Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI) o uninterruptible power supply (UPS) para arduino y ESP8266

Un Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), en inglés uninterruptible power supply (UPS), es un dispositivo que gracias a sus baterías u otros elementos almacenadores de energía, puede proporcionar energía eléctrica por un tiempo limitado y durante un apagón eléctrico a todos los dispositivos que tenga conectados. Otras de las funciones que se pueden adicionar a estos equipos es la de mejorar la calidad de la energía eléctrica que llega a las cargas, filtrando subidas y bajadas de tensión y eliminando armónicos de la red en el caso de usar corriente alterna.

Precisamente, ahora que tenemos el proyecto encauzado y más o menos todo en marcha, es hora de dedicarle un rato a como alimentaremos nuestras placas de arduino y electrónica.
Principalmente, haciendo un repaso me he dado cuenta que solamente trabajaremos con dos voltajes distintos: 3,3v para los esp8266 y 5v para las placas de arduino.

Es importante alimentar de manera correcta, sobre todo los esp8266 porque de no hacerlo, o de tener cortes de corriente, se comportarían de manera bastante peculiar, fallarían, transmitirían caracteres extraños o perderían datos.

Lo que pretendo crear no es una gran reserva de energía que aguante días sin apagarse, sino unas pequeñas baterías con estabilizadores para que una vez se vaya la corriente conmute a las baterías y siga teniendo los 3,3v y 5v que necesito.

Para ello voy a comentar los materiales que yo he escogido y que funcionan bastante bien.

• Una fuente de alimentación 

He escogido una fuente conmutada y regulada de 2A 5v. La entrada de esta fuente es AC 110/220 +-15% de tolerancia. La salida es DC hacia las placas arduino.

Es una fuente muy asequible, yo la he comprado en www.dx.com por el módico precio de 3,63€. Vemos que a la entrada tiene la oportunidad de tierra. Además está bien protegida por la carcasa metálica y adaptada para montar sobre un chasis dado sun agujeros para ello. Otra cosa que me parece bastante interesante es que tiene un borne para ajustarle los bornes de salida y obtener el voltaje correcto en cualquier caso. Viene protegida también para cortocircuitos, ya que si metes la pata la fuente se protege por si sola y no se quema. El Led de la salida indica que está encendida.

• Un módulo cargador de 5v 1A

A la salida de la fuente de alimentación irá conectada la entrada de este módulo cargador.
La idea de esta placa es hacer la conmutación entra la batería que tendrá conectado nuestro circuito en cada arduino y la corriente eléctrica cuando la segunda sufra un corte. Además cuando todo funcione correctamente, la batería estará en continua carga.
Para ello he encontrado dos módulos prácticamente iguales, la diferencia entre uno y otro es que en uno solamente tiene un agujero donde soldar los cables que van a la batería y al circuito, y en la otra tiene un agujerito para cada uno.
El modelo en concreto es el TP4056 5v 1A y el precio es irrisorio. Los he comprado en www.aliexpress.com por menos de 0,30€ cada uno.

 Podemos observar un par de Led, uno indica que la placa está cargando una batería y la otra que está completamente cargada.

Por decirlo así, este módulo será el corazón de nuestro SAI. En la imagen superior veis por donde van los tiros a fala de un par de retoques. Las características técnicas más destacables las encontramos a continuación:
Item Name:  5V Mini USB 1A Lithium Battery Charging Board
Charge module: Linear charging
Current: 1A adjustable
Charge precision: 1.5%
Input voltage: 4.5V-5.5V
Full charge voltage: 4.2V
Work temperature: -10℃ to +85℃
Inverse polarity: NO
LED indicator: Red is charging,and GREEN is full charged
Input interface: Micro USB

Obtendremos más información del módulo pinchando aquí.

• Un portapilas para pila de 3,7v

Poco hay que decir de esto, también por www.ebay.com, albergaran una pila de 3,7v que será la que haga de nuestra batería. La idea de tener un portapilas y no soldar una pila directamente al circuito es que estas pilas, aunque son de Li-ion, sufren desgaste y empeora su capacidad con el tiempo, por lo que tendré una manera cómoda de abrir las cajas y cambiar las baterías cuando quiera.
 El precio ha sido alrededor de 1€ cada uno.

• Una pila de 3,7v recargable de Li-ion.

Este modelo es en concreto un UltraFire SZ 18650 de 9900mAh 3,7v. Aunque poco importa el modelo de pila que sea, sirve cualquiera que entre en el portapilas de 3,7v.
Según el fabricante, son de Li-on, no tienen efecto memoria y están protegidas contra corcocircuito y protección contra descarga. Además dice que la vida del PCB es de alrededor de 10 años. Es "GREEN".
Por el módico precio de 1,50€ las encuentras en www.dx.com

• Un step-up de 3v a 5v 1A

Necesitamos un elemento que nos levante la corriente de los 3,7v de la pila de Li-Ion a 5v para alimentar al arduino en caso de que la corriente eléctrica falle. Si nunca fallase la corriente sería totalmente innecesario, pero si se corta y tiene que tirar todo el circuito de la pila, solo obtendría los 3,7v de la pila y sería insuficiente para alimentar nuestra placa de arduino. 

Este modelo en concreto lo he comprado en http://www.banggood.com por 1,14€.
A continuación teneis las características técnicas:

propiedades del módulo: no aislado módulo elevador (boost)
voltaje de entrada: 2.5-6v
tensión de salida: 4-12 v (ajustable (Necesidad de la sustitución de la resistencia a los ajustable), El valor predeterminado 5 v)
corriente de salida: 1000mA (max)
Eficiencia: 92% (max) (cuanto mayor sea el voltaje de entrada, mayor es la eficiencia)
frecuencia de conmutación: 1MHz
rizado de salida: 20mV (máximo)
temperatura de funcionamiento: industrial (-40 ° C a + 85 ° c)
regulación de voltaje: ± 2.5%
protección del cortocircuito: Ninguno (por favor utilice la batería de litio con la protección)
de entrada: + en algo positivo, en - negativo
Salida: La salida usb
tamaño: 3 x 1.3 x 0.8cm

• Step-Down de 3,7v a 3,3v o regulador de tensión a 3,3v

La idea es que a la salida de la batería podamos también conseguir 3,3v para alimentar los ESP8266 en caso de corte de corriente. Con el Step-Up lo que conseguíamos era conseguir 5v a la salida para los arduino, pues bien, para los ESP8266 como funcionan a 3,3v es necesario el Step-Down que como su propio nombre indica sirve para bajar el voltaje.

El modelo que he escogido es el LM2596S. Este modelo, a diferencia de los otros, puede regular hsta 3A. Es además destacable que tiene el regulador de salida para manejar el voltaje dentro de los rangos que acepta de tensión.
Lo he comprado por www.ebay.com  por menos de 1€ cada uno.
Las especificaciones técnicas son las siguientes:
Input: DC 3V to 40v
Output: DC 1,25v to 35v



NOTA: Tanto el StepDown, como el StepUp, van pinchados en el mismo sitio. En los bornes de la batería.


Un consejo: Si podéis, todos los módulos que podáis en cuánto a corriente, aunque sean un poco más caros, comprad los con un regulador de tensión. Ya se sabe que los módulos electrónicos chinos no son la panacea de lo calibrados que vienen, y con el regulador y un buen polímetro podréis ajustarlos según convenga. 
Y si ya queréis tener todo de manera profesional, un voltímetro integrado, aunque puede que sea de mala calidad y no mida lo mismo que un buen polímetro, pero para la primera impresión de donde puede haber un error son suficientes.  


En este momento, y si disponéis de unos cuántos cables y estañador en mano o protoboard por el medio, ya estáis en condiciones de conectar todo el circuito. Y os enseñaré como mediante este tosco esquema: 

Poco tenemos que explicar de él que no hallamos hecho ya pieza por pieza.
En resumen, la fuente de alimentación alimenta el módulo de carga que por un lado tiene conectada la batería y por el otro el Step-UP y el Step-Down.
De manera habitual, la fuente de alimentación dará las dos salidas a 5v y a 3,3v además de cargar la batería de Li-Ion.
Si se corta la corriente de la fuente de alimentación, el módulo de carga conmutará, y la batería será la que alimente el Step-Up y el Step-Down. Tendremos tiempo más que suficiente para tomar acciones en caso de que no sea un corte de suministro momentáneo puesto que nuestra pila es casi de 10A.

Aquí os muestro como quedó nuestro circuito propio montado sobre una protobard

Los 4 pines que están sueltos corresponden a las salidas de 5v y 3,3v del circuito.

Y por último unas pruebas con el multímetro donde os enseño la conmutación del módulo de carga. En un vídeo la salida de 5v y en el otro la de 3,3v.