Устройство бесперебойного питания для Wi-Fi роутера

0 22 Время чтения: 5 мин.

Постоянные посетители сайта уже знакомы с работами данного мастера специализируещегося на электронике, 3D-печати, светодиодном освещении.
На сайте представлена и подобная этой работа мастера «Резервный источник питания для роутера».

Представленный в этой статье источник бесперебойного питания для роутера, уже 5 версия. С каждой работой мастер совершенствует устройство и модернизирует его, в том числе и основываясь на отзывах читателей.

В данной версии реализованы такие функции, как:
1. Автоматическое переключение (с использованием полевого МОП-транзистора) между источником питания и аккумулятором во время сбоя сетевого питания
2. Два выходных порта: 12 В / 2 А и 5 В / 2 А или 9 В / 2 А
3. Увеличение времени автономной работы (до 8 часов)
4. Аккумулятор 3S BMS.
5. Дополнительная защита

Инструменты и материалы:
-Аккумуляторы 18650;
-Держатель батареи 18650;
-Никелевые полосы;
-Понижающий преобразователь;
— Модуль зарядного устройства;
-P-канальный MOSFET;
-Диод Шоттки — 1N5822;
-Резистор 10 кОм;
-Кулисный переключатель — 10 x15 мм;
-Штекер и разъем питания;
-Гнездо предохранителя;
-Предохранитель;
-Радиатор — TO220;
-Радиатор — 11x11x5;
-Дисплей вольтметра;
-Провода 22AWG;
-Термоусадочная трубка;
-Изоляционная прокладка 18650;
-Каптоновая лента;
-Двусторонний скотч;
-Винты M3 x 10;
-Резиновые ножки;
-3D-принтер;
-Паяльник;
-Аппарат для точечной сварки;
-Кусачки;
-Инструмент для зачистки проводов;
-Фен;

Шаг первый: принцип работы
Работа схемы в общих чертах делится на два условия:

Условие-1: питание от сети включено
В нормальных условиях питание от сети потребляется адаптером через входной разъем постоянного тока для зарядки 6 аккумуляторов 18650 и подачи питания на два выходных разъема через модули преобразователя. В этом состоянии затвор p-канального MOSFET (IRF9540) находится на высоком уровне и питание от аккумуляторной батареи не поступает. Питанию напрямую от адаптера постоянного тока к аккумуляторной батарее препятствуют два диода Шоттки (1N5822).

Условие-2: Питание от сети нет
При пропадании сетевого напряжения для питания используется батарея.. В этом состоянии затвор p-канального MOSFET (IRF9540) заземлен через резистор 10 кОм и питание будет проходить от аккумуляторной батареи к выходу.

Аккумулятор и цепь зарядки:
На принципиальной схеме 6 батарей x18650 подключены в конфигурации 3S2P (3-х последовательные и 2-параллельные), и они подключены к плате 3S BMS для защиты во время зарядки и разрядки. Аккумулятор заряжается через модуль понижающего преобразователя XL4015.
Для сглаживания тока используется электролитический конденсатор C1 1000 мкФ / 16 В.

Схемы выходного преобразователя:
На выходе используются два модуля преобразователя постоянного тока для формирования напряжения 12 В и 9 В / 5 В (в соответствии с напряжением маршрутизатора / модема).

Выходной порт 12 В:
Понижающий-повышающий преобразователь используется учитывая состояния заряда аккумулятора. Когда аккумулятор полностью заряжен, напряжение составляет около 12,6 В, (поэтому нужно понизить напряжение до 12 В). Когда напряжение батареи низкое, напряжение будет меньше 11 В, (поэтому нужно увеличить напряжение (режим Boost) до 12 В).
Адаптер постоянного тока также подключен к входу понижающего преобразователя, поэтому любые колебания напряжения на входе не будут отражаться на выходе.

Выходной порт 9 В / 5 В:
Понижающий преобразователь используется для понижения напряжения от адаптера постоянного тока, а также от аккумуляторной батареи.

Выходные конденсаторы:
Два электролитических конденсатора 1000 мкФ / 16 В (C2 и C3) подключены к выходу модулей преобразователя, чтобы избежать скачков напряжения. Это предотвратит вероятность перезагрузки во время переключения между адаптером постоянного тока и аккумуляторной батареей.

Состояние напряжения батареи:
Дисплей вольтметра используется для отображения уровня напряжения батареи. Использование переключателя в цепи вольтметра обусловлено экономией заряда батареи.

Предохранитель:
Предохранитель используется для защиты от перегрузки по току или короткого замыкания. Предохранитель устанавливается не в цепь заряда/разряда.
Мастер приложил две схемы (Rev-1 и Rev-2). Обновленная схема — это Rev-2. Эта схема сделана с учетом рекомендаций пользователей.

Шаг второй: подготовка аккумуляторов
Перед монтажом аккумулятора необходимо проверить напряжение отдельных ячеек. Для параллельной работы ячеек напряжение каждой ячейки должно быть близко друг к другу, в противном случае большой ток будет течь от ячейки с более высоким напряжением к ячейке с более низким напряжением. Это может повредить батареи и даже, в редких случаях, привести к возгоранию.
Мастер проверяет напряжения каждой ячейки и при необходимости заряжает их.

Чтобы предотвратить короткое замыкание между клеммами батарей, он использовал самоклеящиеся изоляционные кольца со стороны положительной клеммы.

Шаг третий: сборка батареи
Уровень напряжения полностью заряженной батареи 18650 составляет 4,2 В, чтобы получить 12 В, нужно подключить 3 батареи последовательно (3S). Чтобы увеличить емкость, нужно такие последовательные группы (3S) соединить параллельно. Окончательная конфигурация аккумуляторной батареи — 3S2P.
При необходимости можно увеличить емкость батареи собрав ее по схеме 3S3P, 3S4P, 3S5P … и так далее.
Количество батарей, необходимых для достижения конфигурации 3S2P = 3 x 2 = 6
Теперь нужно правильно смонтировать 6 батарей.
Размещаем первую параллельную группу ячеек (2 шт.) положительной стороной вверх, затем помещаем вторую параллельную группу отрицательной стороной вверх и, последнюю группу снова плюсом вверх.
Для сборки аккумулятора мастер использовал пластиковые держатели для ячеек 18650.

Шаг четвертый: точечная сварка
Теперь нужно соединить элементы. Как правило, такие батареи соединяются с помощью никелиевой полосы припаиваемой точечной сваркой к контактом.
Отрезаем полосу по размерам. Подключаем отрицательную клемму первой параллельной группы к положительной клемме второй группы, а затем отрицательную клемму второй группы к положительной клемме третьей группы. Затем привариваем никелевые полосы точечным сварочным аппаратом.

Шаг пятый: подключение платы BMS
Дальше подключаем плату BMS, как показано на схеме подключения. BMS имеет четыре контактные площадки: B-, B1, B2 и B +. Нужно подключить отрицательную клемму первой параллельной группы к B-, а положительную клемму — к B1. Точно так же отрицательная клемма третьей параллельной группы к B2 и положительная клемма к B +.
Можно приварить никелевые полосы к BMS или припаять их к контактной площадке печатной платы. Мастер предпочел второй вариант.
После сборки нужно проверить напряжение аккумуляторной батареи, чтобы убедиться, что все сделано правильно.

Шаг шестой: 3D-печать корпуса
Корпус для устройства был спроектирован с помощью программы Autodesk Fusion 360. Размеры всех компонентов измерялись штангенциркулем, затем результаты учитывались при проектировании.

Корпус состоит из двух частей:
1. Основной корпус
2. Крышка
Для печати корпуса мастер использовал 3D-принтер Creality CR-10 Mini и 1,75 мм серебряную и красную нити PLA. На печать основного корпуса ушло около 12 часов, а на верхнюю крышку — около 3 часов.
Настройки печати следующие:
Скорость печати: 60 мм / с
Высота слоя: 0,2 мм (0,3 также подойдет)
Плотность заполнения: 25%
Температура экструдера: 200 °C
Температура стола: 60 градусов
Файлы для печати корпуса можно скачать здесь.
Обратите внимание, что мастер предоставил два файла для основного корпуса, один с портом 5 В, а другой 9 В.

Шаг седьмой: подготовка комплектующих
В устройстве используется три разъема постоянного тока 5,5 мм. Один для подключения адаптера постоянного тока, а два других — для подключения маршрутизатора и любого другого устройства.
Согласно принципиальной схеме, к входному разъему постоянного тока подключается диод.Ножки диода нужно откусить и припаять его к разъему постоянного тока, используя провод.

Дальше нужно припаять провода к гнезду предохранителя.
Припаивает два провода к одному из выводов держателя предохранителя и отрезок провода к другому выводу. Затем припаивает диод к более короткому проводу. Отрицательная ножка диода подключается к клемме держателя предохранителя.

Целью использования дисплея вольтметра является отображение напряжения батареи. Переключатель нужен для отключения дисплея.

В схеме используется p-канальный MOSFET для быстрого переключения между сетевым питанием и аккумулятором. MOSFET имеет 3 ножки, обозначенных как Gate, Drain и Source.
Нужно припаять провод и резистор 10 кОм к затвору (gate) полевого МОП-транзистора. Затем припаять два куска проводов к ножкам стока и истока.
Для изоляции соединений мастер использует термоусадочную трубку.

Согласно принципиальной схеме, одна и та же клемма заземления подключена к плате BMS и двум модулям преобразователя. Для соединения мастер подготавливает провод.

Дальше нужно подготовить адаптер для подключения выхода ИБП к входу маршрутизатора. Распиновка зависит от конкретной модели роутера.
В данном случае диаметр разъема составляет 5,5 мм, а полярность положительная.

Шаг восьмой: регулировка выходного напряжения преобразователя
В схеме используются два модуля понижающего преобразователя (XL4015), один для зарядки аккумуляторной батареи, а другой для разъема 5 В или 9 В. Модули понижающего преобразователя имеют настройки как напряжения, так и тока. Модули нужно отрегулировать с помощью мультиметра.
1. Понижающий преобразователь для зарядки: устанавливаем выходное напряжение — 12,6 В и ток -> 3 А.
2. Понижающий преобразователь для разъема: устанавливаем выходное напряжение — 9 В / 5 В и ток -> 2 А.

Шаг девятый: сборка
Теперь можно приступить к сборке устройства.
Устанавливает разъемы постоянного тока, держатель предохранителя, переключатель и дисплей вольтметра.

Устанавливает остальные комплектующие согласно схемы.

Устанавливает и прикручивает верхнюю крышку.

Шаг десятый: тестирование
Последний шаг — проверить ИБП, подключить адаптер постоянного тока к входному разъему. После включения тумблера на задней стороне устройства загорится красный светодиод сигнализирующий, что батарея заряжается. Всегда можно проверить напряжение аккумулятора, включив тумблер на передней панели. Точное напряжение отобразится на дисплее вольтметра.

Как только аккумулятор полностью зарядится, подключает кабель разъема постоянного тока к гнезду. Другой конец кабеля подключается к входному разъему питания маршрутизатора. Теперь индикатор состояния маршрутизатора начинает светиться, и через несколько минут ваш маршрутизатор загрузится.

Если отключить сетевое питание, то маршрутизатор будет работать от аккумулятора.