Представлено практичну конструкцію недорогого та ефективного Power Bank для швидкого самостійного складання, що забезпечує безперебійний доступ до Інтернету

Ставилося завдання - зібрати просту систему живлення для GPON модему та Wi-Fi роутера з підзарядкою від мережі, максимально автономну, відповідну принципу "підключив і забув", з мінімальними витратами, швидко та адаптовану до будь-яких типів акумуляторів. Додатковими умовами були максимальна економічність живлення від акумуляторів та доступність комплектуючіх.

Для спрощення та прискорення складання вирішено було зібрати повербанк, використовуючи наявні у продажу готові модулі.

Принципи побудови блоків безперебійного живлення

Було обрано принцип побудови on-line, коли живлення споживачів здійснюється через перетворювачі від акумуляторів, а акумулятори заряджаються і напруга на них підтримується за наявності напруги в мережі. Саме така топологія побудови має максимальний ККД при живленні від акумулятора і задовольняє принцип експлуатації "підключив і забув". Ще одна важлива її перевага - можливість побудови та легкої адаптації до будь-яких типів акумуляторів. Наприклад, один із варіантів був побудований і чудово працював на гелевому акумуляторі з однією замкненою банкою! Така "невибагливість" до акумуляторів дозволяє застосовувати (після відбору) навіть такі, які залишилися в майстернях з перепакування акумуляторних батарей, а, повірте досвіду, в кожному такому сервісному центрі, кожен робочий день залишається 10-30 елементів, що втратили ємність, але все ще придатних до роботи в такому приладі.

Інша ж топологія на основі покупного UPS (Uninterruptible Power Supply), (або ДБЖ (Джерело Безперебійного Живлення)) набагато менш економічна і коштує дорожче, хоча і простіше в реалізації. Іншими словами, акумулятор із того ж UPS, але підключений до схеми on-line, здатний тягнути ті ж споживачі в десятки разів довше, ніж працюючи у своєму UPS. Пояснюється це тим, що перетворення з 12 Вольт на змінне 220, а потім назад в 12 і 9 Вольт набагато менш економічне, ніж перетворення близьких постійних напруг.

Ще один варіант побудови схеми безперебійного живлення - використовувати USB powerbank з навішеними на нього перетворювачами, що підвищують вихідну напругу, для живлення модему і роутера. По економічності це набагато краще, ніж варіант із використанням ДБЖ, але там свої неоптимальності. До того ж USB повербанк іноді потрібний у вирішенні інших питань.

Опис конструкції

Схема Повербанку для живлення Wi-Fi роутера та GPON модему

Конструкція описаного повербанку виготовлена ​​з розрахунку наступного:

• Топологія on-line, принцип "підключив та забув"
• Живлення Wi-Fi роутера - 9В, 200мА
• Живлення GPON модему - 12В, 200мА
• Наявність великої кількості NiMH елементів GP 380AFH, що благають про утилізацію.

Десь на форумах прочитав, що роутери TP-Link з живленням у 9В, можна живити напругою та 12В, але перевіряти, ризикуючи спалити роутер, не хотілося. Виходячи з цього, а також для забезпечення максимальної економічності при живленні від акумуляторів було вирішено застосувати 2 готових стабілізуючих імпульсних перетворювача.

Повербанк всередині, розташування компонентів

Ціни на комплектуючі на листопад 2022р.:

• Мережний безкорпусний блок живлення на 24В WX-DC2412 370 грн.
• Знижувальний перетворювач з регулюванням напруги та струму на XL4015E1 (для схеми заряджання) 110 грн.
• Знижувальний перетворювач із регулюванням напруги на XL4005 (для виходу на 9В) 65 грн.
• Підвищуюче - знижувальний перетворювач на XL6019 (для виходу на 12В) 140 грн.
• Цифровий вольтметр 105 грн.
• Послуги пошти близько 150 грн.
• Всього 940 грн.

Всі деталі доступні на місцевому радіоринку або можуть бути замовлені через інтернет.

Розташування електронних модулів

Акумулятори були набрані з бака для елементів живлення, що відслужили свій термін, які не встигли здати в пункт прийому через брак часу. Ось як корисно буває збирати відпрацьовані елементи живлення для здавання в брухт). З близько 150 NiMH елементів GP 380AFH було відібрано за ємністю 50 кращих, зібрано в блоки по 10 шт на 12 вольт. Відбір проводився зарядними пристроями Opus BT-C3100 і SkyRC MC3000, що живилися безпосередньо від 12-вольтового акумулятора, для забезпечення безперебійності. Opus BT-C3100 виявився для відбору саме цих елементів ефективніше, ніж SkyRC MC3000, хоча перший вважається побутовим, а другий професійним.

Акумуляторна батарея Powerbank з NiMH GP 380AFH x 50

Усередині кожного блоку встановлено термозапобіжник на 10А 85 град. (На схемі не показаний). Блоки з 10 штук були механічно скріплені один з одним за допомогою прозорого силікону та клею Момент-Кристал із зазором між ними 4-5 мм для охолодження. Незважаючи на підбір елементів, спостерігався значний розкид характеристик як по ємності, так і по внутрішньому опору. Тому було прийнято рішення з'єднати всі відповідні елементи кожного блоку паралельно. Ця ідея виникла ще на етапі підбору, тому блоки елементи відбиралися так, щоб до елемента з меншою ємністю опинявся в паралель елемент з більшою ємністю. Так як струми заряду-розряду невеликі, підбором з внутрішнього опору було вирішено знехтувати.

Повербанк вид збоку

Повербанк зовнішній вигляд

Мережевий блок живлення WX-DC2412 220V AC to 24V DC 4A max в якості U1

Знижуючий стабілізуючий перетворювач в якості U2. Має можливість регулювання як вихідної напруги, так і обмеження по силі струму, завдяки чому може використовуватися як зарядний для акумуляторів. Потенціометр, обведений червоним, встановлює силу струму, обведений синім, відповідно - регулювання вихідної напруги.

Знижуючий стабілізуючий перетворювач в якості U3. Має можливість регулювання вихідної напруги.

Підвищуюче-знижуючий стабілізуючий перетворювач в якості U4. Має можливість регулювання вихідної напруги.

Напруга виходу перетворювача U2 була встановлена ​​14,1 вольт, максимальна сила струму 1,5А, що відповідає струму заряду акумуляторної батареї близько 1,1А.
Гетинаксові панелі, шпильки, гайки тощо з гаражного брухту. Провід - від старих комп'ютерних блоків живлення, діод, вимикач, штекера і роз'єми з розбирання, але якщо їх немає, то стоять вони в радіомагазинах дрібниці.
Штекера до роутера та модему однакові 5,5х1,5 з плюсом посередині, мінус зовні.
Практика показала, що повного заряду акумуляторів вистачає більш ніж на 1 добу безперервної роботи.
Це опис конструкції на акумуляторах NiMH з елементів GP 380AFH.
Ще одна конструкція була зібрана на елементах LiFePO4.

Повербанк, складений з 3 x 4S LiFePO4

Якщо потрібний більший час автономної роботи, можна підключити додаткові акумулятори 12В паралельно основному або вибрати акумулятор більшої ємності. Можна підключати навіть автомобільний акумулятор (струм знижувального зарядного перетворювача при цьому можна збільшити до 3А), можна використовувати "акумулятор, що підсів", який вже не прокручує стартер. Знайомий зробив повербанк за цим "рецептом" і підключив його до автомобільного акумулятора, який відслужив років 5, у якого замкнуто 1 банк, каже, вистачає на приблизно 15 годин безперервної роботи.

Вибір акумулятора

Акумулятор можна ставити гелевий або AGM, як для блоків безперебійного живлення, 12В, 7-9-12 А/год. Також можна застосувати класичний свинцевий кислотний, гелевий або AGM акумулятор з посипаною (замкнутою) 1 банкою. І, звичайно, можна застосувати 4S (4 послідовно з'єднані елементи) акумуляторні батареї LiFePO4 та Li-Ion - Li-Pol, з відібраних елементів, але в цьому випадку відбір жорсткіший і застосування BMS (battery management system) (балансир, плата балансування) обов'язково. Li-Ion - Li-Pol акумулятори можна взяти в майстернях, де перепакують батареї для ноутбуків та електроінструменту. Якщо використовується кілька акумуляторних батарей, вони мають бути однієї електрохімічної системи. Якщо використовується, скажімо, свинцевий акумулятор із замкнутою банкою, то йому в паралель для посилення можна чіпляти такий самий свинцевий акумулятор із замкненою банкою. Можна навіть використовувати акумулятори на 6 Вольт, але в цьому випадку перетворювачі U3 та U4 мають бути підвищуючими. В рамках однієї статті складно описати всі можливі варіанти застосування акумуляторів у такому безперебійнику. У всіх випадках необхідно коригувати напругу вузла заряду (перетворювач U2).

Орієнтовна напруга виходу перетворювача U2

* число перед S означає кількість послідовно з'єднаних елементів.

Якщо в якості D1 використовується діод шоттки, напругу на виході перетворювача необхідно зменшити приблизно на 0,4 В. Щоб уникнути ексцесів з акумуляторами, та навантаженням (модем + роутер), усі перетворювачі мають бути налаштовані до включення до складу повербанку. Плутати + і - категорично не допускається.

Налаштування струму обмеження перетворювача заряду U2 відповідає принципу чим більша ємність акумулятора, тим більший струм можна ставити перетворювач заряду U2. Струм заряду акумуляторів = струму обмеження перетворювача U2 мінус струм споживання навантаження (модем + роутер) через перетворювачі. Струм заряду не доцільно знижувати нижче 0,1С і не повинен бути вищим за 1С, де С - ємність акумулятора. Чим більше струм заряду, тим швидше заряджаються акумулятори і тим швидше вони втрачають ємність у процесі експлуатації. Якщо струм заряду занадто малий, є ризик, що за короткий час акумулятор зарядитися не встигне. Є думка, що деяким середнім оптимальним струмом зарядки для свинцевих, гелевих і AGM є струм 0,2С, наприклад, для акумулятора 12В 7А/год., для решти типів акумуляторов 0,3С.

Слід пам'ятати, що автомобільні негерметичні свинцево-кислотні акумулятори в роботі виділяють шкідливі гази, тому їх краще розміщувати в приміщеннях, що провітрюються. Щоб значно зменшити виділення газів, а також для продовження служби такого акумулятора його слід експлуатувати в діапазоні температур 10-25°С, заряджати струмом не більше 0,1°С до напруги не більше 14,3°С. не глибше 10-11В.

Також слід дотримуватись правил експлуатації відповідних акумуляторів, основні з яких: не нагрівати вище 60^oС, не допускати переполюсування, короткого замикання, перезаряду та перерозряду.

Діод D1 (в описаній конструкції застосований діод Шоттки SB340) потрібен для того, щоб акумулятори не розряджалися через зарядний перетворювач U2 та блок живлення. Якщо його виключити, то під час зникнення напруги мережі 220В акумулятор додатково розряджатиметься через зарядні ланцюги струмом близько 30 мА. Це на 7-8% скоротить його час безперебійної роботи. Як діод краще вибрати діод Шоттки, у нього нижче пряме падіння напруги, з максимальною напругою не нижче 30 В і максимальним струмом 3-6А (краще більше). Діоди, рекомендовані для застосування в якості D1: Шоттки: 1N5844, SB340, SB350, SB540, SB550, 1N5822 Звичайні: FR601 - FR607, FR501 - FR507

Регулювання

Регулювання просте і полягає в наступному:

• Регулювання модулів U2, U3 та U4 проводиться до монтажу у схему повербанку.
• Напруга на виході знижувального зарядного перетворювача U2 залежить від акумулятора, що застосовується, і орієнтовно встановлюється відповідно до таблиці, наведеної вище. Обмеження струму виходу понижуючого зарядного перетворювача U2 залежить від ємності акумулятора, що застосовується, і описано тут.
• Перетворювачі U3 і U4 налаштовуються на ті напруги, які потрібні конкретним споживачам (модему та роутеру).

На цьому регулювання закінчується.

Складання

Складання проводиться після регулювання модулів U2, U3 та U4. Зібраний повербанк слід ретельно перевірити на наявність переполюсувань та коротких замикань і лише потім з'єднувати з акумулятором та включати до мережі. Слід пам'ятати, що електроніка переполюсування не прощає.

Такого плану powerbank можна застосовувати як для систем відеоспостереження, для живлення домашніх роутерів і модемів, так і свічей ethernet провайдерів, щоб забезпечити безперебійність дротового інтернету. У цьому випадку можна спростити конструкцію, виключивши один із понижувальних перетворювачів.

Шляхи здешевлення, спрощення та модернізації конструкції

Для здешевлення конструкції можна використовувати замість знижувального перетворювача U4 лінійний стабілізатор напруги LM7809. Таке рішення трохи знизить ККД під час живлення від акумуляторів. Якщо в якості акумулятора буде використана 4S Li-ion або Li-pol, то замість U3 доцільно застосувати не підвищуюче - знижуючий, а дешевший понижувальний перетворювач або навіть лінійний стабілізатор напруги LM7812. Замість мережевого стабілізованого блоку живлення на 24В WX-DC2412 можна застосувати інший з виходом 24В 3-4А, або навіть використовувати нестабілізоване джерело живлення, що представляє собою мережевий трансформатор з первинною обмоткою на 220 Вольт і вторинною на 15 - 20 Вольт, щонайменше 1000uF x 50V. В цьому випадку стабілізація буде на перетворювачі U2. Якщо використовується свинцевий, гелевий, AGM або NiMH, NiCd акумулятор (без BMS контролера), має сенс зібрати відсікач навантаження за мінімальною заданою напругою на акумуляторах. Це може значно продовжити термін служби акумуляторів.

Ще помічено, що зарядний перетворювач U2, що рекомендується, при встановленому струмі заряду більше 1 А досить сильно гріється (але все-таки працює). Причина - його дросель, на якому китайці заощадили. Якщо потрібно струм заряду більше 1 А, бажано, а при встановленні зарядного струму більше 2 А обов'язково, або підібрати інший, потужніший перетворювач з регулюванням струму і напруги, або допрацювати цей, перемотавши дросель дротом трохи товщі і збільшивши кількість витків на 20%. Також можна встановити замість рідного дроселя, знятий з розбирання комп'ютерного блоку АТХ синфазний дросель.

Описана вище конструкція надає великі можливості для модернізації як щодо нарощування ємності акумуляторних батарей, так і добавкою нових функцій. Наприклад, можна перетворити повербанк на зарядну станцію, зробивши виходи на USB та/або на ноутбук чи інший гаджет, наявний у користуванні.

Для організації USB зарядки необхідний понижувальний перетворювач, налаштований на 5 вольт 3 ампери.

Понижуючий перетворювач на LM25116, Uвх-6~40V, Uвих-1.2~36V, 20А, з регулюванням струму та напруги

Включити його слід до акумуляторної батареї через запобіжник та вимикач. До його виходу можна підключити 2 USB гнізда, які легко можна знайти на радіоринку або в інтернет - магазинах. Ми ставимо гнізда з розбирання від старих материнських плат. До виходу перетворювача можна підключити світлодіод (через резистор), для індикації наявності напруги на USB виході.

Цей же перетворювач (налаштований відповідно, як описано вище) рекомендується застосовувати як зарядний U2, якщо ємність акумуляторної батареї перевищує 10 А/год.

За таким же принципом можна зробити вихід на живлення ноутбука (зазвичай 19 або 21 вольт), для цього знадобиться перетворювач, що підвищує, налаштований на відповідну вихідну напругу і силу струму ампер 5-10.

Підвищуючий перетворювач на TL494, Uвх-8.5~50V, Uвих-10~60V, 400Вт, з регулюванням струму та напруги

Вмикати його в схему слід також через запобіжник та вимикач. Вихід рекомендуємо робити на парі мама-тато роз'ємів XT30, тата підключаємо до покупного кабелю, з роз'ємом живлення ноутбука. Такий кабель також можна знайти на радіоринку або в інтернет-магазинах.

Ще ідея - так само оснастити повербанк освітлювальним світлодіодом або стрічкою.

Тому рекомендуємо, якщо передбачається робота з акумуляторами великої ємності, залишити запас місця для додаткових перетворювачів та для вашої фантазії.

Замість заключення

Цією статтею автор хотів поділитися не так готовою конструкцією, скільки принципами та ідеями, покладеними в її основу.

Ще слід розуміти, що безперебійний інтернет буде гарантовано у разі використання GPON (Gigabit Passive Optical Network) (оптоволоконної) технології передачі даних. Ця технологія пов'язує безпосередньо провайдера та користувача та не вимагає наявності проміжних роутерів та свічів. У разі використання проводового каналу зв'язку по кручений парі потрібні проміжні роутери і свічі, яким також необхідне безперебійне живлення. Зазвичай провайдери не турбують себе забезпеченням безперебійності живлення апаратури, що стоїть поза їхніми приміщеннями. Це призводить до того, що якщо шляхом проходження сигналу між провайдером і вами буде відсутнє електроживлення, навіть у разі безперебійності живлення вашого роутера, доступ в інтернет буде відсутній. Адже на шляху прямування сигналу, що йде по кручений парі зустрінуться десятки свічів, хабів та роутерів, що також вимагають живлення. Іншими словами, якщо у вас провідний інтернет, то для забезпечення безперебійності доступу потрібно перейти на GPON (оптоволокно). Для цього зазвичай достатньо залишити заявку у свого провайдера.