest Battery  Management System – BMS. Jest to urządzenie, które w sposób ciągły monitoruje wszystkie kluczowe parametry baterii, chroniąc ją przed przekroczeniem parametrów maksymalnych. BMS stanowi ochronę przed:

 

  • Nadmiernym rozładowaniem baterii
  • Nadmiernym poborem prądu
  • Przeładowaniem baterii
  • Ładowaniem w zbyt niskiej temperaturze
  • Zwarciem

Źródło: DALY.COM

Sam BMS wyposażony jest w balanser pasywny czyli układ, zadaniem którego jest wyrównanie i utrzymywanie równomiernego rozkładu napięcie pomiędzy poszczególnymi ogniwami. Nazwa „pasywny” pochodzi od zastosowanego rozwiązania balansującego napięcie – zastosowane są elektroniczne elementy pasywne takie jak rezystory. Jeśli jedno z ładowanych ogniw w baterii będzie miało wyższe napięcie niż pozostałe, wówczas BMS będzie „próbował” wyrównać napięcia pomiędzy ogniwami poprzez przepływ prądu z ogniwa o najwyższym napięciu przez rezystory balansera. W konsekwencji nagrzewające się rezystory będą powodować powolny spadek napięcia ogniwa o najwyższym napięciu aż do wyrównania napięć z pozostałymi. Takie rozwiązanie jest nieefektywne z uwagi na czas ładowania baterii i marnotrastwo energii.

Przy tak dużych pojemnościach (120Ah), warto zastosować balanser aktywny

Źródło: DALY.COM

Wyposażony w aktywne elementy elektroniczne, takie jak układy scalone i kondensatory, jest w stanie odpowiednio kierować przypływami prądu pomiędzy ogniwami. Przy wydajności prądowej max. 1A proces wyrównywania napięć przebiega bardzo sprawnie. To najefektywniejszy sposób uśredniania napięć poszczególnych ogniw baterii.

Źródło: DALY.COM

ŁADOWARKA BATERII / PRZETWORNICA NAPIĘCIA

Ostatnimi elementami układu są urządzenia peryferyjne – ładowarka baterii oraz przetwornica napięcia (zamiana napięcia 12V na 220V)

 

W projekcie zastosowałem ładowarkę 20A przeznaczoną do ładowania baterii LiFePO4 o napięciu 14.6V. Urządzenie wyposażone jest w wentylator chłodzący oraz  szereg zabezpieczeń zapewniających bezpieczną pracę. Oprócz podstawowych zabezpieczeń napięciowe – prądowych, jest tu również zabezpieczenie temperaturowe, co jest ważnym elementem bezpieczeństwa podczas ładowania baterii – ładowanie to proces trwający kilka godzin więc nie zawsze nasza obecność podczas ładowania będzie możliwa. Warto być pewnym, że w tym czasie nic złego się nie wydarzy.

Źródło:OHRIJA Official Store

Przetwornica w układzie terenowego zasilania jest ważnym elementem choć ostatecznie zależy to od indywidualnych wyborów i wymagań. Do zasilania zestawwu astro potrzebne jest 12V, więc urządzenia mogą być zasilane bezpośrednio z baterii. Warto jednak wyposażyć taki układ w zabezpieczenia – przynajmniej w bezpiecznik. W założeniach niniejszego projektu jest jednak wykorzystanie oryginalnego zasilacza 180W PrimaLuceLab podłączanego do gniazda 220V. Zdecydowałem się na takie rozwiązanie z powodów bezpieczeństwa. Z punktu widzenia efektywności energetycznej to rozwiązanie jest bardziej energochłonne. Proces przetwarzania napięcia 12V do 220V zużywa dodatkową energię z uwagi na sprawność tego typu urządzeń. Jednak przy tak dużej pojemności baterii (założyłem duży margines mocy) nie stanowi to większego problemu. Dodatkowym atutem takiego rozwiązania jest dostęp do 220V w miejscu gdzie prąd sieciowy jest niedostępny (można podładować na przykład komputer)

Podsumowanie kosztowe

Naturalnie najwygodniejsze i najtańsze jest zasilanie z gniazda sieciowego. Jeśli jednak istniej konieczność posiadania własnego źródła zasilania to niestety pojawiają się wydatki. Realizacja projektu to koszt ok 2300 zł uwzględniając podstawowe komponenty wymienione poniżej oraz elementy montażowe jak kable, końcówki łączeniowe, gniazda, szyny wyrównujące napięcie, itp. Nie jest to mała cena, ale takie źródło zasilania terenowego daje pewność stałego i bezpiecznego zasilania wszystkich urządzeń astro-fotograficznych, których cena jest często nieporównywalnie większa.

2 thoughts on “Zasilanie terenowe dla Astrofotografii”

  1. Super się to czyta i ogląda.
    Dzieki Rafał za merytoryczne treści, które przydadzą się niejednemu pasjonatowi fotografowania nocnego nieba. 💪👍

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *