[RAQ] Jak zbudować zasilacz UPS dla urządzeń domowych

Pytanie:

Co mogę zrobić, aby korzystać z Wi-Fi i innych urządzeń domowych podczas przerwy w dostawie prądu?

Odpowiedź:

Możesz w tym celu zaprojektować domowy zasilacz UPS (ang. uninterruptible power supply), który wykorzysta akumulator samochodowy jako źródło zasilania awaryjnego. Taki akumulator można podłączyć do konwertera buck/boost, który generuje stabilne zasilanie 12 V/5 A dla routera Wi-Fi, a także do konwertera buck 6,5 V/1,5 A dla zasilania telefonu bezprzewodowego.

Wstęp

W miarę postępu technologicznego coraz bardziej odczuwamy naszą zależność od energii elektrycznej. Przerwy w dostawie prądu mogą spowodować, że nawet najlepiej wyposażone domy stracą wiele udogodnień. Poniższy artykuł opisuje projekt awaryjnego zasilania dla domu, który może zapewnić utrzymanie najbardziej istotnej usługi: sieci Wi-Fi.

Zasilacz UPS do zastosowań domowych

Układ na rysunku 1 zaprojektowano w pewnym sensie z konieczności. W obliczu groźby kryzysu energetycznego na początku 2022 roku i zagrożenia pokoju na świecie miał on za zadanie utrzymać domową sieć Wi-Fi w przypadku przerwy w dostawie prądu. Chociaż brzmi to tylko jak “problem pierwszego świata”, to restart przeciętnego routera Wi-Fi trwa ponad 2 minuty. Jeśli zasilanie padnie w środku rozmowy konferencyjnej, to może wydawać się to wiecznością. Nawet niewielkie spadki napięcia mogą powodować poważne problemy. Prezentowana konstrukcja domowego zasilacza zapewnia zasilanie 12 V/5 A dla routera Wi-Fi (lub też innych urządzeń elektronicznych), a także dodatkowe zasilanie 6,5 V/1,5 A dla telefonu bezprzewodowego. To wystarczy, aby utrzymać połączenie ze światem zewnętrznym.

Rys. 1. Pełen schemat zasilacza UPS

Rysunek 1 przedstawia całość omawianego układu. Źródło zasilania rezerwowego to używany akumulator samochodowy zakupiony na złomowisku za 20 funtów brytyjskich. Zastosowany układ LTC3789 to przetwornica typu buck/boost z czterema kluczami przełączającymi. Zapewnia ona stałe zasilanie 12 V, oferuje wysoką sprawność energetyczną i może być zasilana napięciem powyżej lub poniżej napięcia wyjściowego. Zestaw ewaluacyjny dla tej przetwornicy zapewnia wyjście 12 V/5 A przy napięciu wejściowym z zakresu 5-36 V, a więc można go używać bez żadnych modyfikacji. Ponieważ router Wi-Fi potrzebuje tylko 1 A, zestaw można wykorzystać do zasilania również innych urządzeń wymagających napięcia 12 V.

Przetwornica LT8608 dla napięcia 6,5 V

Telefon bezprzewodowy wymaga z kolei napięcia 6,5 V przy prądzie około 600 mA. Do stabilizacji tego napięcia wybrano układ LT8608, cechujący się niskim szumem, wysoką sprawnością energetyczną, a także wyjątkowo niskim prądem spoczynkowym rzędu 2,5 µA. Maksymalne napięcia wejściowe układów LT8608 i LTC3789 wynoszą odpowiednio 42 V i 38 V. W związku z tym podłączono je bezpośrednio do akumulatora samochodowego, co pozwala zmaksymalizować sprawność układu.

Niektóre tańsze ładowarki mogą generować wysokie napięcia, jeśli nie są prawidłowo podłączone do baterii. Dzieje się tak ponieważ bateria nie pobiera wtedy prądu ładowania w odpowiedni sposób. Dlatego, jeśli ładowarka ma dobre połączenie z obwodem, ale słabe z baterią, może wygenerować wysokie napięcie, które uszkodzi elektronikę. Szeroki zakres napięć wejściowych LTC3789 i LT8608 zmniejsza obawy o generowanie wysokich napięć po podłączeniu ładowarki. Układ może pracować zarówno z ładowarką akumulatorową podłączoną na stałe, jak i rozłączaną. Warto jednak zwrócić uwagę na aspekty bezpieczeństwa związane z trzymaniem ładowarki podłączonej na stałe w pomieszczeniu pozbawionym wentylacji, które są związane z typem baterii oraz zasilacza.

Układ LTC4416 do przełączania pomiędzy źródłami zasilania

Kluczową częścią rozwiązania jest układ scalony LTC4416. To podwójna idealna dioda odpowiedzialna za przełączanie pomiędzy główną szyną zasilającą a zasilaniem rezerwowym. LTC4416 zawiera precyzyjny komparator, który wykrywa, kiedy główne zasilanie uległo awarii. Przełącza się wtedy na zasilanie rezerwowe, wykorzystując w tym celu cztery zewnętrzne P-kanałowe tranzystory MOSFET (PFET).

Najprostszą formą tego obwodu są dwie diody w konfiguracji funkcji logicznej OR. W tym układzie katody diod są ze sobą połączone, a do anod podłączone jest zasilanie główne i rezerwowe. Obwód ten podaje jednak do wyjścia na katodzie tylko najwyższe z dwóch napięć zasilania, a wysokość napięcia spada o 0,6 V na diodzie.

Wersja z tranzystorami PFET

Można jednak zaprojektować bardziej wydajny obwód, używając zamiast diod tranzystorów PFET. W tym przypadku, jeśli napięcie na diodzie wewnętrznej (pomiędzy drenem a źródłem) tranzystora przekroczy pewien próg, FET jest włączany, co oczywiście powoduje zwarcie diody. Z kolei jeśli napięcie dren-źródło jest ujemne, to przepływ prądu przez tranzystor jest blokowany, a dioda wewnętrzna jest spolaryzowana zaporowo. Tranzystor PFET zachowuje się więc niemal jak idealna dioda o niskim napięciu przewodzenia i całkowitej blokadzie w kierunku zaporowym. Zostało to przedstawione na rysunku 2.

Rys.2. Implementacja idealnej diody w konfiguracji funkcji logicznej OR

W tym układzie kierunek przewodzenia diody wewnętrznej każdego tranzystora PFET jest skierowany od wejścia do wyjścia. Różnica napięć wejściowych wyższa niż 600 mV spowoduje więc przewodzenie jednej z diod. Jeśli zdarzy się, że napięcie zasilania rezerwowego będzie wyższe niż głównego, to moc obciążenia będzie pobierana z zasilania rezerwowego, co w tym układzie jest niepożądane. Odwrócenie tranzystorów PFET co prawda hamuje ten problem, ale wtedy dioda będzie przewodzić, gdy napięcie wyjściowe jest wyższe od wejściowego o więcej niż 600 mV.

O wiele lepszym rozwiązaniem jest dodanie dodatkowego tranzystora PFET do każdej ścieżki tak, jak na rysunku 3. W tym układzie dwie diody przeciwstawiają się sobie, więc układ ten zapewnia dwukierunkowe rozłączenie obwodu, gdy FET-y są wyłączone. Izoluje także kanały niezależnie od napięć wejściowych i wyjściowych.

Rys. 3. Diodowy obwód OR z dwukierunkowym rozłączaniem

Wykonanie zasilacza UPS

Dla obwodu zasilania 12 V, zestaw ewaluacyjny LTC4416 (DC1059A) zmodyfikowano dolutowując rezystor 100 kΩ w miejscu R3. Natomiast w miejscu R1 zamontowano sumę rezystorów 10 kΩ oraz 2,2 kΩ. W ten sposób system przełącza się na zasilanie rezerwowe, gdy szyna główna spadnie poniżej napięcia ok. 11,17 V. Układ działał zgodnie z planem, ale okazało się, że punkt dostępowy Wi-Fi potrzebował bardziej precyzyjnego zasilania 12 V i potrafił restartować się po ponownym włączeniu głównego zasilania. Powodem tego była stosunkowo duża różnica napięcia (11,17 V oraz 12 V), które było zbyt duże dla routera. Wymiana R1 na wartość 11,47 kΩ podniosła napięcie przełączania do 11,8 V, co pozwoliło ustabilizować system. Natomiast telefon bezprzewodowy znacznie lepiej tolerował różnicę napięć. W miejscu R15 zamontowano więc sumę rezystorów 22 kΩ + 10 kΩ, co dało napięcie przełączania na poziomie 5 V.

Przebiegi sygnałów układu można obejrzeć na rysunku 4. Zielony przebieg pokazuje wyjście LTC4416, które ma zawsze napięcie 12 V, czerwony pokazuje sygnał z głównego zasilacza sieciowego, natomiast niebieski – napięcie z akumulatora samochodowego.

Zakłócenia w zielonym przebiegu nie były widoczne, gdy oscyloskop był sprzężony stałoprądowo. Zmiana na sprzężenie AC pokazuje niewielkie zakłócenia przy podłączeniu (ok. 600 ms) i odłączeniu (przy 5,8 s) zasilacza sieciowego. Jak na ironię, szumy na tej ścieżce były znacznie większe, gdy podłączone było główne zasilanie. Oznacza to, że szumy generowane przez zasilacz są większe niż te z LTC3789.

Rys. 4. Napięcie 12 V na wyjściu (zielony przebieg) pozostaje praktycznie bez zmian po odłączeniu zasilacza sieciowego (czerwony przebieg)

Zdjęcie układów elektronicznych zasilacza UPS pokazano na rysunku 5, a kompletne urządzenie wraz z akumulatorem – na rysunku 6.

Rys. 5. Zasilacze i idealne diody zamontowane do bocznej ściany obudowy

Rys. 6. Kompletny układ z akumulatorem

Dalszy rozwój projektu

Opisywany układ należałoby umieścić w układzie szeregowo z zasilaczem. Może to jednak wymagać przecięcia przewodów zasilacza sieciowego i dołączenia ich do układu. Bardziej eleganckie rozwiązanie to wygenerowanie z akumulatora napięcia, powiedzmy, 340 V DC i doprowadzenie go do przedłużacza, a następnie podłączenie do tego gniazda zasilacza sieciowego. Wszystkie takie zasilacze zawierają bowiem prostownik, co oznacza, że nie ma znaczenia, czy napięcie na wejściu jest zmienne czy stałe. Tym niemniej straty poniesione przy generowaniu napięcia 340 V z akumulatora 12 V, a także poniesione przy obniżaniu tego napięcia w zasilaczu są na tyle duże, że znacznie wydajniejszy i prostszy jest układ niskiego napięcia, nawet jeśli zastosowanie go oznacza konieczność daleko posuniętych modyfikacji.

Zestawy ewaluacyjne LTC4416 zawierają diody LED wskazujące, czy używane jest zasilanie główne czy zapasowe. Diody te można łatwo wyprowadzić na zewnątrz obudowy. Innym przydatnym dodatkiem może być przełącznik, który ustawia piny LTC4416 w stan niski, co pozwala przetestować przełączanie pomiędzy szynami zasilania.

Wnioski

Projekt opisany w tym artykule, to zasilacz UPS. Ma on za zadanie podtrzymać zasilanie najważniejszych urządzeń domowych w przypadku przerwy w dostawie energii. Przykład ten można modyfikować – na przykład użyć mocniejszych MOSFET-ów (również N-kanałowych) i większej baterii. Pozwoli to zwiększyć moc wyjściową i wydłużyć czas zasilania.

O autorze