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Gli UPS: il fai-da-te è la scelta migliore?

Cosa deve fare un gruppo di continuità? Che caratteristiche deve avere? Quanto deve durare nel tempo? Qual è la migliore soluzione? Queste ed altre domande sono quelle a cui cerca di rispondere chiunque abbia a che fare con i gruppi di continuità. Bene, oggi cerchiamo di rispondere a queste domanda analizzando come e perché è il caso di scegliere una soluzione fatta in casa piuttosto che "accontentarsi" della grande distribuzione.

Tempo fa ci siamo occupati degli UPS per parlare di come fosse possibile realizzarne uno mediante l'utilizzo dei PIC. Oggi affrontiamo la questione da un altro punto di vista: il fai-da-te.
Le soluzioni DIY (ovvero Do It Yourself) sono sempre le migliori da un certo punto di vista perché permettono di ottenere esattamente il funzionamento che si desidera con dell'hardware che si conosce fin nel più piccolo dettaglio.
Accanto al computer, molti di noi hanno una dotazione di questo tipo: una scatola grigia e rotondetta che funge da alimentatore DC, connesso alla rete elettrica da un lato e dalla coppia batteria ed inverter dall'altro.
L'alimentatore carica la batteria ed aziona l'inverter il quale ha lo scopo di convertire la bassa tensione DC in corrente AC con una efficienza che sia, potenzialmente, superiore al 90%, o che almeno si avvicina a questo valore. Quando la rete elettrica diventa, per qualche motivo, inefficiente, lo scopo dell'inverter è quello di azionare la batteria per fare in modo che il computer ed il monitor continuino a funzionare, cosa che, con un po' di possibilissimo può accadere per un'oretta se il pc in questione non è estremamente performante.
Molti degli UPS, cosiddetti off-the-shelf (letteralmente “sullo scaffale”, cioè in vendita come soluzioni commerciali), possono fare questo lavoro per pochi minuti; questo non è necessariamente un male perché in realtà serve poco tempo per salvare la sessione di lavoro e riuscire ad arrestare regolarmente il computer. Ad esclusione dei modelli più economici, tutti sono dotati di una connessione seriale al computer e di un software che sia in grado di rendere il computer interprete dello stato della batteria, sia in termini di carica sia in termini di stato di conservazione, nonchè di comunicare all'utente tutte le informazioni che possono risultare utili.
In un UPS, cosìddetto a doppia conversione, l'inverter è in funzione tutto il tempo, a differenza di quanto accade in altri. La maggior parte degli UPS sono modelli “Stand-by”, all'interno dei quali l'inverter funziona solamente quando è la corrente ad andarsene. Quando non ci sono malfunzionamenti, invece, l'alimentazione viene direttamente dalla rete ed è portata all'uscita, anche grazie ad apparati di filtraggio opportuni, quando presenti.

Il progetto del modello stand-by rende gli UPS molto più efficienti ed anche più economici sebbene abbiano globalmente una qualità più bassa visto che l'inverter raramente deve far qualcosa.
Un altro modello di riferimento sono gli UPS “line interactive”, ovvero quei modelli di gruppo di continuità in cui l'inverter funziona per tutto il tempo anche se non a “pieni giri”; l'alimentazione da rete viene fatta passare, quando è disponibile. Quando, invece, non lo è, l'inverter inizia a funzionare pienamente.
Infine esiste il modello “on-line”, un tipo di UPS che è in grado di filtrare la tensione di rete nel miglior modo possibile e non introduce alcun tipo di ritardo nello switching quando l'alimentazione di rete non è più funzionanate.
Queste tre tipologie non sono molto diverse tra di loro per quanto riguarda gli usi domestici, se non consideriamo il fattore prezzo.
Fatta questa rapida carrellata riassuntiva, passiamo a ciò che vi serve per creare il vostro UPS.

La batteria

È parte integrante del circuito e, di certo, non potete fare senza. È possibile utilizzare batterie piombo-acido, anche se non si tratta dell'unica soluzione. Nel caso, infatti, di UPS off-the-shelf si utilizzano batterie “gel cell”, ovvero batterie in cui l'elettrolita viene mischiato con polvere di silice a creare un soluzione tipo gel. Si tratta del tipo più comune nell'ambito delle batterie denominate SLA, ovvero Sealed Lead Acid.
Di solito, quando qualcuno fa riferimento a questo tipo di batterie, infatti, sta parlando proprio di gel cell.
Si tratta di modelli dal costo contenuto e non hanno perdite molto diffuse, per cui risultano molto ben standardizzati. Non solo, ma possono essere facilmente reperiti in ogni tipo di negozio di elettronica e rappresentano un buon compromesso tra qualità e prezzo dal punto di vista delle prestazioni.
L'elettrolita jelly all'interno di una gel cell non “lega” molto bene con le bolle di gas che si sviluppano velocemente se la batteria viene sovraccaricata. Altro tipo di “strani comportamenti” si possono verificare quando la batteria viene mantenuta sempre ad un livello di carica molto alto. Così, queste bolle si mischiano nell'elettrolita nelle strette vicinanze dei piatti metallici della batteria e ne riducono la capacità totale.
Queste batterie sono a 12 V e, nominalmente, sono date per “7 Ampere-orari”; tuttavia è molto facile aspettarsi che non siano in grado di provvedere all'alimentazione con un tale ammontare di potenza, nonostante ciò che c'è da aspettarsi se si tiene conto soltanto del rating, ancorché la soluzione a 24 V ed a più bassa corrente viene impiegata per la maggior parte degli UPS in circolazione.
Tutto questo si traduce banalmente non potersi aspettare più di un paio d'anni di vita media stimata per l'UPS, anche se il bilancio su questa spesa va fatto sempre in relazione con il tipo di uso che si vuole fare.
Per ottenere capacità di dimensioni ragguardevoli ed alte prestazioni in termini di corrente, quelle che possono tornare utili sono le batterie piombo-acido “wet”, che utilizzano un liquido con elettroliti acidi.

Non si tratta certo di batterie che possono essere spostate con facilità ed hanno necessità di essere alloggiate in un locale ben ventilato. Sarà, inoltre, necessario eseguire cicli di carica e scarica periodici completi per garantire loro la vita più lunga possibile e la capacità di mantenere lo stesso valore di carica nel tempo.

Tuttavia, anche una piccola batteria per auto è in grado di fornire 25 A orari, che possono essere utili per alimentare un computer. Pertanto, è solo l'abilità di trasportare oggetti pesanti a rappresentare il limite al numero di batterie che si possono mettere in parallelo per farle lavorare in un sistema di questo tipo.
Le batterie utilizzate nel campo automotive possono essere acquistate ad un prezzo davvero economico ma non è il caso di farle scaricare completamente, più o meno per lo stesso motivo per cui non è il caso di farlo per le batterie “gel cell”. Se le batterie piombo-acido vengono fatte scaricare del tutto e lasciate “a se stesse”, è molto facile che siano del tutto inutilizzabili dopo un certo tempo, visto che taluni composti dello zolfo si potrebbero venire a formare all'interno, con l'effetto di ridurne la capacità.
Ci sono batterie che sono molto più costose, dette “deep-cycle”, che sono costruite per fare meglio fronte all'esigenza di sopportare cicli completi di carica e scarica senza che questo causi grossi problemi. Alcune batterie riescono a proporre valori di corrente istantanea molto alti perché sono in grado anche di alimentare un motore. Queste due caratteristiche, però, sono in netta contrapposizione tra loro e il duty-cycle privilegiano la prima alla seconda.


 

La batteria visualizzata in figura non è esattamente un modello comune; si tratta di una Lifeline GPL-1300 prodotta dalla Concorde Battery Corporation la quale produce batterie più o meno per ogni tipo di applicazione, dalle gare automobilistiche fino agli aviomobili. Uno dei modelli è progettato per essere regolato a valvola con elettroliti liquidi che vengono assorbiti su di uno strato di fibre di vetro che si trova tra piatti metallici sottili (un modo intelligente di fare batterie SLA). Questa tecnologia rende le batterie “wet” molto più performanti.
Questo modello, in particolare, rappresenta l'esponente più piccolo della famiglia, ha un peso di poco meno di 7 kg ed è addirittura in grado di avviare un motore marino. La sua capacità è di 13 Ampere-orari ed è quindi piuttosto adatta all'utilizzo nelle applicazioni UPS.

 

L'alimentatore

Un UPS ha necessità di provvedere al caricamento della batteria e far avviare l'inverter quando l'alimentazione principale viene a mancare. Caricare le batterie piombo-acido mediante il metodo della “tensione costante” è una cosa semplice. Il punto è che non si tratta del miglior modo di effettuare il caricamento della batteria. Se si connette, pertanto, la batteria ad un alimentatore che viene impostato per fornire sempre lo stesso livello di tensione che è pari a quello che la batteria può mantenere quando è carica, allora essa si caricherà e non sarà mai possibile sovraccaricarla.  Questo metodo prende il nome di caricamento “float”. Non è certamente il modo più veloce per riuscire ad ottenere il risultato ma è possibile anche lasciare il caricatore connesso per sempre senza correre rischi di sicurezza per la batteria.
A questo punto, sorge spontanea la domanda: ma quindi quale sarebbe il problema? La risposta sta nel fatto che, sfortunatamente, un processo di carica di questo tipo non riuscirà mai davvero a caricare al massimo la batteria. Inoltre, se si lascia la batteria carica in questa condizione per sempre, l'effetto che si avrà sarà certamente quello di perdere, gradualmente, autonomia della batteria perché si avrà proprio la creazione di quei solfati di cui parlavamo prima.
La soluzione? Il metodo “topping charge” di circa 2.4 V per ciascuna cella (14,4 V per una batteria da 12 V), da effettuarsi ogni sei mesi. Così, la batteria potrà certamente rendere di più, in termini di tempo di carica.

Il circuito di carica è piuttosto rodato e si trova, praticamente uguale a se stesso, in tutte le soluzioni UPS commerciali. Esso effettua periodicamente cariche mediante il secondo metodo visto ma, ovviamente, nelle soluzioni più economiche è possibile che questo non succeda. C'è da dire che buona parte della spesa cui si fa fronte quando si compra un UPS sta nel tipo di batteria che viene acquistata.

 

L'inverter

In generale, si potrebbe usare un inverter 300 Volt-Ampere (VA) 12-a-240 V che, nonostante il design piuttosto datato e la limitazione nel “surge power rating”, fa il suo mestiere. Vale la pena di specificare che per surge power rating intendiamo la “quantità” di potenza che è possibile che l'apparecchio eroghi in un breve intervallo di tempo. Banalmente, è un picco che sta ad indicare proprio la capacità di erogare potenza dell'inverter. Si capisce che più grande è questa figura di merito, meglio tutto il gruppo di continuità può far fronte alle necessità di alimentazione in caso di emergenza.
Parliamo, un minuto, di unità di misura: W=VA ma questa uguaglianza vale soltanto in polarizzazione (in DC) oppure per tutti quei circuiti in alternata che funzionino con carichi solamente recessivi (lampadine, frigoriferi, stufe…).
Utilizzatori come computer e monitor non rappresentano, però, solamente carichi resistivi, dal punto di vista tecnico, e dimostrano un “fattore di potenza” piuttosto "scomodo". Questo dipende dal fatto che un inverter da 300 VA ci si può aspettare che funzioni con un valore di potenza di riferimento di circa 210 W, se non di meno.
D'altronde, non ci si può neanche aspettare che siccome l'alimentatore del computer di casa si aggira intorno ai 300 W, allora è necessario utilizzare un inverter da 430 VA. Quello che, invece, è il caso di richiedere è che esso risulti perfettamente e completamente carico per ciascun “output rail” dell'alimentatore.

Ed è proprio questo che non sempre succede. In particolare, specie quando si affronta una spesa puntando sull'aspetto economico, è possibile comprare degli inverter da 300 VA con un surge rating da 900 VA ed una efficienza del 90%. Per farne una questione di spesa, più o meno per il doppio è possibile, talvolta, presso alcuni rivenditori in particolare, acquistarne una da 600 VA in continua con inverter da 1500 VA,una soluzione piuttosto ideale se si vuole alimentare un personal computer ed il suo monitor.

Parliamo delle forme d'onda...

Inutile prendersi in giro, questo è l'unico parametro che davvero conta qualcosa. Perché tutto funzioni bene e duri nel tempo, la forma d'onda deve essere semplicemente perfetta, regolare e deve avere dei livelli assolutamente uguali a loro stessi. La forma d'onda proveniente dall'inverter rappresenta il modo in cui l'uscita in tensione dell'inverter varia, attraversando cicli con picchi positivi e negativi. In questo, le specifiche sono stringenti: la frequenza deve essere esattamente 50 Hz ed i valori di tensione non possono superare i limiti imposti dall'intervallo 210-240 V. Ovviamente, queste specifiche possono variare con il paese (sappiamo perfettamente tutti che per altri paese, come gli Stati Uniti d'America, questi valori cambiano ma il concetto, invece, no).
Uno dei metodi per capire quanto effettivamente si è risparmiato, senza aver risparmiato davvero, è valutare proprio la forma d'onda in uscita.

Se, per esempio, la tensione dovesse subire un brusco incremento verso valori positivi, mantenersi a quel livello per più di mezzo periodo e poi crollare a valori negativi, non soltanto la forma della forma d'onda sarebbe errata ma anche il valore RMS della tensione fornita, senza parlare del duty-cycle.

La forma d'onda normale deve essere sinusoidale e non deve avere “asperità” ovvero deve essere una forma d'onda di tipo “smooth”. La forma d'onda sinusoidale (in verde) viene “limitata” soltanto dalle soluzioni più costose ma rappresenta la migliore soluzione possibile.
Tuttavia, in alcune applicazioni, come quelle che stiamo vedendo, cioè l'utilizzo per l'alimentazione di personal computer ad un uso domestico, non hanno bisogno di queste prestazioni, ovvero di questo livello di prestazioni. Infatti, funzioneranno bene anche con forme d'onda sinusoidali squadrate.
La maggior parte dei motori AC funzioneranno bene grazie all'utilizzo di forme d'onda quadrate ma finiranno per consumare fino al 20% in più di potenza rispetto a quello che farebbero se la forma d'onda fosse regolare. Inoltre, questo tipo di soluzioni è possibile che sperimenti dei picchi nel funzionamento che renderebbero, probabilmente, inefficiente, o sbilanciato, il suo funzionamento.
Nella figura si evidenzia anche la presenza di una forma d'onda in blu che rappresenta una “semplice” onda rettangolare. Questo andamento è abbastanza idealizzato ed è difficile trovarlo implementato in un hardware ancorché frutto di progettazione integrata. Ciò che è interessante è che questo viene a vantaggio degli utenti perché la forma in questione non è esattamente quella che vorremmo. La maggior parte dei sistemi non funzionerebbe correttamente con segnali di questo tipo.

Perchè farselo da soli?

La risposta è piuttosto semplice: perché potete curare ogni singolo aspetto e sapere esattamente con che macchina avete a che fare. La risposta sembra banale ma in realtà è molto più complessa di così, quanto meno per le sue implicazioni. Potete puntare sul tipo di batteria, sulla stabilità del riferimento di tensione oppure ancora sul metodo di carica della batteria, garantendone la durata nel tempo.

Una soluzione fatta in casa può anche essere modificata all'occorrenza con piccole modifiche che però possono essere stagliate proprio sulle esigenze personali. In una soluzione off-the-shelf non potete mettere la batteria che vi piace di più non solo perché non entra nella "scatola" ma perché il dimensionamento dell'intero progetto ne risentirebbe. La circuiteria del caricatore potrebbe avere difficoltà ad adattarsi in maniera stabile ed indolore al cambiamento di batteria effettuato.
Le soluzioni commerciali migliori dispongono di un connettore per l'espansione delle batterie mentre, ovviamente, i più economici non saranno in grado di offrire questa possibilità.
Ed insieme con la capacità della batteria va valutato anche il fattore tempo; le soluzioni più a buon mercato possono andare incontro a problematiche di surriscaldamento e di "morte prematura" se poste sotto sforzo per tempi lunghi rispetto a quelli che la batteria può tollerare.
Ovviamente, la qualità globale dell'UPS migliora per effetto di un alimentatore DC oppure di un inverter dedicato più sofisticati; pertanto non si andrà certamente incontro a queste limitazioni, così come non ci sarà da tenere sempre uno aperto per controllare lo stato della batteria o disabilitare l'ingresso di tensione quando il gruppo di continuità non è in uso.
Soluzioni parallelo come quelle di cui abbiamo discusso potrebbero rimanere in funzione anche per settimane senza che questo sia un problema.
Se qualcuno dei vantaggi di cui abbiamo parlato vi sembra interessante, allora non c'è alcun tipo di motivo perché i componenti non dobbiate procurarveli separatamente ed assemblarli solo in seguito.

Ad onor del vero, però, la soluzione custom non è mai la migliore, dal punto di vista delle prestazioni ed il rischio per la sttabilità del sistema al seppur minimo errore assume le sembianze di un deterrente davvero considerevole. La progettazione integrata è, quindi, certamente la soluzione migliore dal punto di vista della stabilità e della durata ma, come sempre nella vita, specie in quella di un ingegnere, la migliore soluzione è il compromesso e l'esperienza, ancora una volta, potrebbe essere l'elemento determinante per pendere l'ago della bilancia.

8 Commenti

  1. Emanuele Bonanni Emanuele 21 agosto 2012
  2. Piero Boccadoro 22 agosto 2012
  3. awialex 26 settembre 2013
  4. Piero Boccadoro 7 ottobre 2013
  5. awialex 9 ottobre 2013
  6. Piero Boccadoro 20 ottobre 2013
  7. Davide Japan 14 novembre 2015

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