POST#20: UPS AC-DC 5V a 4 Amp con cargador de batería de ácido plomo sellada

Objetivo:

Debido a los constantes bajones y cortos programados de la energía eléctrica en mi país Venezuela, he determinado hacer un conjunto de equipos que hagan un poco mas agradable las horas de corte eléctrico, comenzando con un UPS AC-DC 5V con salida máxima de 3A, con una autonomía de por lo menos 1 hora con un consumo constante de 3A, para con esto alimentar principalmente el raspberry pi 2, que es usado como centro de entretenimiento con el OpenELEC, el cual muchas veces por las caídas de tensión se corrompe el linux instalado en el mismo, obligando a reinstalar y con esto perdiendo las configuraciones ya establecidas entre otras.

Así mismo, sera usado como fuente para alimentar lamparas de LEDs con conector USB o para cargar cualquier gadgets durante esas horas de oscuridad que toman a uno desprevenido con frecuencia en este país.

Materiales principales utilizados:

Caja Plástica para experimentos de un tamaño suficiente para que todo lo necesario para realizar el UPS sea posible.
LM338 regulador ajustable de 5A en encapsulado TO-220, regulado al voltaje de carga de la batería que se decida usar.
LM2576 regulador Step-Down de 5V a 3A de salida en encapsulado TO-220.
LM317 para regular la corriente de carga a la batería y con esto no sobre pasar el 10% de corriente de la batería.
Medidor de 3 dígitos comprado en ebay.
LED rojo para comprobar visualmente si esa energizado por los 110V AC.
Potenciometro de 5k, para el ajuste de la salida del LM338.
Suiche de 4 contactos para cortar la fase y el neutro del 110 AC.
Cable de alimentación.
Porta fusible tipo americana de chasis.
Fan para extraer el calor disipado en los distintos
Batería selladas de ácido plomo de 9v a 12v con unos 4 Amperios.
Cables para conexiones.
Terminales para las baterías.
Disipadores de calor para los reguladores.
Resistencia de distintos valores.
Capacitadores de distintos valores.
Terminales dobles azules.
Bobina para el regulador Step-Down.
Placa FR4 para las distintas PCB usadas.
Transformador de 110v a 12v-0v-12v a 4 Amperios para alimentar las salidas en presencia de alimentación AC y cargar la batería a su vez.
Diodos de uso general de 6 Amperios.
Puente rectificador de 6 Amperios.
Fan para disipar directamente el regulador LM338 de ser necesario, que al ser de tipo regulador lineal tiene poca eficiencia generando calor, que no es deseado.

El mismo a sido probado durante unos 6 meses sin fallar, manteniendo las baterías en perfecto estado, funcionando de manera correcta en todas la baja de tensión que han sucedido. Cabe destacar que no cuenta con un control de corriente para sus salidas USB, ni con una protección contra una sobre descarga de la batería, ni control del fan del chasis.
Estos tres últimos puntos ya tomados en cuenta para una modificación que se le realizara dentro de poco tiempo donde se agregaran polifusibles de 2 Amperios a las salidas USB y uno general de 4 Amperios, para limitarlas en corriente de salida y para la sobre descarga de la batería un opam en configuración de comparador, para con esto sensar el voltaje de la misma en todo momento, donde si llega en algún momento a la referencia de voltaje ajustada como nivel bajo, corte las salidas minimizando el consumo, hasta que la batería sea cargada de nuevo o se restablezca el AC, así como también un control para el fan de extracción forzada de calor del interior del chasis, que trabaje con hysteresis en sus valores de encendido y apagado del mismo con el uso de algún opam y compuertas lógicas.

Fase de construcción del UPS:


PCB ya trabajado sin limpiar el toner.

PCB sin toner listo para ser soldados sus componentes.

Componentes para ser soldados.

PCB lista vista 1 donde tenemos a mano izquierda el regulador LM317 en modo regulador de corriente, también se tiene a la izquierda un LM2576 de 5V como salida a la carga y el terminal azul centra como lugar conectar la batería del sistema.

PCB lista vista 2

Organización de cada componente dentro de la caja de experimentos

Regulador LM338 para la carga de batería y alimentación en presencia del AC.

Pruebas de la batería y su comportamiento ante una carga de corriente constante del 10% de su corriente máxima.

Pruebas del medidor de voltaje de 7 segmentos comprado en ebay.

Realizado los cortes y colocando cada parte del exterior en la caja de experimentos.

Conexión a las salidas USB donde se uso un toma de 4 puntos de RED y se corto a medida para que entre y se ajuste un conector USB tipo A hembra.

Pruebas y acomodando el cableado.

Colocando un poco de silicon caliente para que no se muevan lo componentes colocados en el exterior de la caja de experimentos,

Pruebas ya armado.

Organización final de cada componente donde se aprecia que fueron usadas dos baterías de 6V a 4 Amperios en serie ya que una sola no es suficiente el voltaje para alimentar la entrada del regulador LM2576 y con esto asegurar los 5 Voltios a su salida.

Como se menciona en mi anterior post, esta fuente se usara en la algunos proyectos como este y a futuro, debido a su buen desempeño y bajo costo, logrando con esto hacer varias de la misma.

otra vista de la fuente.

Vista de la organización trasera de los componentes en la caja de experimento.

Imágenes del UPS finalizado:


Vista de frente del UPS finalizado, cargando la batería a su estado de carga flotante optimo de 13.8 Voltios para una batería de 12 Voltios y con una corriente máxima del 10% de la capacidad de la batería usada.

Otra vista del UPS

El UPS luego de casi dos horas de corte energético manteniendo la carga de dos celulares y el raspberry pi 2, acá se puede observar un nivel de descarga peligroso para la batería por ello se esta trabajando en las nuevas modificaciones para proteger de sobre descarga.( Se puede observar e le LED rojo apagado indicando que hay falla de suministro AC).

UPS cargado con un poco mas de la carga flotante optima la cual se ajusto luego para quedar en 13.8 Voltios.

UPS en estado normal cargando al batería y alimentando el raspberry pi 2, con alimentación externa AC.

UPS en funcionamiento donde se aprecia el repasberry pi 2, con unos LEDs rojo y amarillo arriba y debajo los 7 segmentos mostrando el voltaje en la batería, ademas se encontraba cargando el teléfono celular solo que no se ve, esta foto fue tomada en un corte nocturno de casi 4 horas y no se uso flash en la cámara para observar las luces que se aprecian cuando esta funcionamiento.

En la mesa del comedor esperando que termine el corto de la luz, cargando dos celulares y alimentando una lampara de 1 5 LEDs de alta luminosidad.