Ćwiekowany UPS

I kolejny domowy projekt, który rozrósł się z prostego pomysłu do, powiedzmy, większych rozmiarów. Szkoda tylko, ze zajął 3 miesiące, a dało by się go zrobić w kilka dni, no ale co człowiek poradzi jak gdzieś w tych dobowych 24h musi poupychać swoje hobby i inne, mniej fajne rzeczy.

Dziś "naćwiekowany" UPS, no sort of. Te niby ćwieki to od śrubek, czarnych nie było pod ręką, a obudowa mimo wszystko wykonana jest z plastiku. A musi zmieścić 4kg akumulator i się nie rozpaść w trakcie przenoszenia czy czegoś takiego, stąd mnogość śrubek, które sprawiają takie a nie inne wrażenie. Aaaale - jestem w sumie dumny z tego jak wyszła. No ale, do rzeczy.

Potrzeba matką wynalazków

Pewnie kilka razy wspominałem, że od pewnego czasu redukuję liczbę zasilaczy w domu, bo kurcze AP potrzebuje własnego zasilacza, switch własnego, wszystko chce własnego zasilacza i tak się potem z tego robi milion zasilaczy, rozgałęziaczy i innych takich. Dlaczego by nie zastosować jednego, dwóch mocnych zasilaczy i trochę kombinatoryki, zamiast zajmować nie wiadomo ile gniazdek, których liczba jest w końcu ograniczona. Ale - to stwarza problemy. Niektóre urządzenia chcą 7.5V, niektóre 5V, inne 12V. Szczęśliwie dla nas, większość z nich (a w moim wypadku wszystkie) da się zasilać z 13.4V bezpośrednio. Gdyż, ponieważ bo, większość ze sprzętu elektronicznego i tak zwiera w sobie regulator, który obniża napięcie wejściowe do poziomu jaki jest faktycznie potrzebny w danym sprzęcie. Ten regulator toleruje często napięcie sporo przekraczające napięcie zalecanego zasilania. Ale to tez nie jest tak, że można sobie do wszystkie ot tak podłączyć 13.4V i będzie działać bo ma stabilizator. Telefony tez mają taki układ na wejściu, a zrobienie czegoś takiego pewnie skończy się ich śmiercią. W związku z takimi haczykami, trzeba dany sprzęt rozebrać, zlokalizować stabilizator napięcia i kondensatory które mu towarzyszą od strony wejścia zasilania. Kondensatory (o ile nie są to SMD w obudowach z rodzaju 0805 czy czymś takim) łatwiej zidentyfikować bo dopuszczalne napięcie można sprawdzić po prostu odczytując je z ich obudowy.

Z regulatorem napięcia czasem gorzej (jak jest w SO23-6 albo czymś takim) czasem łatwiej. W każdym razie, google naszym przyjacielem i jak określimy co to, to w nocie katalogowej danej części spokojnie odczytamy standardowy zakres napięć wejściowych. W przykładowym moim D-Linku DES-105, zasilanym normalnie z 5V źródła, siedzi jak się okazuje krewniak MP2359 pozwalający na 24V napięcia wejściowego, ale jesteśmy ograniczeni zainstalowanymi kondensatorami na 16V. Także powiedzmy, że maks 14V byłoby dla niego dopuszczalne. A gdyby ktoś pytał "ale, ale, ale, te 5V to tam z pewnością po coś jest!" - bo przy konwersji do 3v3 są mniejsze straty z 5V niż z 12V... no ale. Access Point ma łatwiej, zasilany z 12V, więć pare procent wyższe napięcie mu nie zaszkodzi i tak. A moje sensoryczne zabawki jak stacja meteo są zrobione aby znieść ~30V zasilania.

Zasilacz i akumulator

Najpierw miał być laptopowy 12V model ~60W, w sumie był, ale był potrzebny do ładowarki :D. Także, można by mu dodać akumulator 7Ah, wystarczy aby utrzymać pare godzin r-pi i głośniki jak padnie zasilanie. W takim razie - coś co się zwie zasilacz buforowy. Pierwotnie wybór padł na PSO-140-13, w sumie typowy chińczyk. Typowe chińczyki na ogół działają. Ten tez w zasadzie dział. W zasadzie, bo o ile działał to przy moim obciążeniu roboczym (około 1A w tym momencie) wydawał z siebie jedynie 80db pisk (zmierzyłem). Drugi, taki sam zasilacz był nieco cichszy i piszczał najgłośniej w innym zakresie, ale wciąż, tak się żyć nie da. Szczęśliwie firma wymieniła mi go, z małą dopłata, ale jednak na PMU-13V155WCCA. I poza tym że cichy (choć nota wspomina coś o 30db) to jeszcze ma osobny układ ładowania akumulatora (w PSO akumulator był na sztywno do wyjścia), zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem akumulatora i więcej przewodów sygnalizujących stan. Co prawda nieco dziwnie zestrojone to ustrojstwo, ładowanie do 13.4 zamiast typowego 13.8 i bardzo nisko ustawione odcięcie aku, 9V. No ale, widać mieli jakieś powody, działać będzie.

O akumulatorze nie ma co za dużo pisać, 12V nominalne, 7Ah pojemności (84Wh) - typ zamknięty/VRLA. Wybrałem akurat ten, bo był pomarańczowy. Działa, ale jak podłączyć wszystkie kable i jeszcze postawić w miejscu gdzie ktoś może dotknąć styków, a tam 230V... naugthy. Wypadało zrobić obudowę.

Kontroler

A skoro już projektowałem obudowę, to może by dac jakiś kontroler. Ot, coś monitorującego napięcia, co przy okazji poda stan urządzenia i poinformuje ile z grubsza jeszcze podziała. Na szczęście pare tygodni temu przyszły moduły, które zrobiłem przy okazji zlecenia dla klienta (Fabryka i tak rozlicza od dm2). Moduły zaprojektowane jako mierniki energii elektrycznej, 1-3 kanały na przekładniki, 1 kanał napięciowy i opcjonalny fototranzystor odczytujący mignięcia głównego licznika, dla porównania.

Poza tym mają wyprowadzone I2C i kilka GPIO. Co oznacza, że można do nich podpiąć linie sygnałowe wyprowadzone z zasilacza oraz wyświetlacz i jakieś guziczki. Moduł taki (wraz z paroma małymi dodatkami, ale o tym za chwilę) mierzy następujące parametry:

• Napięcie akumulatora
• Napięcie zasilania aktualne (które przy podtrzymaniu wynosi tyle co akumulatora)
• Napięcie sieciowe
• Prąd ładowania/rozładowania akumulatora
• Temperaturę wnętrza obudowy

Pomiary niskich napięć zrealizowane za pomocą dzielników rezystorowych, chyba nie ma czego objaśniać. Pomiar wysokich napięć i prądu zrealizowany za pomocą takiego oto układu, tutaj konfiguracja dla pomiaru napięcia.

Wzmacniacz operacyjny o wzmocnieniu (24k/8M) = 0,002857, co przy 320V pk-pk daje 0,9V odchyłki od biasu na wyjściu. Bias wynosi 1,65V (albo 1,8V), także z grubsza 0,65V-2,64V napięcia AC. A, że to jest podwójny wzmacniacz operacyjny, to druga jego część jest skonfigurowana jako komparator. Napięcie wyjściowe drugiej części wzmacniacza wynosi +3v3 kiedy przemienne napięcie wejściowe jest nad zerem, lub 0V jeśli jest pod zerem. Co oznacza, że moment zmiany wyjścia wysoki/niski/wysoki oznacza, iż napięcie (wejściowe) właśnie przechodzi przez zero w jedną lub drugą stronę. Do tego warystor na wejściu dla zabezpieczenia przed nagłymi skokami napięcia, które mogło by się przedostać na wzmacniacz i co za tym idzie dalej, przez co coś uszkodzić. Sekcja wysokiego napięcia na wszelki wypadek polakierowana dla izolacji. Ah i wzmacniacz musi być typu Rail-2-Rail, tutaj MCP6002. Dokładnie taki sam moduł, tylko skonfigurowany jako wzmacniacz ze wzmocnieniem dodatnim służy do pomiaru prądu akumulatora. Także nie ma co za bardzo opisywać. Całość podłączona do modułu wyświetlacza i przycisków opartego o MCP23017, który jest ekspanderem I2C mogącym pracować z częstotliwością FM+, czyli 1MHz. Dobrany akurat tak aby nie spowalniać transmisji do/z wyświetlacza, który... jest typu LCD, bez podświetlenia, 128x32 pikseli, monochromatyczny i w sumie fajny. Kontroler UC1601 ma całe 1056 bajtów pamięci, ale tylko nieco mniej niż połowa jest potrzebna wyświetlaczowi. Co oznacza, że w około połowie jego pamięci można upchnąć jakieś mało używane dane, plus - reset wyświetlacza nie kasuje tej pamięci, to tez póki nie odłączy się akumulatora działa jak z podtrzymaniem bateryjnym.

Sercem całości jest STM32F030, całe 64kiB Flash i 8kiB RAM. Jak na takie zadania wystarczający, a kosztuje mniej niż 8bit AVRy. Do tego dołączony jest pół-dupleksowy, szeregowy port komunikacyjny pracujący po RS485 umożliwiający zdalną kontrolę stanu zasilacza.

Obudowa

Tradycyjnie, wydrukowane to na rekinku, materiał to PET, bo ma lepsze parametry wytrzymałościowe niż ABS, a drukuje się łatwiej. Minusem jest tylko to, że jest 1,5x gęstszy niż ABS, przez co droższy. W sumie wiele do opisywania o tym nie ma. Wykonana z 6 paneli, dających się skręcić 3x25mm wkrętami do drewna. Jakby któryś z paneli się uszkodził, albo wymagał przeprojektowania (bo ulepszenia) to wystarczy wymienić jeden panel a nie pół obudowy. Na dole i po bokach znajdują się otwory wentylacyjne, a na górze wentylator. Wentylator włącza się > 35 stopni, więc jak do tej pory chłodzenie tego cuda jest całkowicie pasywne.

I tak oto, nowa zabawka się prezentuje. ;)

W efekcie...

Mamy nieprzerwane źródło zasilania dla całej 12V instalacji w domu, które wyeliminowało 11 zasilaczy z obiegu. Nawet sensownie wygląda, działa jak trzeba i ma zapas mocy i miejsca na aktualizacje na przyszłość. ;)