Бесперебойное питание для роутера и GPON-терминала своими руками
GPON технология подключения к интернету — одна из самых удачных инноваций последних лет. Она позволяет полностью избавиться от питания устройств «последней мили», что особенно актуально при длительных перебоях с электроэнергией. Почти все остальные технологии позволяют обеспечить интернет только временно — на час‑два, и время это не зависит от конечного пользователя — только от доброй воли провайдера, обеспечивающего своё оборудование источниками бесперебойного питания «на чердаке».
В случае же GPON, единственное, о чём должен позаботиться конечный потребитель — обеспечение питания терминала на своей стороне. Часть терминалов сразу снабжают встроенным WiFi роутером, но чаще всего этого не происходит и провайдер предоставляет отдельное устройство. Наиболее частая конфигурация — GPON‑терминал, потребляющий 0.5А по 12-ти вольтам, и WiFi‑роутер, потребляющий 0.3А по 9-ти.
Конечно, можно купить дорогостоящую зарядную станцию, с ёмкими аккумуляторами и быстрой зарядкой, подключить блоки питания устройств к инвертору станции на 230в, но это дико неэффективно. В моём случае потребление такой конфигурации составило 16 ватт.
Следующий вариант — купить USB‑DC преобразователи на 9 и 12 вольт, и воткнуть их в мощный пауэрбанк. Потребление сразу становится более экономичным. В моём случае оно упало до двух ватт, но я использовал достаточно дорогие устройства с поддержкой технологий QC2/QC3. Хотя, простенькие шнурки без этих наворотов и повышайками внутри шнура позволяют достичь примерно тех же параметров. К повышайкам мы ещё вернёмся.
Недостаток такого подхода — почти все пауэрбанки не поддерживают одновременный заряд и разряд, а те, что поддерживают имеют пометку, что такой режим «не рекомендуется». Для случая «не поддерживается» — придётся вручную менять устройство, переподключать, ставить на зарядку и т. п. А для случая «не рекомендуется» — там и так понятно, что деградация аккумуляторных батарей будет происходить быстрее, чем обычно. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов требуется соблюдение определённого алгоритма заряда, так называемый режим «постоянный ток → постоянное напряжение», так вот — этот ток должен измеряться по аккумулятору без нагрузки. В случае, если на аккумуляторе висит нагрузка, зарядка будет происходить некорректно, и из режима «постоянный ток» он никогда не перейдёт в режим «постоянное напряжение». Это справедливо для случая достаточно большой по сравнению с зарядным током нагрузки. Например, для батареи на 10 000мАч рекомендованный ток заряда 0.5С (половина ёмкости) = 5А и жалкие 1–2 ампера на нагрузке не должны влиять, но в реальности пауэрбанки редко заряжаются рекомендованным током, так как питание они берут с USB, который ограничен по току. Есть нюансы с QC2/QC3 и PowerDelivery, но эти технологии почти не используют в дешёвых пауэрбанках, мы же движемся в сторону наиболее бюджетного варианта.
Следующий кандидат на решение проблемы — специализированные устройства. Мной в свободной продаже было найдено 3 кандидата, но самый «крутой» из них предоставляет ёмкость всего в 10 800мАч, чего по отзывам хватает только на 4–5 часов для двух указанных выше устройств. Для тех, у кого свет не выключают на столь длительное время — вполне годный вариант. Для меня — нет. Я должен обеспечит себе интернет на 8–10 часов «палюбому», а за время наличия света должен успеть зарядиться на достаточный уровень, чтобы на следующий день опять иметь интерент 8–10 часов. Можно, конечно, купить два таких устройства, поставить один на роутер, второй — на GPON‑терминал, но это «не наш метод»;) Я так и не протестировал подобные устройства, поэтому про реальное время заряда оных не имею никакой информации, а верить производителю, точнее, его маркетингу — себя не уважать. Хочу ещё раз подчеркнуть, что для многих пользователей такие устройства — вполне приемлемое решение.
Переходим к главному — «своими руками». Что нам для этого понадобится? Первое, и самое главное — умение обращаться с паяльником! Для тех, кто не умеет — лучше воспользоваться готовыми решениями или помощью специалистов.
Второе — сами аккумуляторы. Выбирать можно любые, но по параметру «цена‑качество» у меня лично эту «гонку» выиграли китайские «нонеймы» на 2000мАч.
Замеры ёмкости показали, что они соответствуют заявленным продавцом с не очень большим разбросом. Выбор ёмкости очень удачно совпал с техническими характеристиками самых дешёвых плат контроллеров заряда на чипах TP4056/DW01A. Их максимальный ток заряда — 1А, что и составляет рекомендованную половину ёмкости данных аккумуляторов.
Для максимальной эффективности заряда таких платок необходимо столько же, сколько и аккумуляторов. А сколько взять аккумуляторов? Я, в процессе экспериментов, определил, что 8 штук уверенно держат необходимую мне нагрузку в течении 15 часов, но вот полный заряд после этого требует целых 6 часов ожидания, что многовато, поэтому я увеличил свою батарею до 12-ти банок (суммарная ёмкость примерно = 85Wh). Полный эксперимент заряд‑разряд ещё не проводился, но по расчётам выходит, что этого вполне достаточно (даже избыточно).
Чем заряжать? Тут подойдёт любой блок питания на 5 вольт с хорошим током. Можно приспособить старый компьютерный блок питания, или купить БП подходящий для вашей нагрузки (предельный ток по 5-ти вольтам должен быть больше чем количество аккумуляторов * 1А). Поскольку я занимался экспериментами, то выбрал БП с завышенными характеристиками — 5В 40А — дешевый китайский полуоткрытый блок для питания светодиодных лент, но для «серийного» применения он явно избыточен.
Вариантов держателей масса, но мне приглянулись одиночный боксы для аккумуляторов с уже приштампованными проводами. Можно обойтись и вообще без них, сделав свой вариант монтажа, но возиться с этим мне было просто лень.
Понятно, что таких боксов тоже нужно столько же, сколько аккумуляторов.
А как мы из аккумулятора «достанем» 9 или 12 вольт? Существует несколько вариантов, но я выбрал самый простой — плата повышения напряжения. Таких плат сейчас очень много, с разными характеристиками, но самые дешёвые и популярные — XL6009E1 и MT3608.
У каждого из этих бюджетных решений есть свои достоинства и свои недостатки, но останавливаться на этом подробно я не буду, так как имеется куча видосиков в ютубе со сравнением этих устройств. XL6009E1 я лично забраковал (для себя), так как нижний порог рабочего напряжения для неё — 3 вольта, а плата TP4056 обеспечивает контроль разряда аккумулятора до 2.5 вольт, плюс, падение напряжение на защитном диоде. К которому я ещё вернусь. То есть, была выбрана плата MT3608, которая запускается от двух вольт. Точнее, две платы. Одну я настроил на 9, а вторую — на 12 вольт.
Теперь вернёмся к ключевому недостатку подобных повышаек — импульсная помеха. В моём случае GPON‑терминал её вполне «терпел», а вот WiFi‑роутер начал работать крайне нестабильно — связь могла пропадать секунд на 10–20 каждые пять‑десять минут. Решается данная проблема установкой двух конденсаторов на выходе из MT3608 — электролит на 470–1000мкФ, который съест основную частоту пульсаций (огибающую) и плёночного или керамического на 0.1–0.2мкФ, который задавит высокую частоту основного спектра.
Не пугайтесь навесному монтажу — это времянка (но нет ничего более постоянного, чем временное).
Возвращаясь к дешёвым USB‑DC преобразователям, упомянутым в четвёртом абзаце данной статьи — у них та же проблема! Если с ними ваш роутер начал «глючить» — думайте, как давить помеху по питанию.
Теперь про диоды. Всё это можно соединить и «на проход». То есть, когда работает блок питания, нагрузка остаётся подключенной к аккумуляторам, но этот режим не очень хорош, и те, кто хочет сделать всё «по красоте», могут сделать байпас с блока питания напрямую на нагрузку. Вот тут‑то и нужен диод (минимум один) для развязки плюса питания, иначе 5 вольт «придут» на схему зарядки с другой стороны и аккумуляторы заряжаться не будут. Лучше использовать диод Шотки, так как на диодах такого типа наименьше падение напряжения. А теперь. второй диод! Когда питание нагрузки идёт от аккумуляторов, и БП от сети не запитан, он оказывается запитан от аккумуляторов, точнее, его выходные цепи. Обычно там ничего опасного нет — пара конденсаторов, дроссель и дальше диодный мост, который «не пустит» напряжение дальше. Но это тоже лишняя нагрузка, пусть и небольшая, поэтому в цепь байпаса желательно тоже воткнуть диод, который запрёт цепи блока питания от этой паразитной деятельности.
Осталось припаять шнурки‑штеккеры на 5.5мм и всё! Не перепутайте полярность. Для такого типа штеккеров плюс всегда внутри, минус — снаружи.
Для удобства можно добавить дешёвые китайские «вольтметры» на выходы повышаек, выключатель, предохранитель и прочую «красоту». Но это уже «излишества».
P. S. Важное замечание для тех, кто купил MT3608 и не может настроить выходное напряжение — крутите резистор против часовой стрелки 30–40 оборотов. У этих плат имеется «мёртвая зона», где резистор не работает. Это связано с китайской экономией на одном резисторе, который там должен бы быть и задавать смещение, но его нет;)
Для увеличения нагрузочной способности MT3608 можно заменить дроссель на аналогичный по размерам с меньшей индуктивностью, или отмотать часть обмотки. КПД в этом случае слегка упадёт, но «перезагрузки» по перегрузке исчезнут. Поскольку у меня не было подходящего, выпаивать и мотать было лень, а WiFi-роутер иногда (при падении входного для MT3608 напряжения ниже 3.5В) принимается жрать больше, чем может обеспечить дефолтовый дроссель, я припаял ещё один такой же параллельно.
При параллельном соединении индуктивность снижается, как L = 1 / (1/L1 + 1/L2), если магнитные поля дросселей не пересекаются, иначе снижение индуктивности будет меньше. Т.е. не ставьте их бисквитиком, а расположите как-то иначе. Лично я вынес его в перпендикулярную впаянному дросселю плоскость.
По даташиту можно безопасно снижать индуктивность дросселя до 4.7мкГ, а два параллельных по 22мкГ дают примерно 11мкГ, то изменение вполне безопасное.
P.P. S. Если вас заинтересовали какие‑то подробности — прошу в комментарии. А если наберётся много интересующихся, выпущу статью с продолжением и разбором непонятных моментов более подробно.