Zasilanie awaryjne urządzeń

Im więcej w domu pojawia się urządzeń elektronicznych, związanych z automatyką domową, tym bardziej zaczyna nam zależeć, żeby przynajmniej część z nich działała przy zaniku zasilania z sieci. Awaryjne oświetlenie LED, switche ethernetowe dla działania komunikacji urządzeń, sterownik inteligentnego domu, elementy systemu alarmowego, kamery i rejestrator monitoringu – być może dobrze byłoby, żeby działały niezależnie od głównego zasilania. Dość naturalnym odruchem jest pomysł zastosowania UPSa. Niestety ten rodzaj zasilania awaryjnego, dla zasilania urządzeń wymagających napięcia stałego, jest czystym marnotrastwem – najpierw napięcie 230V prądu przemiennego zamieniane jest na 12V prądu stałego dla zgromadzenia w akumulatorach, potem zamienia się je na 230V, żeby zasilacz chronionego urządzenia znowu zamienił je na napięcie stałe. Nie jest to więc najlepsze rozwiązanie.

Konwertery dc-dc

Dużo lepiej zastosować zasilacz buforowy. Jest to urządzenie, które podłącza się do napięcia 230V, które jest zamieniane na napięcie stałe – zwykle około 12V lub 24V. Poza funkcją zwykłego zasilacz prądu stałego, mamy jednak możliwość podłączenia akumulatora, z którego prąd będzie pobierany w przypadku zaniku zasilania sieciowego. Co więcej, zasilacz buforowy dba o ładowanie akumulatorów i podtrzymanie ich w stanie naładowanym. Zasilacz buforowy spełni więc w naszym przypadku rolę UPS, ale nie będzie konieczna konwersja napięcia na 230V i spowrotem.

Napisałem wcześniej, że zasilacz dostarcza zwykle napięcia około 12V lub 24V. Kluczowe jest tu „około”. Dla 12V zwykle oznacza to od 10-11V, przy pracy z akumulatora dążącego do rozładowania, do 13.8V, przy zasilaniu z sieci i ładowaniu akumulatora. Skąd się bierze 10-11V? Zasilacze buforowe współpracują zwykle z akumulatorami żelowymi 12V (ewentualnie połączonymi szeregowo dla 24V lub 48V). Ogniwa te bardzo źle znoszą całkowite rozładowanie, czyli zbytni spadek napięcia. Stąd większość zasilaczy buforowych posiada zabezpiecznie przed nadmiernym rozładowaniem (UVP) i wyłącza się, gdy napięcie akumulatora spada poniżej około 10,5V lub 11V.

Dla części urządzeń przedział napięć 10-14V jest odpowiedni, np. dla większości elementów systemu alarmowego. Czasem jednak nie jest to napięcie akceptowalne lub optymalne (np. gdy używamy w urządzeniu liniowych stabilizatorów napięcia i konwertujemy napięcie np. do 5V, tracąc więcej energii na ciepło niż na zasilanie). Pamiętajmy, że zwykle zależy nam na możliwie małych stratach energii, ze względu chociażby na czas podtrzymania pracy systemu na akumulatorach.

Konwerter dc-dc w obudowie

Do konwersji napięcia najlepiej użyć małych przetwornic prądu stałego, ze względu na wyższą sprawność od stablizatorów liniowych (mniejsze straty energii). Jeżeli potrzebne jest napięcie 9V lub niższe, to można zastosować przetwornicę step-down (buck ceonverter), pamiętając, że napięcie z zasilacza buforowego może spaść do około 10V. Gdy potrzebujemy napięcia wyższego niż około 15V, to stosujemy przetwornicę step-up (boost converter), natomiast gdy potrzebujemy napięcia 12V (powiedzmy od 9V do 15V, pamiętając jakie napięcie może dostarczać zasilacz buforowy zależnie od trybu pracy), to najlepiej zastosować przetwornicę step up&down. Można też rozważyć użycie zasilacza buforowego 24V i odbiżanie napięcia, jednak należy liczyć się z tym, że im wyższe różnice napięć, tym większe straty, mimo stosunkowo wysokiej sprawności przetwornic.

Konwerter napięcia w obudowie

Producenci przetwornic zwykle deklarują sprawność na poziomie 90-95%. Co nie znaczy, że układ nie wydziela ciepła. Trzeba zadbać o odpowiednie chłodzenie. Ja zwykle używam niewielkich radiatorów, pamiętając też, żeby zapewnić obieg powietrza w obudowie. Gdy już jesteśmy przy obudowie – gdy potrzebuję jednej lub dwóch przetwornic, to instaluję je najczęściej albo w obudowie zasilacza buforowego, która często jest dość przestronna lub w małej drukowanej obudowie na przewodzie w pobliżu zasilanego urządzenia. Gdy natomiast przetwornic jest wiecej (zasilam więcej różnych urządzeń), to stosuję większą obudowę, do której prąd z zasilcza buforowego doprowadzony jest przewodem z popularną wtyczką 5.5/2.1mm. Jest to bardzo wygodne rozwiązanie, a dodatkowo pozawala łatwo wpiąć w szereg aperomierz i sprawdzić aktualne obciążenie zasilacza buforowego.

Obudowa na 4 konwertery napięcia

Gdy już jesteśmy przy amperomierzu. Użyłem popularnej konstrukcji amperomierza z woltomierzem, zamkniętego w zgrabnej obudowie z wyświetlaczem. Dołożyłem tylko gniazdko i wtyczkę 5.5/2.1mm, co pozwala wpiąć miernik przed prawie dowolne urządzenie elektroniczne bez używania dodatkowych przejściówek. Dzięki temu mogę sprawdzić ile realnie zużywa prądu dane urządzenie (należy uwzględnić czas startu, różne tryby pracy i ewentualnie mocne obciążenie procesora). Jest to bardzo pomocne przy szacowania potrzebnej mocy zasilacza buforowego, bo nie zawsze moc firmowego zasilacza, dołączanego do urządzeń ma jakikolwiek związek ze zużyciem prądu (poza tym, że zasilacz nie jest zwykle za słaby). Co nie znaczy, że także przy naszych szacunkach nie należy uwzględnić odpowiedniego zapasu.

amperomierz

Jeżeli chodzi o wybór zasilacza buforowego, to na rynku dostępne są produkty kilku firm. Ja zwykle używam zasilaczy transformatorwych Pulsara, m.in. ze względu na łatwą dostępność używanych egzemplarzy i trwałość. Pulsar produkuje też modele impulsowe, jednak o ile w przypadku zasilaczy transformatorowych dostajemy pięć lat gwarancji, to przy impulsowych – tylko dwa.

Kupując zasilacz trzeba zwrócić uwagę, jakie zabezpieczenia oferuje. W szczególności starsze egzemplarze zasilacza buforowego AWZ 200, nie posiadały zabezpieczenia akumulatora przed nadmiernym rozładowaniem. W tym wypadku można jednak zastosować dodatkowy moduł zabezpieczający, np. ZB-1 firmy Satel, który podłącza się między akumulator a zasilcz buforowy.

zasilacz-buforowy

Niezależnie od zabezpieczeń, zasilacz buforowy należy zamontować w sposób umożliwiający łatwe odcięcie zasilania od niego. Ja zwykle stosuję indywidualny wyłącznik naprądowy zlokalizowany przy urządzeniu. Oczywiście można też rozważać zabezpieczenie każdej z linii wychodzących z zasilacza buforowego.

Na jak długo starczy prądu w akumulatorze? To kluczowe pytanie z nieoczywistą odpowiedzią. Zależy to od wielu czynników, w tym kondycji akumulatora, pobiranego prądu, temperatury, napięcia, do którego rozładowujemy akumulator. Myślę, że w miarę realnym założeniem jest możliwość pobierania 1A prądu przez 4-6 godzin ze sprawnego, naładowanego akumulatora 7,2Ah. Nie mam tego jednak potwierdzonego w praktyce.

Advertisements

7 Responses to Zasilanie awaryjne urządzeń

  1. MvincM says:

    Witam…

    przysiągłbym, że publikowałem już tu komentarz ale coś go nie ma 😉 a że temat mnie nurtuje to raz jeszcze 😉

    Generalnie zgadzam się w 100%, że zasilacz buforowy jest lepszym rozwiązaniem niż UPS do urządzeń 12V/5V DC. Mają tylko jeden mankament względem UPS, mianowicie nie komunikują się z urządzeniem zasilanym. Scenariusz jaki sobie wyobrażam oparty na parze zasilacz buforowy + Raspberry jest taki:

    1) jest zanik zasilania 230V
    2) zasilacz informuje malinkę o tym fakcie np. przez GPIO
    3) malinka czeka zadany czas zanim zrobi porządny shutdown
    4) jeśli w międzyczasie wróciło zasilanie to znowu zasilacz daje znać do malinki przez GPIO a ta przerywa odliczanie do shutdown
    5) jeśli minął zadany czas i malinka się złożyła to nasz mądry zasilacz wie o tym (np. stan niski na GPIO uC sterującego zasilaczem) i fizycznie odcina zasilanie malinki
    6) wróciło zasilanie wtedy uC włącza zasilanie malinki a ta się podnosi

    Oczywiście algorytm do dopracowania (np. wykrycie stanu krytycznego akumulatora poprzez pomiar napięcia na nim) i składanie wtedy Raspberry.

    I teraz pytanie czy znacie może koledzy takie rozwiązania na rynku już gotowe?

    Jeśli nie to wyobrażam to sobie jako prosty dosyć program wgrany do Arduino i zestaw 3-4 przekaźników. Co o tym sądzicie? Naprawdę byłoby to super rozwiązanie.

    Pozdrawiam,
    MvincM

    • techniczny says:

      Komentarze są moderowane, nie zawsze pokazują się od razu…

      Jestem po większym wyłączeniu prądu i testach. Używany akumulator 7Ah bez problemu podtrzymał 2 switche ethernetowe i rejestrator monitoringu przez 7 godzin. Podobny zestaw podtrzymywany przez UPS działa może godzinę. Tak więc zastosowania są po prostu inne.

      Jeżeli chodzi o informację o braku zasilania, to niektóre zasilacze buforowe mają odpowiednie wyjście. W moim przypadku używam informacji pochodzącej z systemu alarmowego. Pisałem o współpracy z Integrą jakiś czas temu.

      Napięcia oczywiście można mierzyć i nie jest to zły pomysł. Można natomiast zrobić to prościej. Po zaniku zasilania (nie koniecznie od razu) można przemountować wszystkie systemy plików na tryb tylko do odczytu a malina może dość bezpiecznie działać dalej aż do odcięcia zasilania. Może nie jest to w 100% eleganckie, ale raczej bezpieczne i jednocześnie zachowujemy część funkcjonalności systemu.

      • techniczny says:

        Oczywiście po powrocie zasilania mountujemy ponownie w trybie do zapisu i działamy normalnie.

  2. MvincM says:

    Ok… Widać gołym okiem przewagę w wydajności zasilacza buforowego. Warte grzechu jak nic.

    Ad. shutdown lub RO… Tak czy siak raspberry musi się komunikować z zasilaczem. Ty ogarniasz to przez centralę alarmu ale tak czy inaczej masz tą informację. Muszę pomyśleć nad prostym uC + przekaźnik gdzie cewka jest na 230V + stycznik 5V. Wtedy wygląd to tak moim skromnym zdaniem (bez pomiaru napięcia na akumulatorze).

    Poprzez przekaźnik 230V (przy braku zasilania z sieci) zwieramy GPIO na uC do GND przez mamy logiczne 0 i wiemy już, że nie ma zasilania z sieci. Poprzez drugie GPIO uC daje znać do maliny o zaniku napięcia, malinka czeka zadany czas xx minut/godzin i robi shutdown lub RO i daje znać do uC, że zakończyło proces (kolejne GPIO), uC wtedy poprzez drugi przekaźnik wyłącza zasilanie 5V, które idzie ma malinkę (lub przy opcji RO nie robi nic). Po powrocie zasilana wiemy o tym bo przekaźnik 230V rozwiera GND i mamy stan wysoki (jeśli był pull-up do 3.3/5V) i albo włączamy przekaźnikiem zasilanie albo dajemy znać po GPIO do malinki, że czas z RO zrobić RW.

    Generalnie aż się prosi o kontrolę napięcia gdyż z tego co się orientuję to tam nie ma wielkiej komplikacji (trzeba tylko dograć się z kontrolą zasilacza buforowego). Przeważnie spadek napięcia na akumulatorze poniżej 10.5V oznacza, że czas go dołączyć/chronić.

    P.S.
    Z innej beczki… a jak chronisz instalację CO (piec gazowy + pompa cyrkulacji)? UPS czy przetwornica 12V na 230V (pełen sinus). Np.

    http://mwpower.pl/pl/p/Zespol-zasilania-awaryjnego-do-kotlow-ZZA-300-S/229

  3. MvincM says:

    P.S. 2
    Idąc dalej tropem… są zasilacze buforowe (bez komunikacji) ale za to mają diody led, które informują o zaniku zasilania, o pracy z akumulatora, o stanie krytycznym akumulatora… jak zakładam wystarczy podpiąć się pod te „diody” i odpada trochę roboty…

  4. MvincM says:

    Szukałem, szukałem i znalazłem gotowy zasilacz buforowy z sygnalizacją stanu swojej pracy poprzez wyjścia typu Open Colector. Model AWZ230 PULSAR (max 2A przy ok 13V). Udało mi się w dobrej cenie dostać za 130 PLN. Tak więc zarzucam temat uC, który miałby robić dokładnie to samo 😉

  5. MvincM says:

    No i zmontowałem… Tj. AWZ230 + akumulator 7,2 Ah 12V + regulator na LM2596 (step-down do 5V) + wyjścia Open Colectror z zasilacza podłączone do RPi na GPIO (trzeba pullup zrobić)… Działa i potwierdza się Twoja teza o wydajności takiego zestawu vs UPS.

    Oczywiście trzeba sobie swojego „apcupsd” napisać (np. w bash) ale to już drobnostka… Jestem też przekonany, że w miejsce shutdown zastosuję tryb readonly. Lepsze rozwiązanie i nie trafi się na dziurę kiedy system się już zamknął, powróciło zasilane 230V a zasilacz czy UPS jeszcze nie odciął zasilania. Zarówno zasilacz i UPS dają czas systemowi aby się zamknął zanim odetną zasilanie na wyjściu i można trafić na tą dziurę i wtedy jest słabo bo zasilanie jest a urządzenie nie wstanie już… Tryb read-only rozwiązuje ten problem…

    Swoją drogą zastanawiam się nad zastosowanie piCore 7.0 w miejsce Raspbiana… Z opisu wynika, że poprzez swoje założenia ciągłej pracy w trybie readonly jest wyporny na uszkodzenia kary SD (w sensie nie niszczy jej zapisami, nie ma „złego” wyłączenia jej itd.)

    http://www.zdnet.com/article/hands-on-with-picore-7-0-tiny-core-linux-for-the-raspberry-pi/

    Pozdrawiam,
    MvincM

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

%d blogerów lubi to: