Представлена практическая конструкция недорогого и эффективного Power Bank для быстрой самостоятельной сборки, обеспечивающего бесперебойный доступ в Интернет

Ставилась задача - собрать простую систему питания для GPON модема и Wi-Fi роутера с подзарядкой от сети, максимально автономную, соответствующую принципу "подключил и забыл", с минимальными затратами, быстро, и адаптируемую к любым типам аккумуляторов. Ещё условиями были максимальная экономичность при питании от аккумуляторов и доступность деталей.

Для упрощения и ускорения сборки решено было собрать повербанк используя имеющиеся в продаже готовые модули.

Принципы построения блоков бесперебойного питания

Был выбран принцип построения on-line, когда питание потребителей осуществляется через преобразователи от аккумуляторов, а аккумуляторы заряжаются и напряжение на них поддерживается по наличию напряжения в сети. Именно такая топология построения обладает максимальным КПД при питании от аккумулятора и удовлетворяет принципу эксплуатации "подключил и забыл". Ещё одно немаловажное её достоинство - возможность построения и лёгкой адаптации к любым типам аккумуляторов. Например, один из вариантов был построен и отлично работал на гелевом аккумуляторе с одной замкнутой банкой! Такая "неприхотливость" к аккумуляторам позволяет применять (после отбора) даже такие, которые остались в мастерских по перепаковке аккумуляторных батарей, а, поверьте опыту, в каждом таком сервисном центре, каждый рабочий день остаётся 10-30 потерявших ёмкость, но всё ещё пригодных элементов.

Другая же топология на основе покупного UPS (Uninterruptible Power Supply), (или ИБП (Источник Бесперебойного Питания)) НАМНОГО менее экономична и стоит дороже, хотя и проще в реализации. Другими словами, аккумулятор из того же UPS, но подключённый к схеме on-line, способен тянуть те же потребители в десятки раз дольше, чем работая в своём же UPS. Объясняется это тем, что преобразование из 12 Вольт в переменное 220, а затем назад в 12 и 9 Вольт НАМНОГО менее экономично, чем преобразование близких постоянных напряжений.

Ещё один вариант построения схемы бесперебойного питания - использовать USB powerbank с навешенными на него повышающими преобразователями для питания модема и роутера. По экономичности это намного лучше, чем вариант с использованием ИБП, но там свои неоптимальности. К тому же USB повербанк иногда нужен в решении других вопросов.

Описание конструкции

Схема Повербанка для питания Wi-Fi роутера и GPON модема

Конструкция конкретного описанного повербанка сделана из расчёта следующего:

• Топология on-line, принцип "подключил и забыл"
• Питание Wi-Fi роутера - 9В, 200мА
• Питание GPON модема - 12В, 200мА
• Наличие большого количества просящих утилизации элементов аккумуляторов GP 380AFH.

Где-то на форумах прочитал, что роутеры TP-Link с питанием в 9В, можно питать напряжением и 12В, но проверять, рискуя спалить роутер, не хотелось. Исходя из этого, а также для обеспечения максимальной экономичности при питании от аккумуляторов было решено применить 2 готовых импульсных стабилизирующих преобразователя.

Повербанк внутри, расположение компонентов

Цены на комплектующие на ноябрь 2022г.:

• Сетевой бескорпусный блок питания на 24В WX-DC2412 370 грн.
• Понижающий преобразователь с регулировкой напряжения и тока на XL4015E1 (для схемы зарядки) 110 грн.
• Понижающий преобразователь с регулировкой напряжения на XL4005 (для выхода на 9В) 65 грн.
• Повышающе - понижающий преобразователь на XL6019 (для выхода на 12В) 140 грн.
• Цифровой вольтметр 105 грн.
• Услуги почты около 150 грн.
• Всего 940 грн.

Все детали легкодоступны, приобретаются на местном радиорынке или через интернет.

Расположение электронных модулей

Аккумуляторы были набраны из бака для отслуживших свой срок элементов питания, которые не успели сдать в пункт приёма из-за нехватки времени. Вот как полезно бывает собирать отработанные элементы питания для сдачи в утиль). Из около 150 NiMH элементов GP 380AFH были отобраны по ёмкости 50 лучших, собраны в блоки по 10 шт на 12 вольт. Отбор производился зарядными устройствами Opus BT-C3100 и SkyRC MC3000, запитанными непосредственно от 12-вольтового аккумулятора, для обеспечения бесперебойности. Opus BT-C3100 оказался для отбора конкретно этих элементов эффективнее, чем SkyRC MC3000, хотя первый считается бытовым, а второй профессиональным.

Аккумуляторы из NiMH GP 380AFH x 50

Внутри каждого блока установлен термопредохранитель на 10А 85 град. (на схеме не показан). Блоки из 10 штук были механически скреплены друг с другом с помощью прозрачного силикона и клея Момент-Кристалл с зазором между ними 4-5 мм для охлаждения. Несмотря на подбор элементов наблюдался значительный разброс характеристик как по ёмкости, так и по внутреннему сопротивлению. Поэтому было принято решение, соединить все соответствующие элементы каждого блока параллельно. Эта идея возникла ещё на этапе подбора, поэтому в блоки элементы отбирались так, чтобы к элементу с меньшей ёмкостью оказывался в параллель элемент с бОльшей ёмкостью. Так, как токи заряда-разряда небольшие, подбором по внутреннему сопротивлению было решено пренебречь.

Повербанк вид сбоку

Повербанк внешний вид

Сетевой блок питания WX-DC2412 220V AC to 24V DC 4A в качестве U1

Понижающий стабилизирующий преобразователь в качестве U2. Позволяет регулировать как выходное напряжение, так и ограничение по силе тока, благодаря чему может использоваться, как зарядное для аккумуляторов. Потенциометр, обведённый красным, устанавливает силу тока, обведённый синим, соответственно - регулировка выходного напряжения.

Понижающий стабилизирующий преобразователь в качестве U3, позволяющий устанавливать выходное напряжение.

Повышающе-понижающий стабилизирующий преобразователь в качестве U4, позволяющий устанавливать выходное напряжение.

Напряжение выхода преобразователя U2 было установлено 14,1 вольт, максимальная сила тока 1,5А, что соответствует току заряда аккумуляторной батареи около 1,1А.
Гетинаксовые панели, шпильки, гайки и т. д. из гаражного утиля. Провода - от старых компьютерных блоков питания, диод, выключатель, штекера и разъёмы из разборки, но если их нет, то стоят они в радиомагазинах сущие пустяки.
Штекера к роутеру и модему одинаковые 5,5х1,5 с плюсом посередине, минус снаружи.
Практика показала, что полного заряда аккумуляторов хватает более чем на 1 сутки непрерывной работы.
Это описание конструкции на аккумуляторах NiMH из элементов GP 380AFH.
Ещё одна конструкция была собрана на элементах LiFePO4.

Повербанк из 3 x 4S LiFePO4

Если же требуется бОльшее время автономной работы, можно подключить дополнительные аккумуляторы 12В параллельно основному или выбрать аккумулятор бОльшей ёмкости. Можно подключать даже автомобильный аккумулятор (ток понижающего зарядного преобразователя при этом можно увеличить до 3А), можно использовать "подсевший" аккумулятор, который уже не прокручивает стартёр. Знакомый сделал повербанк по этому "рецепту" и подключил его к автомобильному аккумулятору, отслужившему лет 5, у которого замкнута 1 банка, говорит, хватает на примерно 15 часов непрерывной работы.

Выбор аккумулятора

Аккумулятор можно ставить гелевый или AGM, как для блоков бесперебойного питания, 12В, 7-9-12 А/ч. Также можно применить классический свинцовый кислотный, гелевый или AGM аккумулятор с посыпавшейся (замкнутой) 1 банкой. И, конечно, можно применить 4S (4 последовательно соединённые элемента) аккумуляторные батареи LiFePO4 и Li-Ion - Li-Pol, из отобранных элементов, но в этом случае отбор жестче и применение BMS (battery management system) (балансир, плата балансировки) обязательно. Li-Ion - Li-Pol аккумуляторы можно взять в мастерских, где перепаковывают батареи для ноутбуков и электроинструмента. Если используется несколько аккумуляторных батарей, они все должны быть одной электрохимической системы. Если используется, скажем, свинцовый аккумулятор с замкнутой банкой, то ему в параллель для усиления можно цеплять такой же свинцовый аккумулятор с замкнутой банкой. Можно даже использовать аккумуляторы на 6 Вольт, но в этом случае преобразователи U3 и U4 должны быть повышающими. В рамках одной статьи сложно описать все возможные варианты применения аккумуляторов в таком бесперебойнике. Во всех случаях необходимо корректировать напряжение узла заряда (преобразователь U2).

Ориентировочные напряжения выхода преобразователя U2

* число перед S означает количество последовательно соединённых элементов.

Если в качестве D1 используется диод шоттки, напряжение на выходе преобразователя необходимо уменьшить примерно на 0,4 В. Во избежание эксцессов с аккумуляторами, и нагрузкой (модем + роутер), все преобразователи должны быть настроены до включения в составе повербанка. Путать + и - категорически не допускается.

Настройка тока ограничения преобразователя заряда U2 соответствует принципу чем больше ёмкость аккумулятора, тем на больший ток можно ставить преобразователь заряда U2. Ток заряда аккумуляторов = току ограничения преобразователя U2 минус ток потребления нагрузки (модем + роутер) через преобразователи. Ток заряда не целесообразно снижать ниже 0,1С и не должен быть выше 1С, где С - ёмкость аккумулятора. Чем больше ток заряда, тем быстрее заряжаются аккумуляторы и тем быстрее они теряют ёмкость в процессе эксплуатации. Если ток заряда слишком мал, есть риск, что за короткое время наличия электричества аккумулятор зарядиться не успеет. Есть мнение, что некоторым средним оптимальным током зарядки для свинцовых, гелевых и AGM есть ток 0,2С, например, для аккумулятора 12В 7А/ч оптимальный ток заряда будет 1,4А, для остальных типов аккумуляторов 0,3С.

Следует помнить, что автомобильные негерметичные свинцово - кислотные аккумуляторы в работе выделяют вредные газы, поэтому их лучше размещать в проветриваемых помещениях. Чтобы значительно уменьшить выделение газов, а, также для продления службы такого аккумулятора его следует эксплуатировать в диапазоне температур 10-25^oС, заряжать током не более 0,1 С до напряжения не более 14,3В а разряжать не глубже 10-11В.

Также следует соблюдать правила эксплуатации соответствующих аккумуляторов, основные из которых: не нагревать выше 60^oС, не допускать переполюсовки, короткого замыкания, перезаряда и переразряда.

Диод D1 (в описанной конструкции применён диод Шоттки SB340) нужен для того, чтобы аккумуляторы не разряжались через зарядный преобразователь U2 и блок питания. Если его исключить, то во время пропадания напряжения сети 220В аккумулятор будет дополнительно разряжаться через зарядные цепи током около 30 мА. Это на 7-8 % сократит его время бесперебойной работы. В качестве диода лучше выбрать диод Шоттки, у него ниже прямое падение напряжения, с максимальным напряжением не ниже 30 В и максимальным током 3-6А (лучше больше). Диоды, рекомендуемые для применения в качестве D1: Шоттки: 1N5844, SB340, SB350, SB540, SB550, 1N5822 Классика: FR601 - FR607, FR501 - FR507

Регулировка

Регулировка простая и заключается в следующем:

• Регулировка модулей U2, U3 и U4 производится до монтажа в схему повербанка.
• Напряжение на выходе понижающего зарядного преобразователя U2 зависит от применяемого аккумулятора и ориентировочно устанавливается в соответствии с таблицей, приведённой выше. Ограничение тока выхода понижающего зарядного преобразователя U2 зависит от ёмкости применяемого аккумулятора и описано здесь.
• Преобразователи U3 и U4 настраиваются на те напряжения, которые требуются конкретным потребителям (модему и роутеру).

На этом регулировка заканчивается.

Сборка

Сборка проводится после регулировки модулей U2, U3 и U4. Собранный повербанк следует тщательно проверить на наличие переполюсовок и коротких замыканий и только затем соединять с аккумулятором и включать в сеть. Следует помнить, что электроника переполюсовок не прощает.

Такого плана powerbank можно применять также для систем видеонаблюдения, для питания домашних роутеров и модемов, так и свичей ethernet провайдеров, чтобы обеспечить бесперебойность проводного интернета. В этом случае можно упростить конструкцию, исключив один из понижающих преобразователей.

Пути удешевления, упрощения и модернизации конструкции

Для удешевления конструкции можно использовать вместо понижающего преобразователя U4 линейный стабилизатор напряжения LM7809. Такое решение чуть снизит КПД при питании от аккумуляторов. Если в качестве аккумулятора будет использована 4S Li-ion или Li-pol, то вместо U3 целесообразно применить не повышающе - понижающий а более дешёвый понижающий преобразователь или даже линейный стабилизатор напряжения LM7812. Вместо сетевого стабилизированного блока питания на 24В WX-DC2412 можно применить другой с выходом 24В 3-4А, или даже использовать нестабилизированный источник питания, представляющий собой сетевой трансформатор с первичной обмоткой на 220 Вольт и вторичной на 15 - 20 Вольт, с выпрямителем и сглаживающим конденсатором не менее 1000uF x 50V. В этом случае стабилизация будет на преобразователе U2. Если используется свинцовый, гелевый, AGM или NiMH, NiCd аккумулятор (без BMS контроллера), имеет смысл собрать отсекатель нагрузки по минимальному заданному напряжению на аккумуляторах. Это может значительно продлить срок службы аккумуляторов.

Ещё замечено, что рекомендуемый зарядный преобразователь U2 при установленном токе заряда более 1 А достаточно сильно греется (но всё-же работает). Причина - его дроссель, на котором китайцы явно сэкономили. Если требуется ток заряда более 1 А, желательно, а при установке зарядного тока более 2 А обязательно, либо подобрать другой, более мощный преобразователь с регулировкой тока и напряжения, либо доработать этот, перемотав дроссель проводом чуть толще и увеличив количество витков на 20%. Также можно установить вместо родного дросселя снятый с разборки компьютерного блока АТХ синфазный дроссель.

Описанная выше конструкция предоставляет большие возможности для модернизации как в плане наращивания ёмкости аккумуляторных батарей, так и добавкой новых функций. Например, можно превратить повербанк в зарядную станцию, сделав выходы на USB и / или на ноутбук или другой гаджет, имеющийся в пользовании.

Для организации USB зарядки необходим понижающий преобразователь, настроенный на 5 вольт 3 ампера.

Понижающий преобразователь на LM25116, Uвх-6~40V, Uвых-1.2~36V, 20A, с регулировкой тока и напряжения

Включить его следует к аккумуляторной батарее через предохранитель и выключатель. К его выходу можно подключить 2 USB гнезда, которые без труда можно найти на радиорынке или в интернет - магазинах. Мы ставим гнёзда из разборки от старых материнских плат. К выходу преобразователя можно подключить ещё светодиод (через резистор), для индикации наличия напряжения на USB выходе.

Этот же преобразователь (настроенный соответственно, как описано выше) рекомендуется применять в качестве зарядного U2, если ёмкость аккумуляторной батареи превышает 10 А/ч.

По такому же принципу можно сделать выход на питание ноутбука (обычно 19 или 21 вольт), для этого понадобится повышающий преобразователь, настроенный на соответствующее выходное напряжение и силу тока ампер 5-10.

Повышающий преобразователь на TL494, Uвх-8.5~50V, Uвых-10~60V, 400Вт, с регулировкой тока и напряжения

Включать его в схему следует также через предохранитель и выключатель. Выход рекомендуем делать на паре мама-папа разъёмов XT30, папу подключаем к покупному кабелю, с разъёмом питания ноутбука. Такой кабель также можно найти на радиорынке или в интернет - магазинах.

Ещё идея - таким же образом оснастить повербанк осветительным светодиодом или лентой.

Поэтому рекомендуем, если предполагается работа с аккумуляторами большой ёмкости, оставить запас места для дополнительных преобразователей и для вашей фантазии.

Вместо заключения

Этой статьёй автор хотел поделиться не столько готовой конструкцией, сколько принципами и идеями, положенными в её основу.

Ещё следует понимать, что бесперебойным интернет будет гарантированно в случае использования GPON (Gigabit Passive Optical Network) (оптоволоконной) технологии передачи данных. Эта технология связывает напрямую провайдера и пользователя и не требует наличия промежуточных роутеров и свичей. В случае же использования проводного канала связи по витой паре требуются промежуточные роутеры и свичи, которым также необходимо бесперебойное питание. Обычно провайдеры не утруждают себя обеспечением бесперебойности питания аппаратуры, стоящей вне их помещений. Это приводит к тому, что если по пути следования сигнала между провайдером и вами будет отсутствовать электропитание, даже в случае бесперебойности питания вашего роутера, доступ в интернет будет отсутствовать. Ведь на пути следования сигнала, идущего по витой паре встретятся десятки свичей, хабов и роутеров, также требующих питание. Другими словами, если у вас проводной интернет, то для обеспечения бесперебойности доступа необходимо перейти на GPON (оптоволокно). Для этого обычно достаточно оставить заявку у своего провайдера.