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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.