Para niewielkich niskonapięciowych UPS-ów na 9/12 i 5 V

Czasem zdarzają się sytuacje, gdy trzeba zapewnić zasilanie awaryjne jakiemuś niewielkiemu urządzeniu, na przykład routerowi. Użycie do tego zwykłego "zasilacza awaryjnego" jest kosztowne i nieopłacalne, dlatego stosuje się niskonapięciowe UPS-y. Dziś opowiem o dwóch takich urządzeniach.



Bardzo dawno temu, jakieś 5 lat temu, opublikowałem recenzję, w której pokazywałem, jak przerobić zwykły zasilacz impulsowy na zasilacz awaryjny. Chodziło wtedy o współpracę z akumulatorem kwasowo-ołowiowym 12 V. Tutaj nie dość, że w obu przypadkach zastosowano akumulator litowy, to jeszcze o napięciu 3,7 V.

Zamówiłem kilka płytek, częściowo na zapas, a częściowo ze względu na płatną dostawę do pośrednika. Sprzedawca zapakował je tak, że chyba samo opakowanie ważyło więcej niż płytki. Na zdjęciu widać proporcje między opakowaniem a płytkami.
Koperty opisano dość oryginalnie: 12 W i 5 V, choć formalnie oba opisy są prawdziwe, tylko podane w różnych jednostkach :)


Płytki są naprawdę bardzo kompaktowe. Po lewej stosik z trzech płytek, po prawej z dwóch.


Te same płytki, ale już pojedynczo.


Zacznę od UPS-a 12 V.
Występuje w kilku wariantach. Oba pozwalają wybrać napięcie wyjściowe 9/12 V, ale jeden dostarcza do 12 W, a drugi do 18 W.
Deklarowane napięcie wejściowe wynosi 5–12 V, maksymalnie 16 V, ale jest tu pewien haczyk: gdy napięcie spadnie poniżej określonego poziomu, ładowanie nadal działa, ale urządzenie zaczyna pobierać energię z akumulatora.
Napięcie akumulatora wynosi 3,7 V, a jego pojemność może wynosić 3–15 Ah, choć w praktyce większy akumulator będzie po prostu ładował się dłużej.

Niestety wersja 18 W nie była dostępna na sztuki, a większa ilość nie była mi potrzebna, więc musiałem ograniczyć się do wariantu 12 W.
Przy zamówieniu pojedynczej sztuki cena wynosiła 1,88 USD, link do strony produktu.


Jeszcze kilka różnych parametrów obu wersji płytek.


Z zewnątrz wszystko wygląda bardzo schludnie. Wszystkie połączenia wykonuje się przez lutowanie, nie ma zacisków. Ogólna jakość wykonania mile zaskakuje, zwłaszcza w tej cenie.


Schemat blokowy, który pozwala z grubsza zrozumieć zasadę działania.
Za ładowanie odpowiada układ SY6952, który w praktyce jest przetwornicą obniżającą z kontrolą ładowania.
Akumulator jest podłączony przez układ zabezpieczający przed przeciążeniem prądowym oraz przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem XB8089.
Dalej znajduje się przetwornica podwyższająca oparta na układzie XR2681.
Jest też mały układ Ph/A4, który prawdopodobnie monitoruje napięcie, ponieważ jedna jego nóżka jest podłączona do wejścia zasilania, a druga do wyjścia (najpewniej do wejścia sprzężenia zwrotnego przetwornicy podwyższającej).
Od razu zwrócę uwagę na niezbyt wydajną przetwornicę podwyższającą, do tego z zewnętrzną diodą.



Montaż jest jednostronny, dolna strona płytki służy jako radiator, a część ścieżek prądowych dodatkowo pokryto lutowiem.


Podłączenie jest bardzo proste: wejście do zasilacza, wyjście do obciążenia i dwa przewody do akumulatora.
Są też dwie pary pól lutowniczych, które pozwalają ustawić prąd ładowania i napięcie wyjściowe. Domyślnie jest to 600 mA i 9 V, ale prąd ładowania można ustawić na 1,2 A, a napięcie wyjściowe na 12 V.
Jedyne zastrzeżenie mam do diody LED sygnalizującej tryb pracy. Z założenia jest dwukolorowa, ale ma wspólną anodę, podczas gdy znacznie popularniejsze są wersje ze wspólną katodą.
Jest też bezpiecznik 1,1 A, który chroni zasilacz przed przeciążeniem. Wbudowana ładowarka jest podłączona przed bezpiecznikiem.


Opis po chińsku, ale ta ilustracja może się przydać z innego powodu: podano na niej wymiary płytki.



Na początek wziąłem jakiś stary akumulator z tabletu. Dwukolorową diodę LED musiałem zastąpić dwiema jednokolorowymi.


Podczas ładowania świeci czerwona dioda LED, a po jego zakończeniu — zielona.
Ważne jest to, że po zakończeniu ładowania układ całkowicie je wyłącza, zamiast utrzymywać akumulator w stanie "ładowania podtrzymującego". Chodzi o to, że zasilacze awaryjne współpracujące z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi zwykle stale je doładowują, pracując w trybie CV. W przypadku akumulatorów litowych taki tryb się jednak nie sprawdza — zarówno ze względów bezpieczeństwa, jak i dlatego, że akumulatory litowe mają niski poziom samorozładowania i po prostu nie wymagają ciągłego doładowywania.


W teście pod obciążeniem, przy napięciu wyjściowym 9 V, płytka dostarczyła prąd 1,6 A, po czym wyłączyła się po zadziałaniu zabezpieczenia.


Przy napięciu 12 V maksymalny prąd wyniósł 1,2 A. Zarówno przy 9 V, jak i przy 12 V napięcie jest bardzo dobrze stabilizowane i prawie nie zależy od prądu obciążenia, a odcięcie następuje po zadziałaniu kontrolera zabezpieczeń.


Po chwili namysłu uznałem, że akumulator z tabletu po prostu nie daje rady przy takim rozładowaniu, więc wziąłem mocniejszy akumulator.


Teraz można przeprowadzić dodatkowe testy. Na tym etapie testy wykonywałem bez obciążenia.
1. Napięcie wejściowe 6 V, prąd pobierany na wejściu podczas ładowania: 383 mA
2. Napięcie wejściowe 12 V, prąd pobierany na wejściu spadł do 190 mA. Wynika to z tego, że ładowarka jest impulsowa, a nie liniowa.
3. Zlutowałem zworkę ustawiającą prąd ładowania na 1,2 A. Przy napięciu wejściowym 6 V prąd ładowania wynosił 800 mA
4. Przy 12 V prąd wynosił prawie 390 mA
5, 6. Pod koniec ładowania prąd pobierany na wejściu wzrósł do 1 A przy 6 V i prawie 500 mA przy 12 V.

Wszystkie te tryby pracy trzeba uwzględnić przy doborze zasilacza, bo będzie musiał nie tylko zasilać obciążenie, ale też ładować akumulator. Jeśli używamy zasilacza 12 V, do prądu obciążenia trzeba więc dodać jeszcze 300–600 mA.



Kolejny etap to sprawdzenie progów przełączania. W tym przypadku multimetr podłączony do wyjścia płytki pracował w trybie rejestratora, a obciążenie wynosiło około 200 mA

Napięcie na wejściu płytki było płynnie obniżane z 13,7 V do 5–6 V, a następnie płynnie zwiększane do wartości początkowej.
Przełączenie następuje przy napięciu wejściowym około 10,2 V, a napięcie wyjściowe ponownie wzrasta do 12 V.
Warto zaznaczyć, że jeśli napięcie wejściowe jest wyższe niż ustawione 12 V, to ze względu na uproszczoną konstrukcję układu na wyjściu będzie takie samo napięcie pomniejszone o spadek na diodzie.


Z akumulatorem przystosowanym do większego prądu rozładowania płytka była w stanie dostarczyć już około 1,8 A, po czym napięcie zaczęło stopniowo spadać.


Przy 12 V prąd wyniósł 1,3 A, a potem napięcie również zaczęło płynnie spadać. Moc wyjściowa wyniosła około 16 W.


Potem rozładowałem akumulator prawie do końca i powtórzyłem test. Maksymalny prąd wyjściowy, przy którym napięcie się ustabilizowało, wyniósł 1,1 A. Myślę, że to dobry wynik, zwłaszcza że deklarowano prąd do 1 A.


Podczas rozładowywania prądem 1 A temperatura przetwornicy wynosiła 75–80 stopni, ale pod koniec wzrosła do 92 stopni.


Wszystko wyglądało dobrze, dopóki nie sprawdziłem zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem. Problem w tym, że nie działa ono w trybie zatrzaskowym, tylko próbuje ponownie uruchomić przetwornicę. W efekcie wygląda to mniej więcej tak:


Po pewnym czasie przetwornica się wyłącza, a na wyjściu pozostaje po prostu napięcie akumulatora, pomniejszone o spadek na diodzie przetwornicy. To właśnie druga wada takiego układu — przetwornica StepUp nie potrafi całkowicie odłączyć obciążenia.


Na wykresie napięcia akumulatora widać, że podczas pracy przetwornicy napięcie spada. Po jej wyłączeniu prąd obciążenia maleje (bo przetwornica przestaje działać), a napięcie zaczyna stopniowo rosnąć.


Tętnienia są w normie: przy 0,5 A wynoszą 45 mV, a przy 1 A około 75 mV.
Nie ma też problemu z chwilowym zanikiem napięcia podczas uruchamiania przetwornicy — na dwóch dolnych oscylogramach widać niewielki spadek i to właściwie wszystko.



A teraz druga płytka.
To prostszy i nieco bardziej kompaktowy model, przeznaczony do napięcia wyjściowego 5 V (chyba jest też wersja 6 V), prąd do 2 A, cena 1,17 USD, link do produktu.



Specyfikacji jest sporo, ale znowu wszystko po chińsku :(


Tutaj układ jest wyraźnie inny: po prawej znajduje się kontroler odpowiedzialny za całość — przetwarzanie, zabezpieczenia i sygnalizację. Oznaczenie zostało starte, a sam układ zamalowano markerem.
Na dole po lewej jest para tranzystorów zabezpieczających akumulator, a po prawej cztery diody LED sygnalizujące poziom naładowania akumulatora.


Spód płytki jest pusty. Są tam tylko oznaczenia styków i parametry.


Wymiary płytki. Podano tu również, że jedyna zworka odpowiada za prąd ładowania: bez niej wynosi on 0,6 A, a z nią 1,6 A.


Podłączenie płytki jest bardzo proste — w praktyce podłącza się ją równolegle do linii zasilającej urządzenie. Jej zadaniem jest ładowanie akumulatora, gdy dostępne jest zasilanie, a gdy zasilanie zaniknie lub spadnie poniżej określonego poziomu, ma „przejąć pałeczkę”.


Ładowarka, podobnie jak w poprzednim modelu, jest przetwornicą StepDown, dlatego pobór prądu przez płytkę zależy od napięcia — im jest ono wyższe, tym prąd jest mniejszy. Po zakończeniu ładowania pobór spada do 2–3 mA, czyli tylko zasilanie diod LED.




Wskaźnik naładowania akumulatora działa również bez zewnętrznego zasilania, ale włącza się tylko wtedy, gdy na wyjściu płytki jest obciążenie.


Przełączenie na zasilanie z akumulatora rozczarowało. W chwili przełączenia napięcie na wyjściu płytki spada do 4,36 V, więc wrażliwe urządzenie z pewnością się zrestartuje, ponieważ za dopuszczalną granicę uznaje się spadek do 4,75 V.
Tutaj płynnie obniżałem napięcie z 5,1 V do około 2–3 V, a następnie równie płynnie je zwiększałem.


Przy całkowicie naładowanym akumulatorze płytka może dostarczyć do 2,8 A, mimo że deklarowana wartość wynosi 2,0 A. To całkiem niezły wynik.


Dla eksperymentu całkowicie rozładowałem naładowany akumulator, ale zrzut ekranu nie pokazuje samego procesu rozładowania, tylko okresowe, niewielkie (20–30 mV) spadki napięcia na wyjściu. Odstępy czasu są niemal jednakowe i wynoszą minutę; w miarę rozładowywania się akumulatora skracają się.


Pod koniec rozładowania napięcie stopniowo spada do około 4,6 V, po czym zabezpieczenie odłącza akumulator.


Niestety samo odłączenie pod koniec rozładowania również przebiega bardzo nieelegancko: płytka bez przerwy próbuje się ponownie uruchomić, co może mieć negatywny wpływ na obciążenie.


Pod koniec rozładowania prądem 2 A temperatura najgorętszego elementu na płytce wyniosła 78 stopni.


Po całkowitym rozładowaniu nieco podładowałem akumulator i powtórzyłem test pod obciążeniem. Maksymalny prąd obciążenia, przy którym napięcie wyjściowe pozostawało w normie, wyniósł 2,2 A.


Tętnienia na wyjściu wyglądają dość dziwnie: składowe niskiej częstotliwości są modulowane przez te o wysokiej częstotliwości. Całkowita amplituda przy prądzie obciążenia 1 i 2 A jest mniej więcej taka sama i wynosi około 90–100 mV.


Dzisiejsze wnioski będą krótkie.
Wersja 12 V przypadła mi do gustu, choć ma kilka drobnych wad. Stabilnie utrzymuje deklarowany prąd, a napięcie wyjściowe, mimo że nieco spada, pozostaje w akceptowalnych granicach, więc można jej używać zgodnie z przeznaczeniem.
Wersja 5 V zupełnie mnie nie zachwyciła. Owszem, jest tania, bez problemu obsługuje deklarowany prąd obciążenia, ma wskaźnik, zabezpieczenie i tak dalej, ale rozczarował mnie spory spadek napięcia przy przełączaniu na akumulator. Niestety...

To właściwie wszystko. Jeśli macie pytania, postaram się odpowiedzieć.