Domácí UPS na 12V

Upozornění

Informace uvedené na této stránce neposkytují úplný návod a slouží pouze pro inspiraci. Autor nenese žádnou odpovědnost za případné škody vzniklé inspirací tímto článkem.

Účel

Cílem nasazení UPS bylo, aby mi udržela několik zařízení (Raspberry Pi, switch, router, nějaké to AP) při výpadku napájení po několik hodin.

Požadavky na UPS

Nutné

Nepovinné

Využití existujících zařízení

Nejprve jsem chtěl použít něco již existujícího, čili první myšlenkou byla nějaká existující UPSka, která se dá koupit téměř kdekoli. Testoval jsem tedy svém switchi (starší Linksys XXX - 24x 1gbps portů, dá se nastavovat z CLI, má SNMP), který byl původně na 230V, ale po rozebrání v něm bylo trafo a do desky už vstupovalo jen 12V - čili jej bylo možné napájet přímo 12V. Wattmetr mi ukázal spotřebu switche cca 20W. Po této úpravě jsem tedy testoval 3 UPSky, které jsem měl možnost si zapůjčit - testoval jsem od plného nabití po cca 20%. Hodnoty mne však vůbec nepotěšily - Eaton E5 650i (40 minut), APC Smart-UPS 420VA (1 hodina 40 minut) a APC Smart-UPS 1500 VA (3 hodiny 40 minut).

Návrh vlastního řešení

Vzhledem k výše uvedenému jsem cestu koupi UPS zavrhl. Můj (víceméně laický) názor je, že změnou 12V DC -> 230V AC -> 12V DC se hodně energie ztratí v těchto změnách. Jako základ jsem zvolil zdroj s výstupem na baterii Meanwell AD-155A a 45Ah baterii, která by měla zajistit delší chod při výpadku elektrické energie. Co se týká UPS, tak by stačilo jen toto (pokud bude stačit výstup na 12V - respektive cca 10,8V - 13,8V).
Dále jsem chtěl po UPS, aby uměla i 5V (konektor USB) - proto jsem dále použil převodník z 12V na 5V se 4 USB porty.
Co se týká "chytrosti", tak zde jsem použil Arduino Mega (u Una jsem narazil na málo paměti a málo výstupů, pokud jsem chtěl použít 8x relé), dvojici voltmetrů a ampérmetrů (jedna dvojice pro spotřebiče, druhá pro baterii), 8x relé a ethernet module pro Arduino pro komunikaci s okolím. Nějaké výstupy se objevují i na malém displeji (16x2).

První nasazení

Jednoho dne měla být u nás pravidelná odstávka elektřiny, proto jsem několik nocí intenzivně pracoval na nasazení svého řešení. Toto se mi nakonec podařilo a večer před odstávkou jsem tedy na svou UPS zapojil switch, 2x Raspberry a HDD. Po výpadku jsem se díval na grafy, kde jsem viděl, že po dvou hodinách klesly hodnoty všech napětí a proudů na 0. Dále jsem to zkoumal, protože mi nesedělo, že by výdrž byla jen 2 hodiny (spotřebu bych odhadl na maximálně 40W, baterii jsem nabíjel několik dní, 12V 45Ah by měla mít cca 500Wh). Dále jsem zjistil, že obě Raspberry měly uptime okolo 13 hodin, což souhlasí s dobou, kdy jsem v noci napájení těchto zařízení přepojil z 230V zásuvky do připravené UPS. Ale switch měl menší uptime - nejspíš, jak postupně klesalo napětí na baterii, tak switch, který je na 12V, menší napětí nepobral a nefungoval...

Úpravy po prvním nasazení

Po zkušenosti s nasazením jsem potřeboval vyřešit problém s 12V napájením, kdy by měl být výstup 12V i při poklesu napětí baterie pod tuto úroveň. Zvolil jsem tedy převodník 8-14V na 12V - Meanwell SD-50A-12, který plánuju nasadit. Také jsem zjistil, že se mi mé řešení nevejde to 1U casu, proto jej budu muset "předrátovat" do 2U case.

(2020-03-07) Druhé nasazení

Blížila se opět odstávka ČEZu (která se nakonec nekonala), tak jsem udělal pár úprav - zadrátoval do 2U case, přidal převodník(y) z 10-14V na 12V. Po zapojení jsem přes UPSku připojil switch (spotřeba okolo 16W) a Raspberry Pi (3W). Simuloval jsem tedy výpadek napánení cca 8 hodin, což přečkalo, pak se baterie cca 2 dny nabíjela (pak jsem to zase demontoval).
Při zapojování dalších spotřebičů se mi nějak odmlčel ethernet, což se několikrát opakovalo, proto jsem si UPSku vzal zase na stůl, kde budu muset zjistit, co to způsobilo. Také konektory RJ-45 se moc nechtěly bavit, musím i tady zkontrolovat, zda-li jsou dobře nakronované.

(2020-03-21) Změna plánu - rušení UPS

Před pár dny jsem změnil priority a rozhodl se postavit malou solární elektrárnu. Objednal jsem tedy panely a kontroler a po jejich sestavení jsem ji chtěl i nějak "ochytřit" - vzhledem k podobnosti s UPS (použití baterie, spotřebičů) jsem se rozhodl přestavět tuto UPS pro potřeby solární elektrárny. Více o této elektrárně někdy asi napíši zde.

(2020-01-31) Obnovení plánu - výměna Arduina za Raspberry Pi Zero, testovací nasazení

Po nějaké době jsem se vrátil k projektu UPS. Po dřívějších problémech s Arduino Mega (zdálo se mi, že po každém bootu vrací čidla pro proudy a napětí jiné hodnoty) jsem zvolil jako mozek Raspberry Pi Zero (původně W, ale nakonec jsem tam nechtěl bezdrát) s ethernetem, připojeným přes USB. Přes GPIO piny jsem připojil AD převodník MCP3008, abych mohl číst analogové hodnoty z čidel proudu a napětí. Nyní mám místo 9 adaptérů připojen jen jeden. Mimo UPSku je tedy připojen switch Cisco 2960G (odebírá asi 50W) a základna pro VoIP telefon (adaptér má 6,5V).

Co tedy napájím:
jack 12V:
- router Turris
- HDD WD Red 4 TB
jack 10.5-14V (dle napětí zdroje, případně baterie):
- 2x AP (mají gigabitové PoE)
- DC-DC izolovaný měnič pro Raspberry Pi (který mění 9-30V na 5V)
PoE (vodiče 4,5 a 7,8 jsou použity pro napájení):
- 2x AP
USB 5V:
- Banana Pi

Zařízení, odhad maximální spotřeby

Odkazy