› › Мощный источник бесперебойного питания своими руками. Схема источника бесперебойного питания

Мощный источник бесперебойного питания своими руками. Схема источника бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания


Во многих регионах сегодня часто практикуют плановые и внеплановые отключения электроэнергии на довольно длительный срок. В результате люди, привыкшие к информационному изобилию, на некоторое время оказываются в своеобразном вакууме, когда не только нет освещения, но и не работают телевизор, радиоприемник, компьютер. В таких случаях очень полезно иметь альтернативный источник энергии. Им может стать аккумуляторная батарея, если снабдить ее преобразователем постоянного напряжения в переменное (инвертором) и автоматикой, контролирующей исправность сети, степень заряженности батареи, а также своевременно переключающей нагрузку на питание от сети или батареи и управляющей подзарядкой последней.

В настоящее время в продаже имеются импортные источники бесперебойного питания (ИБП, по-английски UPS) производства различных фирм. Как правило, они предназначены для предотвращения сбоев компьютеров и потери хранящихся в них ценных данных в условиях ненадежного электроснабжения. Однако подобные ИБП рассчитаны на питание нагрузок активного или активно-емкостного характера, а емкости их аккумуляторной батареи хватает всего на несколько минут работы компьютера. Схема и конструкция доступных по цене импортных ИБП таковы, что их практически невозможно приспособить, например, для питания телевизора в течение нескольких часов.

ИБП с необходимыми параметрами можно сделать самостоятельно. Такой прибор должен обеспечивать бесперебойное питание нагрузки мощностью до 300 Вт. Этого достаточно, чтобы "потянуть" любой телевизор, от переносного до "мастодонта" УЛПЦТ. В качестве резервного источника целесообразно воспользоваться автомобильной аккумуляторной батареей емкостью 55...60 А-ч, приобрести которую не составляет труда. Те же, у кого имеется легковой автомобиль, такой батареей уже располагают.

Время непрерывного питания нагрузки от аккумуляторной батареи несложно подсчитать по формуле: T=kQU/P, где Т — время непрерывной работы, ч; к=0,8...0,9 — КПД инвертора; Q — емкость батареи, А-ч; U — напряжение батареи, В; Р — мощность нагрузки Вт.

При указанных выше исходных данных оно составит немногим более двух часов, а с нагрузкой меньшей мощности соответственно увеличится. Например, компьютер обычной конфигурации с процессором Pentium 166MMX сможет работать от аккумуляторной батареи почти шесть часов.

Желательно, чтобы форма выходного напряжения ИБП в любом режиме работы оставалась синусоидальной. Но чтобы достичь этого, пришлось бы пойти на заметное увеличение массы и стоимости прибора. Практика показала, что обычные бытовые электроприборы нормально работают и при питании импульсным напряжением прямоугольной формы, затраты на формирование которого значительно меньше. В случае крайней необходимости можно подключать нагрузку к ИБП через феррорезонансный стабилизатор, который, пропуская первую гармонику импульсного напряжения, подавит все остальные. Для защиты аккумуляторной батареи и элементов ИБП от перегрузок, особенно в стартовых режимах, нужна как быстродействующая электронная защита по току, так и более инерционная с помощью плавкой вставки.

Разработанный с учетом изложенного, предлагаемый ИБП при напряжении питающей электросети в пределах 165...242 В работает как ступенчатый регулятор, поддерживая на выходе напряжение 220 В +10 %. В отличие от импортных приборов, большинство которых реагирует только на понижение напряжения, он автоматически переходит в режим питания нагрузки от аккумуляторной батареи при выходе напряжения в сети за указанные пределы в любую сторону. Процесс переключения занимает не более 20 мс, после чего на выходе ИБП появляется импульсное напряжение частотой 50 Гц, действующее значение которого поддерживается равным 220 В +10 %, пока в сети не восстановится нормальное напряжение или батарея не разрядится до 10,8 В. В последнем случае питание на грузки прекращается, так как для батареи опасна дальнейшая разрядка. Автоматический возврат в режим ступенчатого регулятора происходит спустя приблизительно секунду после восстановления нормального напряжения в сети.

Схема ИБП изображена на рис. 1. При его разработке было решено использовать во всех режимах работы один и тот же трансформатор Т2. Это потребовало применить дополнительные коммутирующие цепи и более сложное устройство управления, но значительно улучшило массогабаритные показатели ИБП и уменьшило его стоимость.


Узел А1 через понижающий и развязывающий трансформатор Т1 постоянно контролирует напряжение в электрической сети, к которой подключена вилка ХР1. В зависимости от величины напряжения узел формирует сигнал СЕТЬ ИСПРАВНА и команды на включение реле К1 и К2.

Далее через электронный выключатель — диодный мост VD7—VD10 с оптотиристором U1 в диагонали — сетевое напряжение поступает на последовательно соединенные обмотки IV и V или только на обмотку IV трансформатора Т2 (в зависимости от положения контактов реле К2). Узел А6 контролирует по падению напряжения на резисторе R12 зашунтированном диодом VD11, ток, протекающий через оптотиристор U1, и при его отсутствии формирует сигнал ТОКА НЕТ, необходимый для работы автоматики ИБП. На выходную розетку XS1, к которой подключают нагрузку, напряжение поступает с обмоток IV и V трансформатора Т2.

Степень заряженности аккумуляторной батареи GB1 по ее напряжению контролирует узел A3. Обнаружив, что напряжение ниже 12,9 В, он, если сеть исправна, подает команду ЗАРЯДКА и отменяет ее после того, как в результате подзарядки напряжение возросло до 14,3 В. Если сеть неисправна и нагрузка питается от аккумуляторной батареи, узел A3 не допускает чрезмерной разрядки последней и при напряжении менее 10,8 В разрывает цепь обмотки реле К переводя ИБП в дежурный режим.

Инвертор состоит из мощного двухтактного выходного каскада на полевых транзисторах VT3—VT9 и драйвера А5 формирующего импульсы, подаваемые на их затворы. В стоковые цепи каждой группы транзисторов включены соединенные последовательно половины обмоток I и III трансформатора Т2. Его обмотка II, диодный мост VD12—VD15 и транзистор VT9 предназначены для формирования пауз между импульсами выходного напряжения. При номинальном напряжении батареи GB1 (12,6 В) длительность паузы равна примерно половине длительности импульса, что соответствует минимуму третьей гармоники в спектре выходного напряжения инвертора. Действующее значение такого напряжения в 1,23 раза меньше амплитудного (у синусоиды это соотношение равно 1,41).

В зависимости от степени заряженности батареи GB1 ее напряжение и пропорциональная ему амплитуда выходного напряжения изменяются на 30 %, однако действующее значение последнего за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) поддерживается почти неизменным, что благоприятно сказывается на работе осветительных и электронагревательных приборов, в том числе нитей накала электронных ламп и кинескопов. Практика показала, что изменение в широких пределах амплитуды питающего напряжения практически не влияет на работу телевизоров и компьютеров, блоки питания которых снабжены, как правило, стабилизаторами напряжения.

Для оксидных конденсаторов характерны повышенные потери, обусловленные тем, что одной из обкладок служит электролит со сравнительно большим активным объемным сопротивлением. Поэтому при повторении конструкции с конденсаторами, отличающимися от рекомендуемых, необходимо учитывать рекомендации, изложенные в , и характеристики конденсаторов используемого типа.

В выпрямительный мост зарядного устройства кроме диодов VD16, VD17 входят оптотиристоры U2, U3, поэтому оно работает, когда через излучающие диоды последних протекает ток, и выключено в противном случае. Цепи управления зарядным устройством и другими узлами ИБП находятся в узле автоматики А4.

Если прибор подключен к сети и напряжение в ней находится в пределах 165...242 В, после замыкания контактов выключателя SA2 "Вкл." узел А1 подаст команду на включение реле К1, замкнувшиеся контакты которого включат ИБП и последний перейдет в режим ступенчатого регулятора напряжения. Кнопка SB1 "Пуск" служит для пуска ИБП в отсутствие нормального напряжения в сети. После нажатия на эту кнопку на все узлы ИБП непосредственно от аккумуляторной батареи GB1 или через стабилизатор А2 поступает напряжение питания. Если напряжение аккумуляторной батареи выше 12,2 В, узел A3 через замкнутые контакты выключателя SA1 включит реле К1. Теперь кнопку SB1 можно отпустить. Выключив SA1 можно запретить работу ИБП при неисправной сети. Так поступают, если в резервном питании нет необходимости, например, когда все нагрузки отключены, а сам ИБП остается включенным в сеть, периодически подзаряжая аккумуляторную батарею.

При исправной сети через излучающий диод оптотиристора U1 протекает ток и на розетку XS1 поступает напряжение. Работа инвертора заблокирована низким уровнем сигнала РАЗРЕШЕНИЕ, сформированным в узле автоматики А4. Если напряжение в сети ниже 195 В, по сигналу узла А1 срабатывает реле К2 и трансформатор Т2 превращается в автотрансформатор, повышающий напряжение на нагрузке в 1,2 раза. В результате оно остается равным 220 В +10 %.

После выхода напряжения в сети за допустимые пределы нельзя включать инвертор ИБП, не дождавшись закрывания тиристора U1, которое произойдет не ранее, чем упадет почти до нуля ток, обусловленный энергией, накопленной в индуктивностях трансформатора 2 и нагрузки. Указанное обстоятельство делает невозможной обычную синхронизацию задающего генератора инвертора с напряжением в сети и вынуждает выбирать момент смены режима работы ИБП с учетом остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора Т2 (магнитопроводы индуктивных элементов нагрузки находятся в аналогичных условиях).

Об организации процесса переключения будет подробно рассказано в разделе, посвященном работе узла автоматики А4.

Узел контроля напряжения в сети (А1) собран по схеме, изображенной на рис. 2. Напряжение, пропорциональное сетевому, поступает с обмотки II трансформатора Т (см. рис. 1) на выпрямительный мост VD19 и далее, превратившись в пульсирующее, на три идентичных компаратора, собранных на КМОП микросхемах DD1—DD3. Результат обработки выходных сигналов компараторов на микросхемах DD1 и DD2 — логический уровень на выходе параллельно соединенных элементов DD2.5, DD2.6. Высокий свидетельствует о том, что сетевое напряжение находится а пределах 165...242 В, низкий — вышло за них. В последнем случае конденсатор С24 быстро разряжается через диод VD29 и логический уровень на выходе триггера Шмитта из элементов DD4.1—DD4.3 становится низким, сообщая всем узлам ИБП, что условие СЕТЬ ИСПРАВНА не выполняется.


После восстановления в сети нормального напряжения и высокого логического уровня на выходах элементов DD2.5, DD2.6 диод VD29 закрывается, конденсатор С24 начинает медленно заряжаться через резистор R42 В результате с задержкой примерно в 1 с будет установлен высокий уровень сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА. Задержка необходима, чтобы питание нагрузки ИБП от аккумуляторной батареи прекратилось лишь после окончания возможных переходных процессов в сети. Выходной сигнал элементов DD2.5, DD2.6 управляет также реле К1 (см. рис. 1) через ключ на транзисторе VT10.

Чтобы в режиме ожидания не разряжать аккумуляторную батарею, микросхемы DD1 и DD2 узла А1 питаются непосредственно от сети через трансформатор Т1, диодный мост VD19, диод VD18 и стабилизатор на элементах R19, VD20.

Порог срабатывания компаратора на микросхеме DD3 соответствует напряжению в сети 195 В. Если оно меньше, элемент DD5.1 замыкает цепь питания обмотки реле К2 и оно переключает обмотки трансформатора Т2 (см. рис. 1). Чтобы это происходило только при исправной сети, на один из входов элемента DD5.1 подан сигнал СЕТЬ ИСПРАВНА с выходов элементов DD4.2, DD4.3.

Говоря о напряжении в сети, обычно имеют в виду его эффективное (действующее) значение, прямое измерение которого затруднительно. Форма переменного напряжения в сети достаточно близка к синусоидальной (коэффициент гармоник обычно не превышает 6 %), его амплитуда Um и действующее значение Uэфф, связаны между собой соотношением Uэфф=0,707Um. Поэтому достаточно следить за амплитудой. Сложность состоит в том, что синусоида достигает амплитудного значения кратковременно, а выходной сигнал компаратора должен быть непрерывным.

Так как все три компаратора идентичны, разберем работу одного из них — на микросхеме DD1. Как только мгновенное значение напряжения превысит порог срабатывания триггера Шмитта на элементах DD1.1, DD1.2, он через диод VD24 разрядит конденсатор С20, что приведет к срабатыванию и второго триггера Шмитта на элементах DD1.3 и DD1.4. Однако, после уменьшения мгновенного значения напряжения до величины, меньшей порога отпускания первого триггера, второй останется сработавшим, пока конденсатор С20 не зарядится через резистор R32.

Номиналы этих элементов выбраны таким образом, что задержка отпускания второго триггера немного больше 10 мс — половины периода сетевого напряжения. Поэтому, пока амплитуда контролируемого напряжения выше порога, разрядка конденсатора С20 повторяется в каждом полупериоде и напряжение на нем не успевает достичь порога отпускания второго триггера. На выходе элемента DD1.4 сохраняется постоянный высокий уровень. Он сменится низким, если амплитуда входного напряжения уменьшилась и в очередном полупериоде конденсатор С20 успел зарядиться.

Характеристики цифровых микросхем серии К561, на которых собраны компараторы, достаточно стабильны . В температурном диапазоне +15...35 "С, свойственном жилым помещениям, установленные пороги изменяются не более чем на 0,6 %, что для ИБП вполне достаточно.

Стабилизатор напряжения +5 В (А2) предназначен для питания всех цифровых микросхем ИБП, за исключением DD1 и DD2. Его схема показана на рис. 3. Интегральный стабилизатор DA1 включен по стандартной схеме. Конденсаторы С27—С44 — блокировочные. Их устанавливают в непосредственной близости от выводов питания каждой из микросхем.

Узел контроля напряжения батареи (A3). Схема узла изображена на рис. 4. В качестве компараторов применены таймеры К1006ВИ1 (DA2 DA3). Резисторы R50—R58 задают их пороги срабатывания и отпускания. Конденсаторы С45 и С47 служат для подавления импульсных помех. Пока напряжение аккумулятора выше 10,8 В, открыт внутренний транзистор микросхемы DA2, коллектор которого соединен с выводом 7. Как только оно станет меньшим указанного, транзистор закроется и повторно откроется только после повышения напряжения батареи до 12,2 В.


Работа аналогичного компаратора на микросхеме DA3 разрешена только при высоком уровне поступающего на ее вход RS сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА. Выходной сигнал компаратора включает и выключает устройство подзарядки аккумуляторной батареи. Пороги срабатывания и отпускания равны соответственно 12,9 и 14,3 В.

Узел автоматики (А4). Чтобы после отключения сети инвертор ИБП включился в правильной фазе, необходимо знать направление остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора Т2. Как известно, напряжение на обмотке трансформатора пропорционально скорости изменения магнитной индукции в его магнитопроводе. Поэтому ее можно измерить косвенно, проинтегрировав напряжение. Эту операцию выполняет интегрирующая цепь R59C49C50C51 (рис. 5). Диоды VD31, VD32 защищают оксидные конденсаторы С50, С51 от напряжения неправильной полярности.


Когда пропорциональное индукции напряжение на выходе интегрирующей цепи положительно, транзистор VT11 открыт, триггер DD6.1 установлен в состояние, соответствующее лог. 1 на его выводе 5. В противном случае транзисторы VT12 и VT13 будут открыты, а состояние триггера — противоположное. Таким образом, логический уровень на выходе триггера однозначно связан с направлением магнитного потока в магнитопроводе трансформатора Т2. После отключения сети триггер DD6.1 остается в состоянии, соответствующем остаточной индукции.

Ключ на транзисторе VT14 формирует прямоугольные импульсы из сетевого напряжения, поступающего на его вход со вторичной обмотки трансформатора Т1 (см. рис. 1). Элемент DD7.1 сравнивает их фазу с фазой индукции. При совпадении высокий логический уровень на его выходе и такой же — сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА устанавливают триггер режима DD6.2 через элемент DD8.1 в состояние, соответствующее работе ИБП от сети. В результате низкий уровень сигнала РАЗРЕШЕНИЕ запрещает работу инвертора. Одновременно логические элементы DD8.3, DD11.1, DD12.1 и DD12.2 формируют сигналы, включающие оптотиристор U1 электронного выключателя, а при высоком уровне сигнала ЗАРЯДКА — также оптотиристоры U2 и U3 (см. рис. 1).
{mospagebreak}
Лог. 1 на выходе элемента DD7.2 появляется при совпадении фаз индукции и колебаний задающего генератора инвертора. Однако для переключения триггера DD6.2 и перехода ИБП в режим работы от аккумуляторной батареи этого недостаточно. Логический узел, в который входят диоды VD33 и VD34 с резистором R67, элементы DD4.4—DD4.6, DD8.2, гарантирует, что переключение произойдет только при низком уровне сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА, при высоком — НЕТ ТОКА и обязательно в момент выдачи задающим генератором инвертора очередного импульса.

При изменении уровня сигнала РЕЖИМ на выходе элемента DD7.3 образуются импульсы, разрешающие приблизительно на 1 с работу генератора на элементах микросхемы DD9. В результате пьезоизлучатель BQ1 подает звуковые сигналы, сообщающие о смене режима работы ИБП, причем в случае отключения сети сигнал звучит немного дольше, чем при ее восстановлении.

Драйвер инвертора (А5) построен по схеме, изображенной на рис. 6. Микросхема DA4 — задающий генератор. Схема ее включения — типовая для таймера К1006ВИ1, она подробно описана в . При низком уровне сигнала РЕЖИМ частота повторения генерируемых импульсов равна 100 Гц. В противном случае параллельно времязадающим резисторам R76 и R77 генератора через открытый диод VD35 подключен сравнительно низкоомный резистор R75 и частота повышена приблизительно до 2500 Гц. Следовательно, нужная в момент перехода ИБП к питанию нагрузки от аккумуляторной батареи фаза колебаний задающего генератора наступит быстрее.

Как уже было сказано, действующее значение выходного напряжения инвертора стабилизировано с помощью ШИМ. Напряжение аккумуляторной батареи через стабилитрон VD38 и фильтр R84C56 питает времязадающую цепь одновибратора собранного на микросхеме DA5. В результате длительность импульсов, генерируемых им в ответ на каждый импульс задающего генератора, уменьшается с увеличением этого напряжения. Смещение, создаваемое стабилитроном VD38, приближает эту зависимость к требующейся для стабилизации действующего значения выходного напряжения, а резистор R82 увеличивает до необходимого значения ток, протекающий через стабилитрон.

Триггер DD13.2 делит частоту импульсов задающего генератора на два. В итоге импульсы одновибратора через логические элементы DD10.3, DD10.4. DD11.3, DD11.4 и ключи на транзисторах VT19, VT20 с частотой 50 Гц поочередно поступают на затворы силовых транзисторов VT3— VT5 и VT6—VT8 (см. рис. 1) и открывают их. В паузах между импульсами транзистор VT9 открыт, сигнал на его затвор подан через элементы DD8.4 и DD11.2 и транзисторный ключ VT18. Работа инвертора может быть заблокирована низким уровнем сигнала РАЗРЕШЕНИЕ. В этом состоянии отпирающие импульсы отсутствуют на затворах всех силовых транзисторов.

Узел токовой защиты силовых транзисторов состоит из диодов VD36, VD37, резисторов R79—R81, R83, транзистора VT17 и триггера DD13.1. При нормальной работе инвертора транзистор VT17 закрыт. Триггер DD13.1, благодаря импульсам задающего генератора, поступающим на его вход S, находится в состоянии, соответствующем высокому уровню на выходе. Напряжение в точке соединения анодов диодов VD36 и VD37 линейно связано с меньшим из напряжений на стоках транзисторов, к которым подключены их катоды (диод, соединенный с теми стоками, где напряжение больше, оказывается закрытым).

Меньшее напряжение — всегда на стоках открытых в данный момент транзисторов и пропорционально протекающему в их каналах току. Номиналы резисторов R79—R81 подобраны таким образом, чтобы при увеличении тока до 120 А напряжение на базе транзистора VT17 достигло порога его открывания. В результате низкий логический уровень с коллектора открывшегося транзистора поступит на вход R триггера DD13.1 и переключит его. Уровни на выходах триггера и элемента DD10.2 станут низкими. Этим будет оборван открывающий импульс на затворах силовых транзисторов, что приведет к их защитному отключению.

Закрытыми все транзисторы останутся только до очередного импульса задающего генератора, который поступит на вход S триггера DD13.1 в начале следующего полупериода. Длительность импульса — 200 мкс, и все это время уровень на выводе 5 триггера будет высоким независимо от состояния входа R. Достигаемая таким образом кратковременная блокировка токовой защиты позволяет ИБП устойчиво работать на нагрузки емкостного характера (например, бестрансформаторные блоки питания электронной аппаратуры), но исключает повреждения, вызванные коротким замыканием нагрузки.

Узел контроля тока (А6), схема которого показана на рис. 7, поддерживает на своем выходе низкий уровень сигнала НЕТ ТОКА, пока мгновенное значение протекающего через электронный выключатель тока не снизится до величины, достаточной для закрывания оптотиристора U1 (см. рис. 1). Датчиком служит резистор R11, включенный последовательно с U1 Диод VD11 необходим для ограничения излишнего падения напряжения на резисторе при рабочих значениях тока. Оптрон U4 изолирует выходную цепь узла от остальных его цепей, находящихся под сетевым напряжением. Пока через резистор R11 течет ток, будут открыты транзистор VT21 и фототранзистор оптрона U4, излучающий диод которого включен в коллекторную цепь транзистора VT21.



Для питания узла служит специально предусмотренная обмотка VI трансформатора Т2 напряжение которой выпрямляет диодный мост VD40 и стабилизирует цепь R99VD41. Основная функция конденсатора С59 — сглаживать пульсации выпрямленного напряжения. Однако запасенной в нем энергии достаточно для питания узла контроля тока при смене режима ИБП, когда напряжения в сети уже нет, а инвертор еще не работает.

Детали и конструкция. Большинство деталей, кроме силовых и крупногабаритных, размещено на общей печатной плате без деления на функциональные узлы. Выключатели SA1, SA2, кнопка SB1, светодиоды HL1—HL4, розетка XS1 находятся на передней, а клеммы для подключения аккумуляторной батареи GB1 и держатели плавких вставок FU1, FU2 — на задней или боковых панелях ИБП.

Тепловыделяющие элементы установлены на шести теплоотводах из алюминиевого листа толщиной не менее 3 мм. Ниже перечислены детали, находящиеся на каждом из них, в скобках — размеры теплоотвода в миллиметрах: VT3—VT5 (150x50); VT6—VT8 (150x50); VT9, VD12—VD15 (150x50); U2, VD16 (150x80); U3. VD17 (150x80); DA1 (30x30).

В качестве VT3—VT9 вместо указанных на схеме транзисторов IRFZ44 подойдут КП723А или другие структуры MOSFET с индуцированным п каналом максимальным током стока не менее 40 А, максимальным напряжением сток-исток не менее 55 В и сопротивлением открытого канала не более 0,025 Ом. Остальные транзисторы можно заменять любыми маломощными биполярными соответствующей структуры.

Конденсаторы С2, С4—С6 — пленочные К73-17, остальные (за исключением оксидных) — любые керамические, например, КМ-5, КМ-6 или К10-17. Оксидные конденсаторы — К50-ЗБ, К50-6, К50-16. Особого внимания требуют конденсаторы С7—С14. Через них протекает переменный ток приблизительно 5,5 А. Расчет показывает, что при этом внутренняя температура конденсаторов К50-6, имеющих указанные на рис. 1 рабочее напряжение и емкость, останется в допустимых пределах при температуре окружающего воздуха не более 50 С, что вполне приемлемо для прибора, эксплуатируемого в жилом помещении. Если таких конденсаторов не нашлось, вместо них следует установить большее число конденсаторов меньшей емкости, сохранив суммарную неизменной. Уменьшать число параллельно соединенных конденсаторов за счет увеличения емкости каждого в данном случае недопустимо. Нельзя применять и конденсаторы, рассчитанные на постоянное напряжение менее 50 В.

К трансформатору Т1 предъявляются особые требования. Его первичная обмотка, постоянно включенная в сеть, должна длительное время выдерживать повышенное вплоть до 380 В напряжение. По этой причине в изготовленном автором ИБП применен трансформатор 380/26 В от прибора, предназначенного для контроля наличия трехфазного напряжения. Если подобного найти не удастся, следует взять два одинаковых маломощных трансформатора 220/9 В (например, от сетевых блоков питания радиоприемников или игровых видеоприставок) и соединить их первичные и вторичные обмотки последовательно. Различие в коэффициенте трансформации легко учитывается при настройке компараторов узла А1. Данные для самостоятельного изготовления трансформатора Т1: магнитопровод — Ш12x16, обмотка I — 6910 витков провода ПЭВ-2 0,06. обмотка II — 473 витка провода ПЭВ-2 0,21..

Магнитопровод трансформатора Т2 — ленточный ШЛ32х50. Обмотки наматывают в порядке возрастания указанных на схеме (см. рис. 1) номеров. Обмотки I и III содержат по 24 витка медной шины сечением 10 мм. Обмотка II — 44 витка провода ПЭВ-2 1,62, IV — 446 витков провода ПЭВ-2 0,9, V — 90 витков провода ПЭВ-2 0,9, VI — 44 витка провода ПЭВ-2 0,38. Каждый намотанный слой уплотняют с помощью киянки и упора, затем пропитывают изоляционным лаком (в крайнем случае клеем БФ). Между обмотками III и IV, а также V и VI обязательно делают изолирующие прокладки. Готовую катушку сушат в термошкафу по технологии, соответствующей примененному пропиточному материалу.

Дроссель L1 намотан проводом ПЭВ-2 0,72 до заполнения полости броневого магнитопровода Б-36 из феррита 2000НМ. При сборке между ферритовыми чашками вставляют прокладку толщиной 0,5 мм из немагнитного материала (например, бумаги).

Реле К1 — РЭС15 паспорт РС4.591.004 или подобное ему на 12 В, К2 — импортное JZC-20F (4088) 10ADC12V с сопротивлением обмотки 400 Ом. Вместо него подойдут реле РП21, РПУ-2 с рабочим напряжением 12 В и контактами, рассчитанными на коммутацию переменного тока до 10 А при напряжении 220 В. BQ1 — пьезокерамический звукоизлучатель любого типа. В качестве плавкой вставки RJ1 можно применить отрезок медного провода диаметром 0,72 и длиной 15...20мм.

Налаживание ИБП. Для его проведения необходимы регулируемые источники постоянного (0...15 В, 1 А) и переменного (0...250 В, 1 А, 50 Гц) напряжения, осциллограф, амперметр постоянного тока на 10 А, вольтметры постоянного (0...15 В) и переменного (0...300В) напряжения. При работе с переменным током высокого напряжения следует соблюдать меры предосторожности.

Вольтметр переменного напряжения должен быть электромагнитной системы, например, щитовой Э377. Приборы других систем, в том числе обычные авометры при измерении импульсного напряжения, генерируемого инвертором, дают показания, совершенно не соответствующие действительности.

Налаживание начинают после сборки и проверки монтажа ИБП, не подключая к нему трансформатор Т2 и аккумуляторную батарею GB1. Вместо обмоток трансформатора между стоками транзисторов VT3—VT5, VT6—VT8 и цепью +12 В временно включают резисторы мощностью не менее 1 Вт (например, МЛТ-1) и сопротивлением 470... 1000 Ом. Аналогичный резистор устанавливают между этой цепью и стоком транзистора VT9. К ней же в обход контактов выключателя SA1 и реле К1 подключают регулируемый источник постоянного напряжения.

Прежде всего проверяют стабилизатор напряжения +5 В (DA1). Оно должно оставаться практически неизменным при регулировке напряжения источника в пределах 10...15 В. Затем, подключив осциллограф к выводу 3 микросхемы DA2, с помощью резистора R50 добиваются, чтобы при напряжении ниже 10,8 В низкий логический уровень здесь сменялся высоким. После этого устанавливают в цепи +12 В напряжение 12,6 В и подключают источник переменного напряжения к обмотке I трансформатора Т1, предварительно отключив ее от всех других цепей. Регулируя переменное напряжение в пределах 160...250 В, убеждаются в неизменности напряжения на стабилитроне VD20, которое должно оставаться равным приблизительно 5,6 В.

Подключив осциллограф к выводу 8 микросхемы DD1, с помощью резистора R15 добиваются, чтобы низкий уровень сменялся высоким при превышении переменным напряжением значения 242 В. Возможно, для этого потребуется подобрать номинал резистора R17. Переключение должно быть четким, без "дребезга", в противном случае установите резистор R31 немного большего номинала. Аналогичным образом регулируют компараторы на микросхемах DD2 и DD3, добиваясь их срабатывания при напряжениях соответственно 165 и 195 В. Вместе с компаратором на микросхеме DD3 должно срабатывать реле К2.

Далее устанавливают напряжение источника переменного тока равным 220 В и подключают осциллограф к выводу 3 микросхемы DA3. Вращая ось подстроечного резистора R55, добиваются, чтобы при повышении напряжения в цепи +12 В выше 14,3 В высокий логический уровень на этом выводе сменился низким. Одновременно должен погаснуть светодиод HL4. При напряжении на первичной обмотке трансформатора Т1 более 242 или менее 165 В должен гореть светодиод HL2, сигнализирующий, что ИБП находится в режиме питания нагрузки от аккумуляторной батареи.

Подключив осциллограф к выводу 3 микросхемы DA2, убеждаются в наличии здесь импульсов с частотой повторения приблизительно 2500 Гц. Снова установив переменное напряжение равным номинальному (220 В), убеждаются, что светодиод HL2 погас, а частота колебаний мультивибратора DA2 уменьшилась до 100 Гц. Ее можно установить точно, синхронизировав развертку осциллографа с сетью и добившись с помощью подстроечного резистора R76, чтобы осциллограмма импульсов на экране была неподвижна.

Осциллограммы напряжений на стоках транзисторов VT3—VT9 должны соответствовать показанным на рис. 8. Функционирование токовой защиты проверяют, удалив диоды VD36 и VD37. Отрицательные импульсы на стоках транзисторов VT3— VT5 и VT6—VT8 после этого должны стать очень узкими. По окончании проверки не забудьте установить диоды на место.

Первое включение ИБП рекомендуется производить, подключив к нему аккумуляторную батарею через амперметр и установив в качестве FU1 плавкую вставку с током срабатывания 5... 10 А. Не вставляя вилку ХР1 в сетевую розетку, устанавливают выключатель SA2 в положение "Вкл." и нажимают на кнопку SB1 "Пуск". Должны загореться светодиоды HL3 "Вкл." и HL2 "Аккумулятор". То, что инвертор ИБП заработал, можно определить по характерному звуку, издаваемому трансформатором Т2. Ток разрядки аккумулятора без нагрузки не должен превышать 0,4 А.

Подключив к розетке XS1 вольтметр, с помощью подстроечного резистора R86 добиваются, чтобы он показал 220 В. Более точно номинальное выходное напряжение инвертора можно установить, пользуясь лампой накаливания мощностью 50... 150 Вт. Поочередно подключая ее к розетке XS1 и к выходу регулируемого автотрансформатора с напряжением, равным 220 В, устанавливают ось резистора R86 в положение, при котором яркость свечения лампы одинакова в обоих случаях.

Затем вставляют вилку ХР1 в сетевую розетку. Через секунду после этого инвертор должен автоматически выключиться, а ИБП — перейти в режим ступенчатой регулировки сетевого напряжения. При смене режима гаснет светодиод HL2 "Аккумулятор", зажигается светодиод HL1 "Сеть" и раздается звуковой сигнал. Если напряжение аккумуляторной батареи менее 12,9 В, светодиод HL4 "Зарядка" должен зажечься, а амперметр — показать ток зарядки 4...6 А.

Если напряжение батареи окажется выше указанного, зарядное устройство не включится. Для его проверки батарею придется частично разрядить, подключив к розетке XS1 нагрузку мощностью не менее 50 Вт, отключив вилку ХР1 от сети и дав ИБП поработать в этом режиме, пока напряжение аккумуляторной батареи не снизится до 12 В После этого вновь вставив вилку ХР1 в розетку, убеждаются, что аккумуляторная батарея начала заряжаться. Когда ее напряжение возрастет до 14,3 В, зарядка автоматически прекратится. Закончив все проверки, устанавливают в ИБП плавкую вставку FU1 на ток 50 А и приступают к его полноценной эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Евсеев А. Автоматическое зарядное устройство для аккумуляторных батарей: Сб.: "В помощь радиолюбителю", вып. 83, с. 12-17. - М.: ДОСААФ. 1983.
2. Найвельт Г. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. — М.:Радио и связь, 1986.
3. Ануфриев Ю Гусев В., Смирнов В. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов. — М.: Энергия, 1976.
4. Зельдин Е. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. — Л.: Энергоатомизда, 1986.
5. Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555. — М.: Мир. 1988.
6. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1989.
В. ВОЛОДИН, г. Одесса, Украина
Радио 5-6 2001

Удивляет полное отсутствие информации о таких распространенных приборах, как источники бесперебойного питания. Мы прорываем информационную блокаду и приступаем к публикации материалов по их устройству и ремонту. Из статьи Вы получите общее представление о существующих типах бесперебойников и более подробное, на уровне принципиальной схемы, - о наиболее распространенных моделях Smart-UPS.

Надежность работы компьютеров во многом определяется качеством электрической сети. Последствиями таких перебоев электропитания, как скачки, подъемы, спады и потеря напряжения, могут оказаться блокировка клавиатуры, потеря данных, повреждение системной платы и пр. Для защиты дорогостоящих компьютеров от неприятностей, связанных с силовой сетью, используют источники бесперебойного питания (ИБП). ИБП позволяет избавиться от проблем, связанных с плохим качеством электропитания или его временным отсутствием, но не является долговременным альтернативным источником электропитания, как генератор.

По данным экспертно-аналитического центра «СК ПРЕСС», в 2000 г. объем продаж ИБП на российском рынке составил 582 тыс. шт. Если сравнить эти оценки с данными о продажах компьютеров (1,78 млн. штук), то получается, что в 2000 г. каждый третий приобретенный компьютер оснащается индивидуальным ИБП.

Подавляющую часть российского рынка ИБП занимает продукция шести компаний: APC, Chloride, Invensys, IMV, Liebert, Powercom. Продукция компании APC уже который год сохраняет лидирующую позицию на российском рынке ИБП.

ИБП делятся на три основных класса: Off-line (или stand-by), Line-interactive и On-line. Эти устройства имеют различные конструкции и характеристики.

Рис. 1. Блок-схема ИБП класса Off-line

Блок-схема ИБП класса Off-line приведена на рис. 1. При работе в нормальном режиме нагрузка питается отфильтрованным напряжением электросети. Для подавления электромагнитных и радиочастотных помех во входных цепях используются фильтры EMI/RFI Noise на металло-оксидных варисторах. Если входное напряжение становится ниже или выше установленной величины или вообще исчезает, то включается инвертор, который в нормальном режиме находится в отключенном состоянии. Преобразуя постоянное напряжение батарей в переменное, инвертор осуществляет питание нагрузки от батарей. Форма его выходного напряжения - прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности с амплитудой 300 В и частотой 50 Гц. ИБП класса Off-line неэкономично работают в электросетях с частыми и значительными отклонениями напряжения от номинальной величины, поскольку частый переход на работу от батарей уменьшает срок службы последних. Мощность выпускаемых фирмой АРС ИБП класса Off-line модели Back-UPS находится в диапазоне 250...1250 ВА, а модели Back-UPS Pro -в диапазоне 2S0...1400 ВА.

Рис. 2. Блок-схема ИБП класса Line-interactive

Блок-схема ИБП класса Line-interactive приведена на рис. 2. Так же, как и ИБП класса Off-line, они ретранслируют переменное напряжение электросети в нагрузку, поглощая при этом относительно небольшие всплески напряжения и сглаживая помехи. Входные цепи используют фильтр EMI/RFI Noise на металло-оксидных варисторах для подавления электромагнитных и радиочастотных помех. Если в электросети произошла авария, то ИБП синхронно, без потери фазы колебания, включает инвертор для питания нагрузки от батарей, при этом синусоидальная форма выходного напряжения достигается фильтрацией ШИМ-колебания. Схема использует специальный инвертор для подзарядки батареи, который работает и во время скачков сетевого напряжения. Диапазон работы без подключения батареи расширен за счет использования во входных цепях ИБП автотрансформатора с переключаемой обмоткой. Переход на питание от батареи происходит, когда напряжение электросети выходит за границы диапазона. Мощность выпускаемых фирмой АРС ИБП класса Line-interactive модели Smart-UPS составляет 250...5000 ВА.

Рис. 3. Блок-схема ИБП класса On-line

Блок-схема ИБП класса On-line приведена на рис. 3. Эти ИБП преобразуют переменное входное напряжение в постоянное, которое затем с помощью ШИМ-инвертора преобразуется снова в переменное со стабильными параметрами. Поскольку нагрузку всегда питает инвертор, то нет необходимости в переключении с внешней сети на инвертор, и время переключения равно нулю. За счет инерционного звена постоянного тока, каким является батарея, происходит изоляция нагрузки от аномалий сети и формируется очень стабильное выходное напряжение. Даже при больших отклонениях входного напряжения ИБП продолжает питать нагрузку чистым синусоидальным напряжением с отклонением не более +5% от устанавливаемого пользователем номинального значения. ИБП класса On-line фирмы АРС имеют следующие выходные мощности: модели Matrix UPS - 3000 и 5000 ВА, модели Symmetra Power Array - 8000, 12000 и 16000 ВА.

Модели Back-UPS не используют микропроцессор, а в моделях Back-UPS Pro, Smart-UPS, Smart/VS, Matrix и Symmetna микропроцессор используется.

Наибольшее распространение получили устройства: Back-UPS, Back-UPS pro, Smart-UPS, Smart-UPS/VS.

Такие устройства, как Matrix и Symmetna, используются в основном для банковских систем.

В этой статье рассмотрим конструкцию и схему моделей Smart-UPS 450VA...700VA, применяемых для питания персональных компьютеров (ПК) и серверов. Их технические характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики моделей Smart-UPS фирмы АРС

Модель 450VA 620VA 700VA 1400VA
Допустимое входное напряжение, В 0...320
Входное напряжение при работе от сети *, В 165...283
Выходное напряжение *, В 208...253
Защита входной цепи от перегрузки Возвращаемый в исходное положение автоматический выключатель
Диапазон частоты при работе от сети, Гц 47...63
Время переключения на питание от батареи, мс 4
Максимальная мощность в нагрузке, ВА (Вт) 450(280) 620(390) 700(450) 1400(950)
Выходное напряжение при работе от батареи, В 230
Частота при работе от батареи, Гц 50 ± 0,1
Форма сигнала при работе от батареи Синусоида
Защита выходной цепи от перегрузки Защита от перегрузки и короткого замыкания, при перегрузке выключение с фиксацией
Тип батареи Свинцовая герметичная, необслуживаемая
Количество батарей х напряжение, В, 2 x 12 2 x 6 2 x 12 2 x 12
Емкость батарей, Ач 4,5 10 7 17
Срок службы батареи, лет 3...5
Время полного заряда, ч 2...5
Размеры ИБП (высота х ширина х длина), см 16,8x11,9x36,8 15,8x13,7x35,8 21,6х17х43,9
Масса нетто (брутто), кг 7,30(9,12) 10,53(12,34) 13,1(14,5) 24,1(26,1)

* Регулируется пользователем с помощью программного обеспечения PowerChute.

ИБП Smart-UPS 450VA...700VA и Smart-UPS 1000VA...1400VA имеют одинаковую электрическую схему и отличаются емкостью батарей, количеством выходных транзисторов в инверторе, мощностью силового трансформатора и габаритами.

Рассмотрим параметры, характеризующие качество электроэнергии, а также терминологию и обозначения.

Проблемы с электропитанием могут выражаться в виде:

  • полного отсутствия входного напряжения - blackout;
  • временного отсутствия или сильного падения напряжения, вызванного включением в сеть мощной нагрузки (электромотора, лифта и т.п.) - sag или brownout;
  • мгновенного и очень мощного повышения напряжения, как при ударе молнии - spike;
  • периодического повышения напряжения, длящегося доли секунды, вызванного, как правило, изменениями нагрузки в сети - surge.

    • В Росси провалы, пропадания и скачки напряжения как вверх, так и вниз составляют приблизительно 95% отклонений от нормы, остальное - шумы, импульсные помехи (иголки), высокочастотные выбросы.

    В качестве единиц измерения мощности используются Вольт-Амперы (ВА, VA) и Ватты (Вт, W). Они отличаются коэффициентом мощности PF (Power Factor):

    Коэффициент мощности для компьютерной техники равен 0,6...0,7. Число в обозначении моделей ИБП фирмы АРС означает максимальную мощность в ВА. Например, модель Smart-UPS 600VA имеет мощность 400 Вт, а модель 900VA - 630 Вт.

    Структурная схема моделей Smart-UPS и Smart-UPS/VS показана на рис. 4. Сетевое напряжение поступает на входной фильтр EM/RFI, служащий для подавления помех электросети. При номинальном напряжении электросети включены реле RY5, RY4, RY3 (контакты 1, 3), RY2 (контакты 1, 3), RY1, и входное напряжение проходит в нагрузку. Реле RY3 и RY2 используются для режима подстройки выходного напряжения BOOST/TRIM. К примеру, если напряжение сети увеличилось и вышло за допустимый предел, реле RY3 и RY2 подключают дополнительную обмотку W1 последовательно с основной W2. Образуется автотрансформатор с коэффициентом трансформации

    K = W2/(W2 + W1)

    меньше единицы, и выходное напряжение падает. В случае уменьшения сетевого напряжения дополнительная обмотка W1 реверсируется контактами реле RY3 и RY2. Коэффициент трансформации

    К = W2/(W2 - W1)

    становится больше единицы, и выходное напряжение повышается. Диапазон регулировки составляет ±12%, величина гистерезиса выбирается программой Power Chute.

    При пропадании напряжения на входе выключаются реле RY2...RY5, включается мощный ШИМ-инвертор, питающийся от батареи, и в нагрузку поступает синусоидальное напряжение 230 В, 50 Гц.

    Многозвенный фильтр подавления помех электросети состоит из варисторов MV1, МV3, MV4, дросселя L1, конденсаторов С14...С16 (рис. 5). Трансформатор СТ1 анализирует высокочастотные составляющие напряжения сети. Трансформатор СТ2 является датчиком тока нагрузки. Сигналы с этих датчиков, а также датчика температуры RTH1 поступают на аналого-цифровой преобразователь IC10 (ADC0838) (рис. 6).

    Трансформатор Т1 является датчиком входного напряжения. Команда на включение устройства (АС-ОК) подается с двухуровневого компаратора IC7 на базу Q6. Трансформатор Т2 - датчик выходного напряжения для режима Smart TRIM/BOOST. С выводов 23 и 24 процессора IC1 2 (рис. 6) сигналы BOOST и TRIM подаются на базы транзисторов Q43 и Q49 для переключения реле RY3 и RY2 соответственно.

    Сигнал синхронизации по фазе (PHAS-REF) с вывода 5 трансформатора Т1 поступает на базу транзистора Q41 и с его коллектора на вывод 14 процессора IC12 (рис. 6).

    В модели Smart-UPS используется микропроцессор IC12 (S87C654), который:

  • контролирует наличие напряжения в электросети. Если оно пропадает, то микропроцессор подключает мощный инвертор, работающий от батареи;
  • включает звуковой сигнал для уведомления пользователя о проблемах с электропитанием;
  • обеспечивает безопасное автоматическое закрытие операционной системы (Netware, Windows NT, OS/2, Scounix и Unix Ware, Windows 95/98), сохраняя данные через двунаправленный коммутационный порт при наличии установленной программы Power Chute plus;
  • автоматически корректирует падения (режим Smart Boost) и превышения (режим Smart Trim) напряжения электросети, доводя выходное напряжение до безопасного уровня без перехода на работу от батареи;
  • контролирует заряд батареи, тестирует ее реальной нагрузкой и защищает ее от перезаряда, обеспечивая непрерывную зарядку;
  • обеспечивает режим замены батарей без отключения питания;
  • проводит самотестирование (каждые две недели или по нажатию кнопки Power) и выдает предупреждение о необходимости замены батареи;
  • индицирует уровень подзарядки батареи, напряжения в сети, нагрузки ИБП (количество подключенного к ИБП оборудования), режим питания от батареи и необходимость ее замены.

    • В микросхеме памяти EEPROM IC13 хранятся заводские установки, а также калиброванные установки уровней сигналов частоты, выходного напряжения, границ перехода, напряжения зарядки батареи.

    Цифро-аналоговый преобразователь IC15 (DAC-08CN) формирует на выводе 2 эталонный синусоидальный сигнал, который используется как опорный для IC17 (АРС2010).

    ШИМ-сигнал формируется IC14 (АРС2020) совместно с IC17. Мощные полевые транзисторы Q9...Q14, Q19...Q24 образуют мостовой инвертор. Во время положительной полуволны ШИМ-сигнала открыты Q12...Q14 и Q22...Q24, a Q19...Q21 и Q9...Q11 закрыты. Во время отрицательной полуволны открыты Q19...Q21 и Q9...Q11, a Q12...Q14 и Q22...Q24 закрыты. Транзисторы Q27...Q30, Q32, Q33, Q35, Q36 образуют двухтактные драйверы, формирующие сигналы управления мощными полевыми транзисторами, имеющими большую входную емкость. Нагрузкой инвертора является обмотка трансформатора, она подключается проводами W5 (желтый) и W6 (черный). На вторичной обмотке трансформатора формируется синусоидальное напряжение 230 В, 50 Гц для питания подключенного оборудования.

    Работа инвертора в «обратном» режиме используется для зарядки батареи пульсирующим током во время нормальной работы ИБП.

    ИБП имеет встроенный слот SNMP, который позволяет подключать дополнительные платы для расширения возможностей ИБП:

  • адаптер Power Net SNMP, поддерживающий прямое соединение с сервером на случай аварийного закрытия системы;
  • расширитель интерфейса ИБП, обеспечивающий управление до трех серверов;
  • устройство дистанционного управления Call-UPS, обеспечивающее удаленный доступ через модем.

    • В ИБП имеется несколько напряжений, необходимых для нормальной работы устройства: 24 В, 12 В, 5 В и -8 В. Для их проверки можно воспользоваться табл. 2. Измерять сопротивление с выводов микросхем на общий провод следует при выключенном ИБП и разряженном конденсаторе С22. Типовые неисправности ИБП Smart-Ups 450VA...700VA и способы их устранения приведены в табл. 3.

    Таблица 3. Типовые неисправности ИБП Smart-Ups 450VA...700VA

    Краткое описание дефекта Возможная причина Способ отыскания и устранения неисправности
    ИБП не включается Не подключены батареи Подключить батареи
    Плохая или неисправная батарея, мала ее емкость Заменить батарею. Емкость заряженной батареи можно проверить лампой дальнего света от автомобиля (12 В, 150 Вт)
    Пробиты мощные полевые транзисторы инвертора В этом случае на выводах батареи, подключенной к плате ИБП, нет напряжения. Проверить омметром и заменить транзисторы. Проверить резисторы в цепях их затворов. Заменить IC16
    Обрыв гибкого кабеля, соединяющего дисплей Эта неисправность может быть вызвана замыканием выводов гибкого кабеля на шасси ИБП. Заменить гибкий кабель, соединяющий дисплей с основной платой ИБП. Проверить исправность предохранителя F3 и транзистора Q5
    Продавлена кнопка включения Заменить кнопку SW2
    ИБП включается только от батареи Сгорел предохранитель F3 Заменить F3. Проверить исправность транзисторов Q5 и Q6
    ИБП не стартует. Светится индикатор замены батареи Если батарея исправна, то ИБП неверно отрабатывает программу Сделать калибровку напряжения батареи при помощи фирменной программы от АРС
    ИБП не включается в линию Оторван сетевой кабель или нарушен контакт Соединить сетевой кабель. Проверить омметром исправность пробки-автомата. Проверить соединение шнура «горячий-нейтраль»
    Холодная пайка элементов платы Проверить исправность и качество паек элементов L1, L2 и особенно Т1
    Неисправны варисторы Проверить или заменить варисторы MV1...MV4
    При включении ИБП происходит сброс нагрузки Неисправен датчик напряжения Т1 Заменить Т1. Проверить исправность элементов: D18...D20, С63 и С10
    Мигают индикаторы дисплея Уменьшилась емкость конденсатора С17 Заменить конденсатор С17
    Вероятна утечка конденсаторов Заменить С44 или С52
    Неисправны контакты реле или элементы платы Заменить реле. Заменить IC3 и D20. Диод D20 лучше заменить на 1N4937
    Перегрузка ИБП Мощность подключенного оборудования превышает номинальную Уменьшить нагрузку
    Неисправен трансформатор Т2 Заменить Т2
    Неисправен датчик тока СТ1 Заменить СТ1 . Сопротивление более 4 Ом указывает на неисправность датчика тока
    Неисправна IC15 Заменить IC15. Проверить напряжение -8 В и 5 В. Проверить и при необходимости заменить: IC12, IC8, IC17, IC14 и мощные полевые транзисторы инвертора. Проверить обмотки силового трансформатора
    Не заряжается батарея Неверно работает программа ИБП Откалибровать напряжение батареи фирменной программой от АРС. Проверить константы 4, 5, 6, 0. Константа 0 критична для каждой модели ИБП. Проверку константы делать после замены батареи
    Вышла из строя схема заряда батареи Заменить IC14. Проверить напряжение 8 В на выв. 9 IC14, если его нет, то заменить С88 или IC17
    Неисправна батарея Заменить батарею. Ее емкость можно проверить лампой дальнего света от автомобиля (12 В, 150 Вт)
    Неисправен микропроцессор IC12 Заменить IC12
    При включении ИБП не стартует, слышен щелчок Неисправна схема сброса Проверить исправность и заменить неисправные элементы: IC11, IC15, Q51...Q53, R115, С77
    Дефект индикаторов Неисправна схема индикации Проверить и заменить неисправные Q57...Q60 на плате индикаторов
    ИБП не работает в режиме On-line Дефект элементов платы Заменить Q56. Проверить исправность элементов: Q55, Q54, IC12. Неисправна IC13, или ее придется перепрограммировать. Программу можно взять с исправного ИБП
    При переходе на работу от батареи ИБп выключается и включается самопроизвольно Пробит транзистор Q3 Заменить транзистор Q3

    Во второй части статьи будет рассмотрено устройство ИБП класса On-line,

    УСТРОЙСТВО ИБП КЛАССА OFF-LINE

    К ИБП класса Off-line фирмы АРС относятся модели Back-UPS. ИБП этого класса отличаются низкой стоимостью и предназначены для защиты персональных компьютеров, рабочих станций, сетевого оборудования, торговых и кассовых терминалов. Мощность выпускаемых моделей Back-UPS от 250 до 1250 ВА. Основные технические данные наиболее распространенных моделей ИБП представлены в табл. 3.

    Таблица 3. Основные технические данные ИБп класса Back-UPS

    Модель BK250I BK400I BK600I
    Номинальное входное напряжение, В 220...240
    Номинальная частота сети, Гц 50
    Энергия поглощаемых выбросов, Дж 320
    Пиковый ток выбросов, А 6500
    Пропущенные в нормальном режиме значения выбросов напряжения по тесту IEEE 587 Cat. A 6kVA, % <1
    Напряжение переключения, В 166...196
    Выходное напряжение при работе от аккумуляторов, В 225 ± 5%
    Выходная частота при работе от аккумуляторов, Гц 50 ± 3%
    Максимальная мощность, ВА (Вт) 250(170) 400(250) 600(400)
    Коэффициент мощности 0,5. ..1,0
    Пик-фактор <5
    Номинальное время переключения, мс 5
    Количество аккумуляторов х напряжение, В 2x6 1x12 2x6
    Емкость аккумуляторов, Ач 4 7 10
    Время 90-% подзарядки после разрядки до 50%, час 6 7 10
    Акустический шум на расстоянии 91 см от устройства, дБ <40
    Время работы ИБП на полную мощность, мин >5
    Максимальные габариты (В х Ш х Г), мм 168x119x361
    Вес, кг 5,4 9,5 11,3

    Индекс «I» (International) в названиях моделей ИБп означает, что модели рассчитаны на входное напряжение 230 В, В устройствах установлены герметичные свинцовые необслуживаемые аккумуляторы со сроком службы 3...5 лет по стандарту Euro Bat. Все модели оснащены фильтрами-ограничителями, подавляющими скачки и высокочастотные помехи сетевого напряжения. Устройства подают соответствующие звуковые сигналы при пропадании входного напряжения, разрядке аккумуляторов и перегрузке. Пороговое значение напряжения сети, ниже которого ИБп переходит на работу от аккумуляторов, устанавливается переключателями на задней панели устройства. Модели BK400I и BK600I имеют интерфейсный порт, подключаемый к компьютеру или серверу для автоматического самостоятельного закрытия системы, тестовый переключатель и выключатель звукового сигнала.

    Структурная схема ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I показана на рис. 8. Сетевое напряжение поступает на входной многоступенчатый фильтр через прерыватель цепи. Прерыватель цепи выполнен в виде автоматического выключателя на задней панели ИБП. В случае значительной перегрузки он отключает устройство от сети, при этом контактный столбик выключателя выталкивается вверх. Чтобы включить ИБП после перегрузки, необходимо вернуть в исходное положение контактный столбик выключателя. Во входном фильтре-ограничителе электромагнитных и радиочастотных помех используются LC-звенья и металлооксидные варисторы. При работе в нормальном режиме контакты 3 и 5 реле RY1 замкнуты, и ИБП передает в нагрузку напряжение электросети, фильтруя высокочастотные помехи. Зарядный ток поступает непрерывно, пока в сети есть напряжение. Если входное напряжение падает ниже установленной величины или вообще исчезает, а также если оно сильно зашумлено, контакты 3 и 4 реле замыкаются, и ИБП переключается на работу от инвертора, который преобразует постоянное напряжение аккумуляторов в переменное. Время переключения составляет около 5 мс, что вполне приемлемо для современных импульсных блоков питания компьютеров. Форма сигнала на нагрузке - прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности с частотой 50 Гц, длительностью 5 мс, амплитудой 300 В, эффективным напряжением 225 В. На холостом ходу длительность импульсов сокращается, и эффективное выходное напряжение падает до 208 В. В отличие от моделей Smart-UPS, в Back-UPS нет микропроцессора, для управления устройством используются компараторы и логические микросхемы.

    Принципиальная схема ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I практически полностью приведена на рис. 9...11. Многозвенный фильтр подавления помех электросети состоит из варисторов MOV2, MOV5, дросселей L1 и L2, конденсаторов С38 и С40 (рис. 9). Трансформатор Т1 (рис. 10) является датчиком входного напряжения. Его выходное напряжение используется для зарядки аккумуляторов (в этой цепи используются D4...D8, IC1, R9...R11, С3 и VR1) и анализа сетевого напряжения.

    Если оно пропадает, то схема на элементах IC2...IC4 и IC7 подключает мощный инвертор, работающий от аккумулятора. Команда ACFAIL включения инвертора формируется микросхемами IC3 и IC4. Схема, состоящая из компаратора IC4 (выводы 6, 7, 1) и электронного ключа IC6 (выводы 10, 11, 12), разрешает работу инвертора сигналом лог. «1», поступающим на выводы 1 и 13 IC2.

    Делитель, состоящий из резисторов R55, R122, R1 23 и переключателя SW1 (выводы 2, 7 и 3, 6), расположенного на тыловой стороне ИБП, определяет напряжение сети, ниже которого ИБП переключается на батарейное питание. Заводская установка этого напряжения 196 В. В районах, характеризующихся частыми колебаниями напряжения сети, приводящими к частым переключениям ИБП на батарейное питание, пороговое напряжение должно быть установлено на более низкий уровень. Точная настройка порогового напряжения выполняется резистором VR2.

    Во время работы от батареи микросхема IC7 формирует импульсы возбуждения инвертора PUSHPL1 и PUSHPL2. В одном плече инвертора установлены мощные полевые транзисторы Q4...Q6 и Q36, в другом -Q1...Q3 и Q37. Своими коллекторами транзисторы нагружены на выходной трансформатор. На вторичной обмотке выходного трансформатора формируется импульсное напряжение с эффективным значением 225 В и частотой 50 Гц, которое используется для питания подключенного к ИБП оборудования. Длительность импульсов регулируется переменным резистором VR3, а частота - резистором VR4 (рис. 10). Включение и выключение инвертора синхронизируется с напряжением сети схемой на элементах IC3 (выводы 3...6), IC6 (выводы 3...5, 6, 8, 9) и IC5 (выводы 1...3 и 11...13). Схема на элементах SW1 (выводы 1 и 8), IC5 (выводы 4...В и 8...10), IC2 (выводы 8...10), IC3 (выводы 1 и 2), IC10 (выводы 12 и 13), D30, D31, D18, Q9, BZ1 (рис. 11) включает звуковой сигнал, предупреждающий пользователя о проблемах с электропитанием. Во время работы от батареи ИБП каждые 5 с издает одиночный звуковой сигнал, указывающий на необходимость сохранения файлов пользователя, т.к. емкость аккумуляторов ограничена. При работе от батареи ИБП осуществляет контроль за ее емкостью и за определенное время до ее разряда подает непрерывный звуковой сигнал. Если выводы 4 и 5 переключателя SW1 разомкнуты, то это время составляет 2 минуты, если замкнуты - 5 минут. Для отключения звукового сигнала надо замкнуть выводы 1 и 8 переключателя SW1.

    Все модели Back-UPS, за исключением BK250I, имеют двунаправленный коммуникационный порт для связи с ПК. Программное обеспечение Power Chute Plus позволяет компьютеру осуществлять как текущий контроль ИБП, так и безопасное автоматическое закрытие операционной системы (Novell, Netware, Windows NT, IBM OS/2, Lan Server, Scounix и UnixWare, Windows 95/98), сохраняя файлы пользователя. На рис. 11 этот порт обозначен как J14. Назначение его выводов: 1 - UPS SHUTDOWN. ИБП выключается, если на этом выводе появляется лог. «1» в течение 0,5 с.
    2 - AC FAIL. При переходе на питание от батарей ИБП генерирует на этом выводе лог. «1».
    3 - СС AC FAIL. При переходе на питание от батарей ИБП формирует на этом выводе лог. «0». Выход с открытым коллектором.
    4, 9 - DB-9 GROUND. Общий провод для ввода/вывода сигналов. Вывод имеет сопротивление 20 Ом относительно общего провода ИБП.
    5 - СС LOW BATTERY. В случае разряда батареи ИБП формирует на этом выводе лог. «0». Выход с открытым коллектором.
    6 - ОС AC FAIL При переходе на питание от батарей ИБП формирует на этом выводе лог. «1». Выход с открытым коллектором.
    7, 8 - не подключены.

    Выходы с открытым коллектором могут подключаться к ТТЛ-схемам. Их нагрузочная способность до 50 мА, 40 В. Если к ним нужно подключить реле, то обмотку следует зашунтировать диодом.

    Обычный «нуль-модемный» кабель для связи с этим портом не подходит, соответствующий интерфейсный кабель RS-232 с 9-штырьковым разъемом поставляется в комплекте с программным обеспечением.

    КАЛИБРОВКА И РЕМОНТ ИБП

    Установка частоты выходного напряжения

    Для установки частоты выходного напряжения подключить на выход ИБП осциллограф или частотомер. Включить ИБП в режим работы от батареи. Измеряя частоту на выходе ИБП, регулировкой резистора VR4 установить 50 ± 0,6 Гц.

    Установка значения выходного напряжения

    Включить ИБП в режим работы от батареи без нагрузки. Подключить на выход ИБП вольтметр для измерения эффективного значения напряжения. Регулировкой резистора VR3 установить напряжение на выходе ИБП 208 ± 2 В.

    Установка порогового напряжения

    Переключатели 2 и 3, расположенные на тыловой стороне ИБП, установить в положение OFF. Подключить ИБП к трансформатору типа ЛАТР с плавной регулировкой выходного напряжения. На выходе ЛАТРа установить напряжение 196 В. Повернуть резистор VR2 против часовой стрелки до упора, затем медленно поворачивать резистор VR2 по часовой стрелке до тех пор, пока ИБП не перейдет на батарейное питание.

    Установка напряжения заряда

    Установить на входе ИБП напряжение 230 В. Отсоединить красный провод, идущий к положительному выводу аккумулятора. Используя цифровой вольтметр, регулировкой резистора VR1 установить на этом проводе напряжение 13,76 ± 0,2 В относительно общей точки схемы, затем восстановить соединение с аккумулятором.

    Типовые неисправности

    Типовые неисправности и методы их устранения приведены в табл. 4, а в табл. 5 - аналоги наиболее часто выходящих из строя компонентов.

    Таблица 4. Типовые неисправности ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I

    Проявление дефекта Возможная причина Метод отыскания и устранения дефекта
    Запах дыма, ИБП не работает Неисправен входной фильтр Проверить исправность компонентов MOV2, MOV5, L1, L2, С38, С40, а также проводники платы, соединяющие их
    ИБП не включается. Индикатор не светится Отключен автомат защиты на входе (прерыватель цепи) ИБП Уменьшить нагрузку ИБП, отключив часть аппаратуры, и затем включить автомат защиты, нажав контактный столбик автомата защиты
    Неисправны батареи аккумуляторов Заменить аккумуляторы
    Неправильно подключены аккумуляторы Проверить правильность подключения аккумуляторных батарей
    Неисправен инвертор Проверить исправность инвертора. Для этого отключить ИБП от сети переменного тока, отсоединить аккумуляторы и разрядить емкость С3 резистором 100 Ом, прозвонить омметром каналы «сток-исток» мощных полевых транзисторов Q1...Q6, Q37, Q36. Если сопротивление составляет несколько Ом или меньше, то транзисторы заменить. Проверить резисторы в затворах R1 ...R3, R6...R8, R147, R148. Проверить исправность транзисторов Q30, Q31 и диодов D36...D38 и D41. Проверить предохранители F1 и F2
    Заменить микросхему IC2
    При включении ИБП отключает нагрузку Неисправен трансформатор Т1 Проверить исправность обмоток трансформатора Т1. Проверить дорожки на плате, соединяющие обмотки Т1. Проверить предохранитель F3
    ИБП работает от аккумуляторов несмотря на то, что есть напряжение в сети Напряжение в электросети очень низкое или искажено Проверить входное напряжение с помощью индикатора или измерительного прибора. Если это допустимо для нагрузки, уменьшить чувствительность ИБП, т.е. изменить границу срабатывания при помощи переключателей, расположенных на задней стенке устройства
    ИБП включается, но напряжение в нагрузку не поступает Неисправно реле RY1 Проверить исправность реле RY1 и транзистора Q10 (BUZ71). Проверить исправность IC4 и IC3 и напряжение питания на их выводах
    Проверить дорожки на плате, соединяющие контакты реле
    ИБП жужжит и/или отключает нагрузку, не обеспечивая ожидаемого времени резервного электропитания Неисправен инвертор или один из его элементов См. подпункт «Неисправен инвертор»
    ИБП не обеспечивает ожидаемого времени резервного электропитания Аккумуляторные батареи разряжены или потеряли емкость Зарядите аккумуляторные батареи. Они требуют перезарядки после продолжительных отключений сетевого питания. Кроме того, батареи быстро стареют при частом использовании или при эксплуатации в условиях высокой температуры. Если приближается конец срока службы батарей, то целесообразно их заменить, даже если еще не подается тревожный звуковой сигнал замены аккумуляторных батарей. Емкость заряженной батареи проверить автомобильной лампой дальнего света 12 В, 150 Вт
    ИБП перегружен Уменьшить количество потребителей на выходе ИБП
    После замены аккумуляторов ИБП не включается Неправильное подключение аккумуляторных батарей при их замене Проверьте правильность подключения аккумуляторных батарей
    При включении ИБП издает громкий тональный сигнал, иногда с понижающимся тоном Неисправны или сильно разряжены аккумуляторные батареи Зарядить аккумуляторные батареи в течение не менее четырех часов. Если после перезарядки проблема не исчезнет, следует заменить аккумуляторные батареи
    Аккумуляторные батареи не заряжаются Неисправен диод D8 Проверить исправность D8. Его обратный ток не должен превышать 10 мкА
    Напряжение заряда ниже необходимого уровня Откалибровать напряжение заряда аккумулятора

    Таблица 5. Аналоги для замены неисправных компонентов

    Схемное обозначение Неисправный компонент Возможная замена
    IC1 LM317T LM117H, LM117K
    IC2 CD4001 К561ЛЕ5
    IC3, IC10 74С14 Составляется из двух микросхем К561ТЛ1, выводы которых соединить согласно цоколевке на микросхему
    IC4 LM339 К1401СА1
    IC5 CD4011 К561ЛА7
    IC6 CD4066 К561КТ3
    D4...D8, D47, D25...D28 1N4005 1N4006, 1N4007, BY126, BY127, BY133, BY134, 1N5618... 1N5622, 1N4937
    Q10 BUZ71 BUZ10, 2SK673, 2SK971, BUK442...BUK450, BUK543...BUK550
    Q22 IRF743 IRF742, MTP10N35, MTP10N40, 2SK554, 2SK555
    Q8, Q21, Q35, Q31, Q12, Q9, Q27, Q28, Q32, Q33 PN2222 2N2222, BS540, BS541, BSW61...BSW 64, 2N4014
    Q11, Q29, Q25, Q26, Q24 PN2907 2N2907, 2N4026...2N4029
    Q1...Q6, Q36, Q37 IRFZ42 BUZ11, BUZ12, PRFZ42

    Геннадий Яблонин
    "Ремонт электронной техники"

    Для начала рассмотрим методы построения источников бесперебойного питания. Существует несколько способов построения ИБП.

    ИБП с двойным преобразованием энергии (англ. - Double conversion UPS). Основная идея этой схемы действительно очень проста. Компьютер питается от сети переменного тока. Значит на выходе ИБП должен выдавать переменный ток. И на входе ИБП тоже должен потреблять переменный ток, поскольку он питается от той же электрической сети. Но внутри ИБП должно быть постоянное напряжение, потому что оно необходимо для питания аккумуляторной батареи.

    Рисунок 1.1 - ИБП с двойным преобразованием энергии.

    Таким образом получаем нашу первую схему источника бесперебойного питания. Вся мощность, потребляемая ИБП от сети, сначала преобразуется из переменного тока в постоянный с помощью выпрямителя. После этого в действие вступает преобразователь постоянного тока в переменный - инвертор, обеспечивающий на выходе ИБП необходимое переменное напряжение.

    Аккумуляторная батарея находится в цепи постоянного тока, между выпрямителем и инвертором. Если в сети нормальное напряжение, выходного тока выпрямителя хватает для работы инвертора и для подзаряда батареи.

    Когда напряжение в сети становится таким маленьким, что выпрямитель уже не может обеспечить полноценную работу инвертора, аккумуляторная батарея заменяет выпрямитель и питает инвертор требующимся ему постоянным током. Инвертор, в свою очередь, продолжает, как ни в чем ни бывало, подавать напряжение к компьютеру.

    Но замена выпрямителя батареей не совсем полноценна: батарея может питать инвертор только ограниченное время, которое зависит от накопленного ею заряда и мощности нагрузки. Как правило, это время исчисляется минутами или десятками минут.

    Данная схема ИБП традиционно называется схемой с двойным преобразованием энергии. Эта схема называется еще схемой on-line. Современные ИБП с двойным преобразованием энергии построены намного сложнее приведенной схемы.

    ИБП с переключением (англ. - standby UPS или off-line UPS). Попытаемся использовать приятные моменты, когда напряжение в электрической сети "нормальное" (не разбираясь сейчас, что это значит). В это время компьютер можно напрямую питать от электрической сети, не теряя энергию на два не нужных сейчас преобразования. А инвертор мы запустим в момент сбоя электрической сети (когда напряжение перестанет быть "нормальным"), и он будет работать от батареи.

    Рисунок 1.2 - ИБП с переключением

    Когда в сети нормальное напряжение, компьютер (или другая нагрузка ИБП) работает непосредственно от сети. В это время маломощный выпрямитель подзаряжает батарею ИБП. Если напряжение становится "ненормальным" или совсем исчезает, показанный на схеме переключатель срабатывает, включается инвертор, и ИБП начинает питать нагрузку от своей батареи.

    ИБП с переключением имеет высокий КПД, поскольку при нормальной работе потребляет только энергию, необходимую для питания своей схемы и, если батарея разряжена, то для ее подзаряда.

    Может быть самым серьезным из недостатков является то, что при переключении ИБП с режима работы от батареи на режим работы от сети, на выходе ИБП могут возникать скачки напряжения. При неблагоприятной фазе напряжения в момент переключения блок питания компьютера не сможет их погасить. В этом случае на чувствительных электронных компонентах компьютера возникают импульсные напряжения. Сами по себе они не опасны, но в сочетании с другими помехами в принципе могут быть причиной сбоя при работе компьютера.

    У скачкообразного изменения напряжения несколько причин.

    Во время работы от батареи, напряжение на выходе ИБП с переключением несинусоидальное (оно имеет вид чередующихся прямоугольным импульсов с паузами).

    Во время переключения (которое занимает от 2 до 20 миллисекунд для разных моделей ИБП) на выходе ИБП отсутствует напряжение. Следовательно, имеется небольшой разрыв в напряжении, питающем компьютер.

    Почти единственная функция ИБП с переключением - поддержание работы компьютера, когда в сети нет напряжения. Но он не может эффективно взаимодействовать с электрической сетью и следить за отсутствием искажений сетевого напряжения, а также регулировать напряжение, когда оно становится слишком маленьким или чересчур большим.

    Упрощенная блок-схема ИБП, взаимодействующего с сетью, представлена на рисунке 1.3.

    Если разобраться, она очень похожа на предшествующую схему. Инвертор этого ИБП постоянно подключен к нагрузке. Кроме того, в данной схеме появился автотрансформатор. У этого автотрансформатора есть дополнительные отводы, к которым может быть подключена нагрузка при работе ИБП от сети. В результате напряжение на выходе ИБП иногда становится не таким, как на входе. С помощью автотрансформатора с отводами ИБП регулирует напряжение (увеличивает выходное напряжение, когда напряжение на входе мало и уменьшает напряжение на выходе, если входное напряжение слишком повысилось).

    Рисунок 1.3- ИБП, синхронизованный с сетью.

    Взаимодействующий с сетью ИБП постоянно следит за напряжением: его величиной и формой. Для этого управление ИБП, взаимодействующего с сетью, поручено микропроцессору. Обычно микропроцессор нагружают множеством дополнительных функций, не связанных непосредственно со слежением за сетью и управлением, и некоторые из этих ИБП становятся довольно "умными": Они могут регистрировать напряжение в электрической сети, следят за временем и частотой, запоминают свои аварийные сообщения, включаются по расписанию и т.д.

    Работает ИБП, взаимодействующий с сетью, примерно так же, как и ИБП с переключением. Когда в сети "нормальное" напряжение, он питает нагрузку от сети. Если напряжение отсутствует или искажено, то инвертор мгновенно начинает питать нагрузку, разряжая батарею, а входной переключатель ИБП размыкается.

    Если напряжение в сети есть, но заметно меньше (или больше) нормы, то взаимодействующий с сетью ИБП переключает отводы автотрансформатора и регулирует напряжение, не переключаясь на батарею.

    Как и ИБП с переключением, ИБП, взаимодействующий с сетью, имеет высокий КПД и некоторые другие преимущества.

    Принципиальным, но не самым важным, недостатком этой схемы (как и ИБП с переключением) является разрыв электропитания в момент переключения на работу от батареи и обратно. Этот разрыв является следствием использования механических переключателей. Время их срабатывания довольно мало (несколько миллисекунд), но отлично от нуля.

    Феррорезонансный ИБП в какой-то степени является разновидностью ИБП, взаимодействующих с сетью. Тем не менее его обычно выделяют в отдельную группу ИБП. Дело в том, что в схему этого ИБП введен элемент, принципиально меняющий его работу, и давший название этому прибору.

    Это феррорезонансный трансформатор. Он включен в схему феррорезонансного ИБП вместо автотрансформатора с отводами в схеме ИБП, взаимодействующего с сетью.

    Он стабилизирует напряжение на выходе ИБП. Это позволяет работать в широком диапазоне сетевых напряжений без переключения на батарею. Нет никаких переключений и внутри самого ИБП (феррорезонансный трансформатор регулирует напряжение, не нуждаясь в переключении отводов).

    Рисунок 1.4 - Феррорезонансный ИБП.

    Исходя из анализа схем ИБП, можно сделать вывод о том, что в чистом виде нельзя применить ни одну из рассмотренных схем, т.к. требуемое входное напряжение на контроллере – постоянное 24 В. Следовательно, в ИБП можно будет отказаться от инвертора и подавать на контроллер сразу постоянное напряжение. Благодаря отказу от инвертора итоговый коэффициент полезного действия повысится.

    При проектировании ИБП в классическом виде, кпд системы был бы ниже, ввиду двух дополнительных преобразований:

    Из постоянного напряжения в переменное в ИБП;

    Из переменного в постоянное в блоке питания контроллера.

    Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

    В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

      полные отключения электричества на неопределенное время;

      апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

      всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

      накладки высокочастотных шумов;

      уходы частоты.

    Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

    Назначение и виды источников бесперебойного питания

    Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply») .

    Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

    Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

    Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

    Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать , систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

    В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

    Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

      встроенными в корпус устройства;

      внешними.

    Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

    АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

    Внешние конструкции ИБП , предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

    Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

      системный блок с подключенной клавиатурой;

      монитор, отображающий происходящие процессы.

    Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

    Варианты построения рабочих схем ИБП

    Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

      резервирования электропитания;

      интерактивной схемы;

      двойного преобразования электроэнергии.

    При первом методе резервной схемы , обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен , емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

    Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

    Преимущества UPS Standby

    Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

    Недостатки

    UPS Standby выделяются:

      долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

      искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

      отсутствием корректировки напряжения и частоты.

    Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

    ИБП интерактивной схемы

    Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

    Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

    Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

    Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

    Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

    В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

    ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с , где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

    ИБП двойного преобразования

    Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

    Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

    Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

      стадия заряда;

      состояние ожидания;

      разряд на работу компьютера.

    Период заряда

    Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

    Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

    Период готовности

    После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

    Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

    Период разряда

    АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

    У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

    UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

    Состав ИБП

    В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

      аккумуляторы для накопления электроэнергии;

      Обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

      инвертор для формирования синусоиды,

      схема управления процессами;

      программное обеспечение.

    Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

    В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

    Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

    В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.

    Источник бесперебойного питания. Характеристики устройства: прямое преобразование из постоянного 12-ти вольтового напряжения в переменное 220 В с частотой 50 Гц (). Максимальная мощность — 220 Вт. Обратное преобразование — используется для заряда аккумулятора. Зарядный ток около 6 А. Быстрое переключение из прямого преобразования в обратный режим.

    Схема источника бесперебойного питания представлена ниже

    На элементах VT3, VT4, R3…R6, С5, С6 собран тактовый генератор, который вырабатывает импульсы с частотой в среднем 50 Гц. Генератор, управляет работой транзисторов VT1, VT6. В коллекторную цепь этих транзисторов подключены обмотки IIa, IIб трансформатора Т1.

    В качестве выпрямителя в обратном режиме и для защиты транзисторов VT1, VT6 в прямом режиме используются диоды VD2, VD3. Сетевой фильтр выполнен на элементах С1, С2, L1, а на элементах VD1, СЗ, С4 фильтр тактового генератора.

    Работа источник бесперебойного питания:

    Прямое преобразование: Напряжение +12 В попеременно прикладывается к обмоткам IIа или IIб, а трансформатор Т1 преобразует его в напряжение 220 В/50 Гц. Это напряжение присутствует на розетке XS1, и к ней подключаются всевозможные потребители (лампы накаливания, телевизор и др.)

    Индикатором нормальной работы является свечение светодиодов VD4, VD5. Ток нагрузки может достигать 1 А, что соответствует мощности 220 Вт.

    Детали и конструкция

    Т1 — можно применить любой трансформатор, на выходе обеспечивающий два напряжения 10В с током нагрузки до 10 А. Катушка L1 изготовлена на ферритовом кольце К28х16х9 М2000НМ. Кольцо следует предварительно обмотать лакотканью, а затем намотать две обмотки по 10 витков провода диаметром 0,55…0,70 мм. Транзисторы VT1, VT6 и диоды VD2, VD3 следует установить на радиатор площадью не менее 200 см2. через слюдяные пластинки.

    Внимание! Так как элементы схемы находятся под напряжением электросети, то следует соблюдать меры электробезопасности при наладке прибора.



    Популярное в рубрике:
    Основные возможности Kaspersky Rescue Disk
    Основные возможности Kaspersky Rescue Disk
    читать
    Макбук не подключается к wifi Макбук не видит вай фай
    Макбук не подключается к wifi Макбук не видит вай фай
    читать
    Как заработать на WebMoney
    Как заработать на WebMoney
    читать
    "Супра", планшет: отзывы покупателей
    читать
    
    Последние Статьи
    Местонахождения судов в реальном времени
    читать
    Лучшие программы для Android Запись звонков от...
    читать
    Удаляем не читателей в Твиттере
    читать
    Подключаем интернет на ноутбуке: все возможные...
    читать
    Samsung Galaxy S IV – новый флагман...
    читать
    Как происходит управление скоростью вращения...
    читать
    Магнитный кабель USB TYPE-C с круглым...
    читать
    Как снять блокировку с телефона самсунг, если...
    читать
    Top