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. ;)