Из чего состоит ибп apc

Электропитание без перебоев

С увеличением зависимости бизнеса от ИТ и повышением требований информационных систем к электропитанию необходимость в системах бесперебойного питания становится все очевиднее.

Для защиты ИТ-оборудования от перебоев в электросети и некачественного электропитания широко применяются источники бесперебойного питания (Uninterruptible Power Supply, UPS) — ИБП. Это дополнительное оборудование, предназначенное для электропитания ИТ-систем или других устройств при кратковременном (до нескольких десятков минут) отключении основного электропитания, а также для защиты от помех и бросков в электросети и поддержания параметров питания в допустимых пределах. То есть ИБП также могут использоваться для улучшения качества электропитания.

По конструктивному исполнению ИБП можно разделить на настольные, напольные и стоечные (19″). Основное назначение любого ИБП — защита нагрузки от возможных проблем в цепях электропитания. По статистике, каждый ПК ежемесячно подвергается воздействию около 120 нештатных ситуаций, связанных с проблемами электропитания. В их числе:

Всплески напряжения	Повышения напряжения более чем на 10% в течение более 20 мс.
Высоковольтные броски питания	Кратковременные импульсы напряжением до 6000 В и длительностью до 10 мс.
Провалы питания	Кратковременное снижение напряжения до уровня менее 80-85% от номинального.
Высокочастотные помехи	Помехи электромагнитного или другого происхождения.
Выбег частоты	Уход частоты на величину более 3 Гц от номинала (50 Гц).
Подсадка напряжения	Падение напряжения в сети на длительное время.
Пропадание напряжения	Отсутствие напряжения в электросети в течение более 40 мс.

Таким образом, ИБП сглаживают небольшие и кpатковpеменные броски питания, фильтpуют питающее напpяжение, но их главная задача — питать нагpузку в течение некотоpого вpемени после пpопадания напpяжения в сети. Многие модели с помощью пpогpаммного обеспечения могут автоматически завершать работу ИТ-оборудования пpи пpодолжительном отсутствии напpяжения в питающей сети, а также пеpезапускать его пpи восстановлении сетевого питания или по таймеру. Некоторые ИБП предусматривают функции монитоpинга и записи параметров источника питания (таких как темпеpатуpа, уpовень заpяда батаpей и дpугие показатели), отобpажение параметров напpяжения и частоты тока, выходного напpяжения и мощности, пpедупpеждение об аварийных ситуациях и пр. При пропадании напряжения в электросети любые ИБП переключают нагрузку на питание от батареи, но есть важные отличия.

Батареи: альтернатива свинцово-кислотным аккумуляторам

Сегодня 95% всех источников бесперебойного питания производятся с использованием свинцово-кислотных батарей в качестве источника постоянного тока.

Тем временем некоторые вендоры уже объявили о начале перевода нескольких моделей устройств бесперебойного питания со свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные. Их начальная стоимость пока что выше свинцово-кислотных, однако за последние несколько лет разрыв в ценах существенно сократился.

По данным Schneider Electric, в зависимости от сферы применения литий-ионных аккумуляторов в общей стоимости владения в течение срока их службы можно добиться экономии в 10-40% по сравнению с традиционными аккумуляторами.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) накапливают гораздо больше энергии в меньшем объеме. Так, в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторами с клапанным регулированием (VRLA) равной мощности они занимают втрое меньше места. А благодаря длительному сроку службы существенно сокращаются объемы работ и расходов по их замене.

Между тем подавляющее большинство ИБП по-прежнему комплектуется свинцово-кислотными батареями, известными своей надежностью, высоким качеством и оптимальными ценовыми характеристиками.

Классы ИБП

По принципу действия ИБП делятся на три основных класса: резервные ИБП (off-line), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием (on-line). Тип ИБП определяется соотношением параметров на входе и выходе устройства. У первых частота и напряжение на выходе определяются частотой и напряжением на входе; вторые стабилизируют напряжение на выходе при совпадении частот, а ИБП с двойным преобразованием преобразуют переменное напряжение в постоянное и вновь генерируют на выходе переменное (синусоидальное) напряжение, характеристики которого не зависят от параметров на входе ИБП.

В резервных (или пассивных) ИБП нагрузка питается напрямую от электросети, как правило, через помехоподавляющий фильтр. При отказе электросети нагрузка переключается на резервное питание от инвертора, питающегося от батарей. Такие ИБП просты и недороги, имеют высокий КПД, но не стабилизируют напряжение и частоту электросети, а переключение на питание от батарей происходит за несколько миллисекунд. Их мощность обычно невелика — от 220 до 2000 ВА.

Резервные ИБП:

Достоинства	Недостатки
— Компактность, малый вес, экономичность, относительная дешевизна.	— Отсутствует стабилизация выходного напряжения;

— Неполная фильтрация сетевого напряжения от помех и выбросов; помехи, генерируемые нагрузкой пропускаются обратно в сеть;

— Скачкообразное изменение напряжения, частоты и формы выходного напряжения при переходе на питание от батареи (время переключения >5 мс);

Типовая область применения резервных ИБП — защита ПК или вспомогательного оборудования, где значимость хранимой информации или выполняемых операций сравнительно невелика. Эта топология не подходит в случае частых отключений или при некачественном электропитании.
Схема работы простейшего резервного ИБП показана ниже.

ИБП резервного типа: нормальный режим работы (rectifier — выпрямитель, inverter — инвертор, SPD — фильтр питания, bypass — байпас).

ИБП резервного типа: аварийный режим работы .

Для защиты более важного оборудования, например, серверов начального уровня, сетевого и телекоммуникационного оборудования, лучше использовать линейно-интерактивные ИБП. Они обеспечивают стабилизацию напряжения питания в заданном диапазоне и снижают влияние переходных процессов на работоспособность защищаемого оборудования.

Линейно-интерактивные ИБП поддерживают параметры питающего напряжения и синхронно переключают нагрузку на инвертор при его пропадании. В них инвертор включен параллельно электросети, он регулирует и стабилизирует выходное напряжение, одновременно заряжая батареи. Иногда ИБП дополняют автотрансформаторами, что позволяет расширить диапазон регулирования напряжения без перехода на батарею.

Преимущества данной технологии — стабилизация напряжения, меньшее время переключения на батареи и хорошо аппроксимированная синусоидальная форма напряжения на выходе ИБП. Существуют и более дешевые разновидности линейно-интерактивных ИБП со «ступенчатой» синусоидой.

Линейно-интерактивный ИБП: нормальная работа.

Линейно-интерактивный ИБП: аварийный режим.

Линейно-интерактивные ИБП:

Достоинства	Недостатки
— Компактность, экономичность;

— Ступенчатая стабилизация входного напряжения;

— Почти синусоидальная форма выходного напряжения;

— Отсутствие реальной изоляции нагрузки от сети распределения питания;

— Отсутствие регулировки и стабилизации входной частоты;

— Сравнительно слабая стабилизация выходного напряжения, особенно при переходных процессах или в случае пошагового изменения нагрузки;

Линейно-интерактивные ИБП можно использовать для защиты профессиональных рабочих станций, серверов среднего уровня, коммутаторов, маршрутизаторов и другого сетевого оборудования, но они не подходят для защиты сложного и дорогостоящего оборудования, чувствительного к электромагнитным помехам, колебаниям напряжения питания и нестабильности частоты питания, например, медицинского.

Линейно-интерактивные ИБП не годятся и для защиты непрерывных технологических процессов, а также для построения централизованных систем гарантированного электропитания, где важно обеспечить полную независимость электрических параметров на выходе ИБП от параметров на входе.

Разновидность линейно-интерактивных систем — ИБП с дельта-преобразованием напряжения. Благодаря усовершенствованной обратной связи напряжение на нагрузке у них регулируется плавно, а не ступенчато, обеспечивается стабилизация частоты выходного напряжения.

ИБП с дельта-преобразованием в штатном и автономном режимах.

Главное достоинство ИБП с дельта-преобразованием — высокий КПД. Однако достигается он, когда параметры напряжения сети соответствуют номинальным значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сам ИБП нагружен на полную мощность. В противном случае повышается нагрузка на основной и дельта-инвертор, или снижается эффективность использования входного трансформатора, что ухудшает КПД. К тому же эффекту приводит расширение диапазона входных напряжений для нормального режима работы. В итоге, имея преимущество по КПД (2-3%) в идеальных условиях, ИБП с дельта-преобразованием проигрывают линейно-интерактивным в условиях реальных.

ИБП с дельта-преобразованием:

Достоинства	Недостатки
— Высокий КПД (при идеальных параметрах входного напряжения);

— Меньшая степень защиты нагрузки в нормальном режиме работы от резких изменений входного напряжения вследствие инерционности схемы обратной связи;

— Отсутствие защиты нагрузки в нормальном режиме работы от отклонений частоты входного напряжения;

Линейно-интерактивный ИБП APC BR1000G дает на выходе не совсем чистую синусоиду, но такой аппроксимации достаточно для большинства устройств.

Самый технически совершенный класс источников бесперебойного питания — системы с двойным преобразованием — гарантируют выходные электрические характеристики, близкие к идеальным, как по напряжению, так и по частоте. За это приходится платить усложнением и удорожанием конструкции.

Системы с двойным преобразованием обеспечивают очень малое время переключения на работу от батарей и имеют высокие выходные электрические характеристики. Такие ИБП подходят для критически важных приложений, защиты мощных серверов и кластеров, телекоммуникационного оборудования и локальных сетей. Они имеют высокий КПД в режиме двойного преобразования (95-96%) и синусоидальную форму выходного напряжения.

На российском рынке присутствует более двух десятков моделей ИБП с двойным преобразованием. Примерно половина этих устройств предназначена для монтажа в стойку. Технология двойного преобразования позволяет гарантировать максимальную защиту от перебоев в электросети.

В таких ИБП входное переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем инвертором — обратно в переменное. Даже при больших отклонениях входного напряжения ИБП питает нагрузку чистым синусоидальным стабилизированным напряжением. Инвертор включен последовательно с основным источником электроснабжения и всегда находится во включенном состоянии. При пропадании входного напряжения он переходит на питание от батарей.

В обычном режиме при питании от сети электроэнергия поступает через выпрямитель и инвертор, одновременно подзаряжая батареи. В случае пропадания или сбоя питания на входе ИБП инвертер запитывается от аккумуляторных батарей. Переключение происходит без использования статического переключателя, поэтому переход на работу от батарей мгновенен. Статический ключ в данной схеме используется только для перехода на режим автоматического байпаса для питания нагрузки в случае существенного сбоя в работе ИБП.

ИБП с двойным преобразованием отличает надежная защита нагрузки по электропитанию.

ИБП с двойным преобразованием: аварийный режим, питание от батареи.

В ИБП с двойным преобразованием поддерживается точная регулировка напряжения и частоты на выходе ИБП, бесперебойно осуществляется переход в байпас. Ручной байпас можно использовать для обслуживания и «горячей» замены батарей и самого ИБП.

Такие ИБП отличают постоянная стабилизация напряжения и частоты, непрерывность фазы выходного напряжения, отсутствие влияние нагрузки на сеть, полная фильтрация питания. Но есть и отрицательные стороны — сложность конструкции и высокая цена, относительно невысокий КПД. Диапазон мощностей выпускаемых устройств очень широк — от 600 ВА до нескольких сотен кВА.

ИБП с двойным преобразованием:

Достоинства	Недостатки
— Максимальная фильтрация сетевого напряжения от помех и выбросов; помехи, генерируемые нагрузкой, не пропускаются обратно в сеть;

— Питание нагрузки «чистым» синусоидальным электропитанием, стабилизированным по величине, частоте и форме напряжения, при работе от сети и от батарей;

— Дополнительные энергозатраты на двойное преобразование напряжения, снижающие КПД;

Краткое сравнение ИБП разных классов

	Резервные	Линейно-интерактивные	С двойным преобразованием
Мощность ИБП	менее 1,5 кВА	менее 4 кВА	не ограничена
Режим работы от сети
Стабилизация напряжения	нет	ступенчатая	полная
Стабилизация частоты	нет	Нет	есть
Фильтрация помех	слабая	средняя	максимальная
Батарейный режим
Частота переходов	частая	средняя	редкая
Время перехода на батареи	5-15 мс	2-6 мс	нет
Форма синусоиды	часто трапецеидальная	синусоидальная	синусоидальная
режим «байпас»	нет	нет	есть
гальваническая развязка	Нет	нет	возможна

Между тем отрасль давно нуждалась в более точной классификации ИБП. Согласно стандарту IEC 32040, введены три буквенных обозначения: VFI, VI и VFD.

Класс VFI

Топология ИБП	Спецификация	Типовая мощность	Типовое применение
Резервный	Voltage & Frequency Dependent (VFD)	1500 ВА	Малый офис, домашние ПК и другие не критичные среды
Линейно-интерактивный	Voltage Independent (VI)	5000 ВА	Малый бизнес, веб-сайты, серверы подразделений
С двойным преобразованием	Voltage and Frequency Independent (VFI)	1000 кВА	Дата-центры

В классификации учитывается также степень несинусоидальности выходного напряжения ИБП в нормальном (при работе от сети) и автономном режиме (при работе от батарей). Первая буква соответствует характеристике формы напряжения для нормального режима, вторая — для автономного.

S соответствует синусоидальному выходному напряжению с коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) менее 8% как при линейной, так и при нелинейной нагрузке.
X соответствует несинусоидальному сигналу с КНИ более 8% при нелинейной нагрузке.
Y соответствует несинусоидальному сигналу при любой нагрузке, КНИ превышает установленные в IEC 61000-2-4 пределы.

Второй символ характеризует колебания выходного напряжения при 100% изменении линейной нагрузки. Тестирование проводится в нормальном и автономном режимах, выбирается наихудший показатель. Третий символ характеризует колебания выходного напряжения при 100% изменении нелинейной нагрузки. Конечно, ИБП имеют и другие характеристики, и их немало.

Характеристики ИБП

Перечислим кратко главные характеристики ИБП^

Диапазон изменения входного напряжения, при котором ИБП не переключаются на батареи.	Чем он больше, тем меньше количество переходов на батарею, что увеличивает срок ее службы. Это особенно актуально для электросетей в российских регионах, где нередки «просадки» напряжения.
Изменение выходного напряжения при изменении входного.	ИБП должен обеспечивать выходное напряжение для нормальной работы оборудование. Выход за допустимый диапазон может вызвать сбои в работе оборудования или даже вывести его из строя.
Параметры выходного напряжения при работе от батареи.	Эти параметры определяют качество питания, обеспечиваемое ИБП.
Процесс переключения ИБП на батарею и обратно.	Для защищаемого оборудования все переходные процессы должны быть «незаметны», выполняться быстро и корректно.

Некоторые блоки питания ПК используют функцию активной коррекции коэффициента мощности (PFC) и не всегда корректно работают с приближенной, не «чистой» синусоидой питания. Это может приводить к периодической перезагрузке системы.

Мощность ИБП может указываться в вольт-амперах (ВА) или в ваттах (Вт). ВА представляет максимальную теоретическую мощность на выходе ИБП, однако доступная мощность в Вт меньше — 60% от номинала в ВА. То есть ИБП на 1000 ВА соответствует ИБП на 600 Вт.

Не стоит перегружать ИБП. Например, для защиты нагрузки в 300 Вт лучше применять ИБП на 400-600 Вт. Такой вариант надежнее и обеспечивает большее время автономной работы. Учтите также, что емкость батареи со временем падает. И не подключайте к ИБП оборудование с пиковым потреблением мощности, способное вызвать перегрузку источника питания, такое как лазерные принтеры. Некоторые ИБП имеют защиту от перегрузки.

Задача электропитания при длительном отсутствии напряжения обычно решается с помощью установки бензиновых или дизельных генераторов. Но зачастую шум, выхлопные газы, необходимость периодического обслуживания, а также высокие требования к качеству электропитания делают использование генератора неприемлемым. В таких случаях рекомендуется применение специализированных ИБП с внешним батарейным комплектом большой емкости.

Под защитой ИБП

Перебои в работе информационных систем нередко ведут к большим финансовым убыткам, поэтому приходится принимать во внимание угрозу некачественного электроснабжения, возможные перебои и даже долговременное отключение электропитания.

В мире более 40% проданных систем бесперебойного питания используется для защиты серверов, систем хранения данных, сетевого оборудования. Около 60% потребления ИБП приходится на локальные сети, телекоммуникации и ЦОД, значительное количество применяется в промышленности, поскольку многие производственные процессы требуют качественного энергообеспечения.

Около четверти мировых продаж ИБП приходится на устройства мощностью менее 1 кВА, и примерно половина продаж — на устройства мощностью до 5 кВА. Обычно их используют для защиты ПК и серверов начального уровня. В России свои ПК с помощью ИБП защищают не более 15% пользователей — большинство довольствуются сетевым фильтром.

Увеличение популярности ноутбуков также спросу на ИБП не способствует, однако серверы любого класса и сетевое оборудование, учрежденческие АТС все же нуждаются в подобной защите.

В отличие от мощных ИБП (свыше 20 кВА), жизненный цикл которых достигает 20 лет, маломощные источники питания рассчитаны на пятилетний срок службы, однако сменный блок аккумуляторов (самой недолговечной части устройства) позволяет продлить их эксплуатацию.

В небольших офисах обычно используются резервные или линейно-интерактивные ИБП. Последние относительно недороги, обладают приемлемой функциональностью и достаточным классом защиты. Более половины производителей выпускают ИБП малой и даже средней мощности в Юго-Восточной Азии по OEM-контрактам.

Для недорогих «простых» ИБП тенденцией развития стало приближение их по функциональности и эффективности (таким как ремонтный байпас для «горячей» замены или ремонта оборудования, управляемые розетки и расширенная комплектация) к «большим» ИБП.

При выборе ИБП нужно учитывать сроки гарантии на само устройство и его компоненты, например, аккумуляторы. Отдавайте предпочтение известным производителям, которые специализируются на изготовлении подобного оборудования. Определитесь с максимальным количеством и типом розеток для подключаемых устройств. В тех случаях, когда помимо периодического отключения электричества существуют проблемы параметрами электропитания, необходимо устанавливать линейно-интерактивные устройства.

В общем случае не следует гнаться за временем работы от АКБ, оно составляет обычно до 5 минут при 100% нагрузке. Лучше выбрать модель с дополнительными батарейными модулями или купить генератор. Это дешевле, чем тратится на герметичные необслуживаемые АКБ.

Источники бесперебойного питания берегут компьютерную технику от сбоев в электрической сети. Хороший ИБП надежно защитит электронные устройства от перегрузок, позволит сохранить все данные и корректно завершить работу системы при аварии в электросети. Лучше не экономить на цене устройства, и купить как минимум линейно-интерактивный ИБП, а для защиты критичных систем использовать ИБП с двойным преобразованием.

ИБП в ЦОД

Перебои в работе ЦОД наносят серьезный урон их клиентам и имиджу самих компаний. Поэтому владельцам важно находить эффективные решения для повышения надежности электропитания своих дата-центров. Мировые производители систем бесперебойного питания для дата-центров предлагают свои варианты реализации ИБП.

Какие основные требования предъявляются к «ИБП для ЦОД»? Это высокая надежность (с учетом времени восстановления системы, т.е. важен не параметр MTBF, а коэффициент готовности); высокий КПД при неполной нагрузке (50-80%), что непосредственно отражается на тепловыделении и экономичности оборудования; поддержку параллельной работы с наращиванием мощности или повышением степени резервирования; масштабируемость; высокий входной и выходной коэффициент мощности и малый коэффициент гармонических искажений входного тока, что особенно важно при организации резервного питания от ДГУ.

Другие важные факторы — компактность систем, поддержка параллельной работы, низкое тепловыделение, интеллектуальная система управления зарядом АКБ, простое техническое обслуживание и поддержка, усовершенствованные возможности выключения серверов (есть версии ПО, позволяющие осуществлять корректное завершение работы виртуальных машин), средства управления/мониторинга, в том числе дистанционного, возможность простого и интуитивно понятного переключения на внешний байпас с защитой от неверных действий персонала, хорошая поддержка со стороны производителя оборудования.

При отсутствии системы резервного электропитания от ДГУ увеличить время автономной работы можно за счет внешних аккумуляторных шкафов. В числе обязательных функций ИБП старшего класса — интеллектуальные системы управления зарядом АКБ, средства оповещения оборудования о низком заряде аккумуляторных батарей. Применение в ЦОД энергоэффективных ИБП помогает снизить потребление электроэнергии, при этом мощность и надежность источников бесперебойного питания остаются неизменными.

ИБП с двойным преобразованием обеспечивают наивысшую степень защиты от различных сбоев в электросети, так как ИТ-системы полностью ограждены от воздействия электросети и запитываются от ИБП напрямую. При использовании такого ИБП оборудование защищено от проблем, связанных с перепадами напряжения, исчезновения питания и другими возможными сбоями электросети. По этой причине ИБП с двойным преобразованием используются для обеспечения питания серверов, чувствительного к состоянию сети оборудования и других критичных устройств, от которых зависит функционирование ЦОД. Кроме того, ИБП с двойным преобразованием имеют большой арсенал функций, а также гибкие возможности масштабируемости.

FSP Group уже некоторое время назад уловила тренды растущего рынка ЦОД и начала выпуск специализированного оборудования, которое призвано снабдить провайдеров телеком-услуг необходимыми источниками энергии. Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием серии CUSTOS 9X компании FSP перекрывают диапазон мощностей от 1K до 10K.

ИБП с двойным преобразованием FSP Custos 9X+ 10K.

Например, ИБП Custos 9X+ 10K имеет следующие особенности конструкции:

Выходной коэффициент мощности 0,9
Информативный и понятный ЖК-дисплей сменной ориентации
Исполнение Rack/Tower
Программируемые выходы
Режим преобразования частоты 50/60Гц
Режимы энергосбережения ECO и Advanced ECO
Функция экстренного отключения питания (EPO)

ИБП с двойным преобразователем напряжения серии FSP Custos 9X+ могут быть использованы в комплекте с дополнительными батарейными блоками, есть возможность горячей замены источников питания.

Именно эти ИБП применяет для обеспечения бесперебойной работы оборудования в своем ЦОД хостинг-провайдер RUVDS. Его система бесперебойного гарантированного электропитания построена по классической схеме. Энергоснабжение ЦОД обеспечивают две подстанции, которые питают дата-центр по двум независимым линиям. На объекте установлен комплекс ИБП и ДГУ (схема резервирования — N+1).

Каждый физический сервер подключен к источнику бесперебойного питания. Если эти составляющие вдруг не справятся, то в работу включатся дизель-генераторы, которые обеспечат дата-центр электричеством до решения проблем с подстанцией. Это важная составляющая высокой надежности VPS-хостинга.

Блог компании RUVDS.com
Хостинг
IT-инфраструктура
Хранение данных
Хранилища данных

ИБП изнутри: разбираем APC Back-UPS Pro 900

Энергосберегающий источник бесперебойного питания APC Power Saving Back-UPS Pro 900 – ближайший родственник модели Pro 550, о которой мы недавно рассказывали. «Девятисотый» – более мощная модель с номинальной мощностью в 540 Ватт, она способна обеспечить защитой от перебоев электропитания даже весьма производительный домашний и офисный компьютер. Впрочем, в этот раз мы решили не ограничиваться тестом ИБП на время автономной работы. В дополнение к этому мы покажем, какие компоненты используются в «бесперебойнике», из чего складывается его довольно приличный вес (больше 10 кило!). Весь процесс разборки ИБП в сервисном центре APC by Schneider Electric мы также сняли на видео.

Начнем с характеристик устройства и краткого описания его возможностей.

Технические характеристики APC Power Saving Back-UPS Pro 900 (BR900GI)
Максимальная выходная мощность: 900 ВА/540 Вт
Количество розеток: 8 (4 с резервным питанием от батареи)
Топология: линейно-интерактивный (имеется встроенный стабилизатор напряжения)
Дополнительно: ЖК-дисплей, функция энергосбережения, защита локальной сети и телефонной линии, связь с компьютером
Форма выходного напряжения: Ступенчатая аппроксимация синусоиды
Сменный комплект батарей: APCRBC123
Время зарядки: 8 часов
Срок службы батареи: 3–5 лет (в зависимости от температуры окружающей среды, количества циклов «заряд-разряд»)
Размеры: 382x250x100 мм
Цена: от 5500 рублей

Для всех моделей на сайте APC доступен график зависимости автономной работы от потребляемой мощности. Для модели Back-UPS Pro 900 он выглядит следующим образом:

В полном соответствии с теорией, наш тестовый офисный ПК, использовавшийся и в предыдущем материале, проработал от батареи 1 час 5 минут 30 секунд. Это в 2,5 раза дольше, чем с ИБП Back-UPS Pro 550! С таким ИБП кратковременное отключение электроэнергии можно просто переждать, не выключая компьютер.

В остальном это достаточно компактная модель: несмотря на значительное увеличение мощности, габариты по сравнению с Back-UPS Pro 550 радикально не изменились: этот ИБП заметно выше, но толщина выросла только на сантиметр. В результате, он по-прежнему может уместиться на столе, рядом с монитором. Как и в 550-м, здесь не используется активная система охлаждения, ИБП работает абсолютно бесшумно. В дополнение к стандартным функциям ИБП, Back-UPS Pro обеспечивает возможность автоматического отключения периферии, когда вы выключаете компьютер или переводите его в режим сна.

Впрочем, вернемся к главной теме этого материала. Как мы разбирали ИБП, можно посмотреть на видео:

Виртуальная модель данного ИБП изнутри выглядит так:

По этой ссылке схему можно скачать в оригинальном разрешении.

ИБП к разборке готов! Мы взяли новенькую модель, только что со склада – даже наклейка с глянцевой поверхности, закрывающей дисплей, еще не снята.

Начинаем со снятия крышки батарейного отсека и извлечения батареи. В отличие от модели Pro 550, в «девятисотом» используется сменный картридж, при замене которого нет необходимости отключать и подключать клеммы – достаточно просто вытянуть или вдвинуть правильной стороной батарейный блок до упора.

Вот так выглядят контакты батарейного блока. Замена блока занимает буквально пару секунд, и можно продолжать работу! Надо отметить, что в обычных условиях дальше батарейного отсека разбирать ИБП не нужно 🙂 Мы хотим показать вам устройство «бесперебойника», но в реальных условиях любые проблемы с ИБП — повод обращаться в сервис, а не хвататься за отвертку. Разборка устройства определенно лишает вас гарантии. В общем, как говорят в одном научно-популярном сериале, не пытайтесь повторить это дома 🙂

Снимаем декоративную накладку на передней панели. Панель крепится на защелках и при ее снятии не нужно прикладывать значительные усилия (впрочем, при нормальном использовании ИБП ее вообще не нужно снимать :).

Так выглядит декоративная панель сама по себе. В нее «встроены» три управляющие кнопки, контакты для которых разведены прямо на блоке с дисплеем.

Откручиваем еще несколько винтов.

В том числе на задней панели с розетками.

Снимаем крышку и получаем доступ ко всем внутренностям ИБП.

Далее отсоединяем кабели, ведущие от трансформатора и розеток к платам, содержащим силовые элементы и контроллер управления.

После чего можно снять заднюю панель.

Разъемы для защиты телефонной линии и для подключения к ПК разведены прямо на «материнской» плате. Слева – радиаторы инвертора, рядом с ними разведены провода с разъемом для подключения батареи ИБП. Еще левее – разъем к которому подключается экран.

А это – сам ЖК-дисплей. Справа – три контакта для кнопок управления.

Зарядное устройство размещено на отдельной плате.

Осталось достать из корпуса довольно увесистый трансформатор, и разборка завершена. Не сильно торопясь, уложились в пять с половиной минут 🙂 Самые тяжелые элементы любого ИБП – батарея и трансформатор – на переднем плане. Корпус устройства состоит из двух половинок, плюс задняя панель с розетками и разъемами, крышка батарейного отсека и декоративная панель для дисплея и, конечно, сам ЖК-дисплей.

Впрочем, это еще не все. Я решил пройтись макро-объективом по деталькам на системной плате. Далее все фото снабжены ссылками на полноразмерный вариант (осторожно, размер каждой фотографии – 5-10 мегабайт!).

В полном размере

Управляющая микросхема с номером модели на наклейке. «Центральный процессор» ИБП.

В полном размере

Трансформатор. Обратите внимание на два комплекта силовых кабелей. При повышении или понижении напряжения до определенного предела, ИБП автоматически переключается между обмотками трансформатора, восстанавливая нормальные значения.

В полном размере

Плата зарядного устройства.

В полном размере

Она же покрупнее. К этому разъему подключается «материнская» плата ИБП.

В полном размере

Разъем USB/COM для подключения ИБП к компьютеру и входы для защиты телефонной линии на системной плате.

В полном размере

Управляющие кнопки на плате с ЖК-дисплеем. Посередине кнопка включения и выключения ИБП, верхняя – кнопка отключения звукового сигнала и нижняя – кнопка переключения между экранами параметров работы ИБП.

В ближайшее время – рассказ о «тяжелом железе» – инженерных системах APC by Schneider Electric для коммутационных узлов, серверных комнат и центров обработки данных!

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

Схемотехника источника бесперебойного питания APC SmartUPS 1000

Модель SmartUPS 1000 является одной из самых распространенных в классе корпоративных источников бесперебойного питания при использовании распределенной схемы резервного питания. Такая популярность этой модели объясняется ее достаточно высокой нагрузочной способностью, что позволяет использовать эту модель для питания небольших серверов и графических станций, используемых, например, в конструкторских отделах. Кроме хороших нагрузочных характеристик, данная модель обеспечивает и неплохую функциональность при удаленном управлении источником. Поэтому обзор данного UPS будет весьма полезен тем, кто обеспечивает обслуживание корпоративного электрооборудования.

Особенностями модели SU1000, как, впрочем, и всего семейства Smart являются:

— повышенная надежностью за счет хорошо продуманной схемотехники и высококачественного практического исполнения;

— наличие «интеллекта», что позволяет осуществлять мониторинг состояния источника, мониторинг входной и выходной питающей сети, а также позволяет управлять источниками (в том числе и удаленно), обеспечивая их включение и выключение в заданные моменты времени;

-формирование на выходе «правильного» синусоидального напряжения во время работы от аккумуляторов;

— использование интерактивной топологии, предполагающей наличие режимов повышения (BOOST) и понижения (TRIM) входного сетевого напряжения. Это позволяет повысить ресурс батарей за счет более редкого перехода на питание от аккумуляторов.

Модель, которую мы будем сегодня рассматривать, относится к третьему поколению (3G) источников бесперебойного питания компании APC. Функциональная схема источников бесперебойного питания APC SU1000 ( шасси 640-0733D ) представлена на рис.1. ( для детального просмотра нажите здесь )

Рис.1 Блок-схема источника бесперебойного питания APC Smart-UPS 1000

Микропроцессор

В качестве управляющего микропроцессора, используется 8-разрядный микроконтроллер семейства Intel I87C52.

Особенностями микроконтроллеров I87C52 являются:

— наличие встроенного высокопроизводительного электрически перепрограммируемого ПЗУ (EPROM) емкостью 8К;

— наличие 32 встроенных программируемых портов ввода/вывода;

— наличие трех 16-разрядных счетчиков и таймеров;

— наличие встроенной оперативной памяти (RAM) емкостью 256 байт;

— наличие четырехуровневой системы прерываний с 6 входными линиями прерываний;

— наличие программируемого последовательного интерфейса;

— возможность работы как с логикой TTL, так и с логикой CMOS.

Основной функцией микропроцессора в UPS можно считать выполнение управляющей микропрограммы, хранящейся во внутреннем ПЗУ. И в соответствии с этой программой микроконтроллер обеспечивает:

— контроль параметров входного сетевого напряжения;

— контроль параметров выходного напряжения;

— определение аварийных режимов работы;

— контроль состояния аккумуляторных батарей;

— формирование сигналов для управления реле;

— формирование сигналов для управления инвертором;

— доступ к внешней памяти EEPROM;

— обслуживание устройства, подключенного к разъему SNMP;

— обслуживание интерфейса для связи с ПК.

Частота внутреннего генератора микропроцессора задается кварцевым резонатором XT1 с опорной частотой генерации 16МГц. В качестве питающего напряжения микроконтроллера используется +5В . Запуск микропроцессора осуществляется сигналом RESET. Установка этого сигнала в высокий уровень на время двух тактов задающего генератора, обеспечивает сброс микропроцессора.

Формирование сигнала RESET осуществляется схемой, выполненной на дискретных элементах (Q51, Q52, Q53 и IC11). Эта схема обеспечивает контроль величины двух напряжений: +12В и +5В . Если эти напряжения ниже номинальных значений, то схема сброса запрещает работу микропроцессора.

Микропроцессор I87C52 имеет только цифровые порты ввода/вывода, поэтому все его выходные управляющие сигналы и входные сигналы контроля датчиков, являются дискретными, т.е. имеют только два состояния: высокий уровень и низкий уровень.

Назначение контактов микропроцессора I87C52 описывается в табл.1.

Таблица 1. Описание контаков процессора I87C52 в составе APC Smart-UPS 1000

P 1.0 ( D 0)

8-разрядный многоцелевой порт, использующийся в качестве шины выходных данных, передаваемых в параллельном виде на цифро-аналоговый преобразователь ( IC 15). Эти данные используются для формирования на выходе ЦАП опорной синусоиды. На всех этих контактах должны присутствовать импульсы (или пачки импульсов), период повторения которых равен или кратен частоте 50/60 Гц. Амплитуда импульсов равна примерно 5В. Правильность формирования импульсов проще всего оце-нить по наличию, практически, идеального синусоидального напряжения частотой 50/60 Гц на конт.2 микросхемы IC 15. Наличие этого синусоидального напряжения, фактически, означает, что управля-ющая микропрограмма микропроцессора работает абсолютно корректно, и что микропроцессор, в целом, исправен.

P1.1 (D 1 )

P1.2 (D 2 )

P1.3 (D 3 )

P1.4 (D 4 )

P1.5 (D 5 )

P1.6 (D 6 )

P1.7 (D 7 )

Сигнал первоначального сброса. Сигнал активен высоким уровнем, т.е. при установке его в лог. «1» микропроцессор «сброшен». Нормальное состояние сигнала — лог.»0″. В момент включения UPS , на этом контакте должен наблюдаться короткий положительный импульс. После прохождения импуль-са, сигнал устанавливается в низкий уровень, в котором и находится в течение всего времени работы UPS .

P 3. 0

( DATA — IN)

Контакт многоцелевого порта (вход). Используется для приема входного сигнала DATA — IN , который представляет собой данные от SNMP -адаптера, устанавливаемого в разъем J 14, или данные от интер-фейсного разъема ( J 1). Передача данных осуществляется в последовательном виде. Так как SNMP -адаптер отсутствует, и UPS не подключен к ПК, то и сигналы на этом контакте неактивны. При вклю-чении, сигнал устанавливается в высокий уровень (+5В), после чего не изменяется.

(SD — OUT)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется в качестве выходного сигнала SD — OUT , кото-рый представляет собой данные, передаваемые в последовательном виде на SNMP -адаптер или на ин-терфейсный разъем J 1. В момент включения UPS , на контакте наблюдается импульсная последова-тельность, после окончания которой, сигнал устанавливается в высокий уровень (+5В), после чего не изменяется.

P 3. 2

( PHAS — OUT )

Контакт многоцелевого порта (вход). Используется для контроля фазы выходного напряжения. После включения UPS , на этом контакте должны установиться импульсы, повторяющиеся с периодом, со-ответствующем частоте 100/120 Гц. Эти импульсы формируются из синусоиды, генерируемой микросхемой ЦАП ( IC 15) на конт.2, и соответствуют каждому переходу синусоиды через уровень 0 Вольт. Отсутствие импульсов можно воспринимать, как неисправность внешних цепей контроля выходной фазы (при условии, что синусоида на выходе ЦАП создается).

P 3. 3

( HF — OFF )

Контакт многоцелевого порта (выход). На контакте формируется сигнал, позволяющий выключать UPS «программным» способом. Для выключения UPS на данном контакте должны сгенерироваться импульсы значительной длительности. Кроме того, контакт используется для формирования выходного сигнала выбора ( Chip Select ) микросхемы EEPROM ( IC 13). После включения UPS , импульсы на данном контакте следуют с периодичностью, соответствующей частоте 50/60 Гц.

(PHAS — REF)

Контакт многоцелевого порта (вход). Используется для контроля фазы входного сетевого напряже-ния. После включения UPS в автономном режиме, на этом контакте должен установиться постоянный уровень лог. «1» (+5 V ), так как UPS не подключен к питающей сети, а, следовательно, отсутствует предмет измерения. Во время работы UPS от сети, на этом контакте появляется импульсное напряжение частотой, соответствующей 50 Гц.

P З .5

(LO — BATT)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала LO — BATT , который своим активным уровнем (лог. «0») сообщает о разряде аккумуляторных батарей. Сигнал передается на разъем SNMP -адаптера ( J 14) и на интерфейсный разъем J 1, где является частью простого интерфейсного соединения с ПК ( Simple Signaling ). В момент запуска UPS , сигнал устанавливается в высокий уровень (+5 V ).

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала, управляющего входным размыкающим реле ( RY 5). В момент запуска UPS , сигнал устанавливается в высокий уро-вень (+5 V ).

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала, разрешающего ра-боту микросхемы драйвера силовых ключей инвертора ( IC 14). Сигнал активен низким уровнем. При запуске UPS в автономном режиме, инвертор работать не должен, и поэтому S , сигнал устанавливается в высокий уровень (+5 V ).

Контакты для подключения внешнего частотозадающего резонатора. При включении UPS , на этих контактах должен наблюдаться сигнал синусоидальной формы с частотой примерно 16 МГц. Отсут-ствие синусоиды, в первую очередь, означает неисправность микроконтроллера, хотя нельзя исклю-чать и дефект самого кварцевого резонатора ( XT 1).

P 2. 0

( +5 V — SIG)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для управления светодиодом, расположенным на тыльной стороне UPS , имеющим зеленый цвет свечения и обозначаемым « SENSITIVITY ». Так как при включении UPS , светодиод должен светиться, то сигнал на этом контакте устанавливается в вы-сокий уровень, в котором и находится в течение всего времени работы UPS .

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала, разрешающего ра-боту микросхемы IC 17. Сигнал активен низким уровнем. В момент включения на контакте на короткий период времени устанавливается лог. «1», после чего сигнал сбрасывается в низкий уровень, в котором и находится в течение всего времени работы UPS , т.е работа микросхемы IC 17 разрешена и ее исправность можно оценить по наличию импульсов на конт.4 – конт.7.

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала управления реле ре-жима TRIM ( RY 6). Сигнал активен низким уровнем. При включении UPS , на контакте должен уста-новиться сигнал высокого уровня, но в первоначальный момент «проскакивает» короткий «отрица-тельный» импульс.

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала управления реле ре-жима BOOST ( RY 3). Сигнал активен низким уровнем. При включении UPS , на контакте должен уста-новиться сигнал низкого уровня, но в первоначальный момент «проскакивает» короткий «положи-тельный» импульс.

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования сигнала управления входным реле отключения нагрузки – реле Shutdown ( RY 1). Сигнал активен высоким уровнем. При включе-нии UPS , на контакте должен установиться сигнал высокого уровня.

(CS — ADC)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования выходного сигнала выбора ( Chip Select ) микросхемы аналого-цифрового преобразователя — АЦП ( ADC – IC 10). После включе-ния UPS , на этом контакте должны генерироваться регулярные короткие импульсы, которые активны низким уровнем. Частота импульсов является достаточно высокой.

(S — DATA)

Контакт многоцелевого порта (вход/выход). Используется в качестве линии передачи данных между микропроцессором, микросхемой АЦП и микросхемой EEPROM . Передача данных осуществляется в последовательном виде. Передача данных является двунаправленной. После включения UPS , на этом контакте должны генерироваться регулярные короткие импульсы, которые активны низким уровнем. Частота импульсов является достаточно высокой.

(S — CLK)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется в качестве сигнала синхронизации при передаче данных по линии S — DATA . После включения UPS , на этом контакте должны генерироваться регуляр-ные короткие импульсы, которые активны высоким уровнем. Частота импульсов является достаточно высокой.

Контакт не используется.

Контакт не используется. Является контактом для формирования сигнала стробирования адреса ALE . При включении UPS , на этом контакте формируются регулярные высокочастотные импульсы, кото-рые легко диагностируются, хотя контакт никуда не подключен. Наличие импульсов говорит о вы-полнении микропроцессором своей внутренней микропрограммы.

Контакт не используется (соединен с шиной питания +5 V ).

Контакт многоцелевого порта (выход). На контакте формируется сигнал низкого уровня заряда аккумуляторов. Этот сигнал подается на вход управляющей микросхемы зарядного устройства аккумуляторов (микросхема IC 14) для изменения режима ее работы.

(HI — CHG)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для управления зарядным устройством, в качес-тве которого выступает инвертор. При включении UPS , сигнал устанавливается в низкий уровень.

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для управления динамиком – «пищалкой» ( BEE — PER ). Установка на этом контакте сигнала низкого уровня приводит к запрещению работы «пищал-ки». В момент запуска UPS, на контакте появляются высокочастотные импульсы малой амплитуды (около 0.9 В), что сопровождается звуковым сигналом. После этого, сигнал устанавливается в низкий уровень. Импульсы, наблюдаемые на контакте, формируются вне микроконтроллера, поэтому их от-сутствие можно воспринимать как пробой на землю контакта 34, или как неисправность внешнего ге-нератора этих импульсов (микросхема IC 9 – конт. 2).

(RY — WELD)

Контакт многоцелевого порта (вход). Используется для контроля состояния сигнала RY — WELD , с по-мощью которого проверяется работа входных реле ( RY 5 и RY 4) и определяется их «залипание». Сиг-нал активен высоким уровнем. При включении UPS , сигнал на этом контакте должен установиться в низкий уровень.

(LED — STRB)

Используется для формирования стробирующего сигнала, управляющего дешифраторами лицевой панели управления. При включении UPS , на контакте формируются короткие «отрицательные» им-пульсы низкой частоты.

Порт используется для формирования сигнала управления вентилятором. Однако в модели SU 1000 вентилятор не устанавливается, поэтому данный контакт не используется.

(DSP — CLK)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для формирования импульсов синхронизации при передаче данных (по линии DSP — DATA ) на дешифраторы лицевой панели управления. При включении UPS , на контакте формируются короткие «отрицательные» импульсы низкой частоты.

(DSP — DATA)

Контакт многоцелевого порта (выход). Используется для передачи данных на дешифраторы лицевой панели управления. Этими данными описывается состояние светодиодов панели управления. Данные передаются в последовательном виде синхронно с сигналом DSP — CLK . Но так как при включении, UPS входит в ждущий режим, и светодиоды панели управления не включаются, то сигнал на контак-те устанавливается в нективный высокий уровень, т.е. постоянно равен +5В.

Напряжение питания +5 V .

Аналого-цифровой преобразователь

АЦП является основным элементом анализа параметров как входного, так и выходного напряжений UPS. К входам АЦП подключены все датчики UPS, формирующие аналоговые сигналы. В качестве АЦП используется микросхема ADC0838 (IC10), которая имеет 8 аналоговых входов CH0. CH7. То, какой из входных сигналов подлежит оцифровыванию, выбирается микропроцессором UPS. Номер считываемого канала передается на АЦП по последовательной шине SPI (Microware). В частности, номер канала передается по линии данных DI, а передача этих данных тактируется тактовым сигналом CLK. Кроме того, при обращениях к микросхеме АЦП, микропроцессором генерируется еще и сигнал выбора микросхемы (CS). Именно по сигналу CS определяется, что микропроцессор обращается к АЦП.

Входные датчики в данном UPS подключены по униполярной схеме, т.е. уровни всех аналоговых сигналов измеряются относительно одного общего контакта (COM), который соединен со схемной «землей» (рис.2).

Рис.2 Считывание сигналов от датчиков процессор осуществляет с помощью АЦП

Оцифрованные данные из АЦП передаются на микропроцессор в последовательном виде по той же самой шине SPI, при этом цикл передачи данных инициируется микропроцессором. Передача данных из АЦП в микропроцессор осуществляется по сигнальной линии DO, при этом, естественно, данные тактируются импульсами на линии CLK. Внутренняя архитектура микросхемы АЦП ADC0838 представлена на рис.3. Это позволит лучше представлять особенности функционирования этого аналого-цифрового преобразователя.

Рис.3 Архитектура микросхемы аналого-цифрового преобразователя ADC0838

Для обмена данными между микропроцессором и ADC0838 , используется последовательная шина, в которой входная (DI) и выходная линия данных (DO) совмещены, т.е. со стороны микропроцессора шина данных является двунаправленной. Это возможно потому, что прием и передача данных осуществляются в разные моменты времени. Вначале, на вход DI передается адрес того канала, информацию с которого необходимо преобразовать в цифровой код и обработать. Для этого на линии CLK генерируется пять тактовых импульсов, а сигнал CS на выходе микропроцессора устанавливается в низкий уровень. В течение этих пяти тактовых импульсов по линии DI передается стартовый бит, номер аналогового канала и тип входного сигнала (униполярный или дифференциальный). После окончания этих пяти тактов, начинается процесс передачи цифрового 8-разрядного кода оцифрованного аналогового сигнала. Для этого требуется девять тактовых импульсов. Самый первый из этих девяти тактов можно считать стартовым (Start), в течение которого осуществляется загрузка аналогового сигнала и подготовка АЦП к передаче данных. После того, как передача 8-разрядного кода завершится, сигнал CS устанавливается в высокий уровень, запрещая доступ к ADC0838. Таким образом, передача 8-разрядного кода одного аналогового сигнала занимает 14 тактов . Временная диаграмма сигналов АЦП при считывании показаний аналоговых датчиков приводится на рис.4.

Рис.4 Временная диаграмма работы АЦП ADC0838

Назначение контактов микросхемы ADC приводится в табл.2.

Таблица 2. Назначение контактов микросхемы АЦП ADC8038 в составе APC Smart-UPS 1000

Наименование сигнала

24 VFET

Сигнал от кнопки включения UPS , размещенной на тыльной панели. Этот сигнал, фактически, снимается с «положительной» клеммы аккумуляторной батареи, поэтому его величина пропорциональна напряжению на аккумуляторе. По входному сигналу канала CH 0 определяется исправность и уровень заряда аккумулятора.

IN — RECT

Сигнал от датчика входного напряжения. Величина сигнала на этом контакте пропорциональна величине входного переменного напряжения.

Сигнал от датчика тока транзисторов инвертора. Напряжение на этом контакте пропорционально величине тока, протекающего через силовые транзисторы инвертора.

OUT — RECT

Сигнал от датчика выходного напряжения. Величина сигнала на этом контакте пропорциональна величине переменного выходного напряжения UPS .

Сигнал от кнопки выключения UPS . Нажатие на кнопку приводит к появлению на входном контакте CH 4 сигнала низкого уровня. В данном случае контакт выполняет функцию определения состояния дискретного сигнала.

Сигнал от датчика выходного тока. Величина этого сигнала пропорциональна величине тока, потребляемого нагрузкой UPS , т.е. пропорциональна мощности нагрузки.

Сигнал от датчика температуры. Напряжение на этом контакте пропорционально величине температуры внутри UPS . При увеличении температуры напряжение на контакте возрастает.

Сигнал неисправности зарядного устройства UPS .

EEPROM

Энергонезависимая память предназначена для сохранения настроек UPS и его калибровочных значений, например, такого параметра, как Run Time. Доступ к энергонезависимой памяти микропроцессор осуществляет по последовательной шине SPI, состоящей из трех сигнальных линий (DI, DO, SK). Кроме того, на вход микросхемы памяти приходит еще и сигнал выбора кристалла (CS)

Цифро-аналоговый преобразователь

ЦАП предназначен для формирования синусоидального сигнала (на конт.2 – IOUT), который, в качестве опорного сигнала используется для создания псевдосинусоидального выходного напряжения ИБП при работе от аккумуляторов. Управление ключами инвертора осуществляется с применением модулирующего сигнала синусоидальной формы. Для получения выходной синусоиды, микросхема ЦАП питается двумя напряжениями: положительным +12В и отрицательным -8В. Форма синусоиды описывается цифровыми сигналами, передаваемыми в параллельном виде от микропроцессора. Эти данные формируются на выходных контактах 8-разрядного цифрового порта (P1.0 – P1.7) микропроцессора.

Драйверы ключей

Драйверы ключей, являются заказными микросхемами, выпускаемыми APC. Эти микросхемы формируют сигналы для управления силовыми транзисторами инвертора. Драйверы обеспечивают распределение управляющих сигналов между транзисторами «верхних ключей» и транзисторами «нижних ключей» с учетом входного модулирующего сигнала синусоидальной формы. Кроме того, микросхемы осуществляют контроль тока, протекающего через транзисторы инвертора, и обеспечивают ограничение и подстройку этого тока. Интересно отметить, что при формировании управляющих сигналов, драйверы контролируют величину и фазу выходного тока UPS, что позволяет обеспечивать фазовую подстройку управляющих сигналов, причем с учетом тока потребления нагрузки.

Инвертор

Инвертор является элементом, который обеспечивает преобразование постоянного тока от аккумуляторной батареи в переменной ток, выдаваемый в нагрузку. Инвертор строится по схеме мостового преобразователя (рис.5). Такая схема обладает наиболее высоким КПД, и позволяет создавать симметричный переменный ток в обмотке силового трансформатора. Инвертор представляет собой силовые ключи, переключающиеся в определенном порядке, что обеспечивает формирование на выходе UPS синусоидального напряжения.

Рис.5 Эквивалентная схема мостового преобразователя

В качестве силовых ключей используются MOSFET-транзистор ы, включаемые параллельно для увеличения мощности (рис.6). Управление транзисторами, т.е. формирование сигналов для их переключения, осуществляется драйверами ключей, которые рассматривались выше.

Рис.6 Увеличение мощности инвертора осуществляется параллельным включением его силовых транзисторов

Для получения синусоидального выходного тока, транзисторы инвертора переключаются с высокой частотой, а время открытого состояния транзисторов регулируется драйверами по определенному закону (синусоидальному закону с частотой сети), т.е. имеет место ШИМ-модуляция. Принцип формирования переменного выходного тока синусоидальной формы мостовым инвертором демонстрируется на рис.7.

Рис.7 Формирование синусоидального (апроксимированного) переменного тока мостовым преобразователем

Интересной особенностью инверторов ИБП SU1000 является то, что им выполняется также и функция зарядного устройства. В моменты времени, когда сетевое напряжение в норме, транзисторы инвертора переключаются по определенному алгоритму, обеспечивая выпрямление и регулировку тока, заряжающего аккумуляторы. Источником энергии для заряда аккумуляторов является обмотка силового трансформатора и ЭДС, наводимая в ней при протекании сетевого тока через высоковольтную обмотку трансформатора.

Таким образом, в SmartUPS 1000 зарядное устройство, как отдельный функциональный модуль, отсутствует.

Входные/выходные фильтры и силовая цепь

Входными фильтрами обеспечивается фильтрация сетевого напряжения от самых различных помех. В составе этих цепей важное положение занимают устройства защиты от значительных всплесков напряжения (супрессоры). Такая защита реализована за счет применения металло-оксидных варисторов (MOV). Такие варисторы ставятся как на входе UPS (для защиты его элементов от бросков напряжения), так и на выходе (для защиты нагрузки, подключенной к UPS). Кроме того, к элементам защиты необходимо отнести и автоматический токовый предохранитель, находящийся на тыльной стороне UPS и обеспечивающий защиту от короткого замыкания.

Силовая часть UPS состоит из нескольких реле и силового трансформатора. Конфигурация силовой части представлена на рис.8. Как мы уже упоминали, SmartUPS 1000 представляет собой интерактивные источник бесперебойного питания, который позволяет повышать или понижать входное сетевое напряжение, обеспечивая формирование номинального выходного напряжения, не переходя при этом на питание от аккумуляторов.

Рис.8 Эквивалентная схема силовой части ИБП APC Smart-UPS 1000

Интерактивная технология обеспечивается за счет наличия на силовом трансформаторе дополнительной автотрансформаторной обмотки. ЭДС, наводимая в этой обмотке, либо суммируется с сетевым напряжением, либо вычитается из него, в результате чего и происходит либо повышение, либо понижение выходного напряжения. Коммутация этой автотрансформаторной обмотки осуществляется с помощью двух реле: реле BOOST (RY3) и реле TRIM (RY2), при переключении которых изменяется направление тока в автотрансформаторной обмотке. Принцип создания синфазного или противофазного тока в автотрансформаторной обмотке демонстрируется на рис.9.

Рис.9 Принципы повышения/понижения выходного напряжения ИБП

Кроме этих двух реле, имеются еще и другие реле:

— выходное реле RY1, которое позволяет подключить/отключить нагрузку к UPS;

— входное реле RY5, которое обеспечивает полное отключение входной питающей сети, т.е. это реле позволяет отключать и фазу, и нейтраль;

— передающее реле RY4 (реле режима работы от батареи (On Battery)). Это реле, по-сути, является дублирующим, размыкая одновременно с входным реле еще и фазовый провод.

Входное и передающее реле управляются одним сигналом от микропроцессора и поэтому срабатывают одновременно. Отключение входной сети должно происходить в обязательном порядке при каждом переходе на работу от аккумуляторов. В противном случае, UPS будет пытаться поддерживать напряжение в питающей сети, что приведет к его мгновенной перегрузке и выходу из строя силовых ключей инвертора. Именно поэтому, в SmartUPS 1000 введен специальный датчик – датчик «залипания» реле. Этот датчик позволяет избежать ситуации, при которой неисправность реле приведет к работе UPS на первичную сеть. Этим датчиком вырабатывается активный сигнал только при реальном переключении контактной группы передающего реле (рис.10). Если же после формирования микропроцессором сигнала на переключение входных реле (LIN-XFER), от датчика «залипания» не приходит сигнал подтверждения (RLY-WELD), то инвертор источника блокируется и исключается ситуация неправильной работы UPS.

Рис.10 Датчик «залипания» передающего реле

Датчики

Датчики источника бесперебойного питания позволяют микропроцессору оценивать качество как входного, так и выходного переменного тока и величину напряжений, а также измерять температуру внутри корпуса UPS. С помощью датчиков измеряются такие параметры входной и выходной сети, как величина напряжения, величина потребляемого тока, фаза тока и величина реактивной составляющей выходного тока.

Датчики напряжения и фазы тока построены с применением понижающих трансформаторов, выполняющих функции гальванической развязки между силовой первичной частью и низковольтной вторичной частью UPS (рис.11).

Рис.11 Принцип построения датчиков входного/выходного напряжения

Использование разделительных трансформаторов в значительной мере повышает надежность источника бесперебойного питания. Для контроля параметров входного напряжения сети используется трансформатор Т1, а для контроля параметров выходного напряжения – трансформатор Т2.

Датчики напряжения обеспечивают выпрямление переменного тока, создаваемого на вторичной стороне трансформаторов, позволяя проводить измерение величины действующего напряжения. Это выпрямленное напряжение далее анализируется аналого-цифровым преобразователем. Величина входного напряжения определяется по величине сигнала IN-RECT, который получается путем выпрямления синусоидального пониженного напряжения диодами D18/D19. Сигнал IN-RECT считывается микросхемой АЦП.

Сигнал фазы входного напряжения (PHAS-REF) снимается непосредственно с вторичной обмотки трансформатора T1. Далее этот сигнал преобразуется в прямоугольные импульсы транзистором Q41, после чего импульсы подаются на вход P3.4 микропроцессора.

Датчик фазы выходного тока при работе от аккумуляторов представляет собой фазовый детектор, вычисляющий рассогласование между теоретической и реальной частотой и фазой выходного напряжения, т.е. фаза выходного тока измеряется с учетом фазы синусоидального опорного напряжения, генерируемого микросхемой ЦАП. Это позволяет микропроцессору скорректировать опорную синусоиду и подстроить частоту и фазу выходного тока. Другими словами, датчик фазы выходного тока и микропроцессор вместе образуют систему ФАПЧ, позволяющую формировать правильное выходное напряжение. Сигнал фазы выходного тока (AC-OUT1) снимается непосредственно с вторичной обмотки трансформатора Т2 и через резистор R135 подается на базу транзистора Q54. Сигнал фазы опорной синусоиды снимается с выхода операционного усилителя TL064 – IС8 (конт.7) и через резистор R134 подается на базу того же транзистора Q54. Транзисторы Q54-Q56 образуют собой схему фазового детектора. Полученный сигнал фазового рассогласования подается на вход микропроцессора (конт.12 – P3.2).

SmartUPS 1000 оборудован еще и датчиком реактивной составляющей выходного тока. Реактивная составляющая определяется путем измерения тока, протекающего через конденсатор С17 (который является составным, т.е. в реальности состоит из нескольких конденсаторов). Этот конденсатор установлен параллельно выходу UPS (рис.12), и ток через него будет протекать только при подключении к UPS нагрузки с реактивным характером, которая, как известно, в одном полупериоде потребляет ток, а в следующем полупериоде возвращает его обратно в источник, т.е. в UPS. Реактивная составляющая нагрузки определяет сдвиг потребляемого тока относительно напряжения, но не влияет на форму потребляемого тока (синусоиду). Ток конденсатора С17 протекает через первичную обмотку токового трансформатора CT1. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки CT1, пропорционально току заряда С17 и подается на микросхему управления ключами инвертора. Таким образом, реактивная составляющая нагрузки изменяет режим работы инвертора.

Рис.12 Датчик реактивной составлющей выходной мщности

Еще одним датчиком является датчик тока силовых ключей инвертора, который позволяет защитить ключевые транзисторы инвертора от чрезмерно большого тока и ограничить его величину на безопасном уровне. Функцию защиты ключей выполняет микросхема драйвера IC17. А вот величина тока вычисляется путем измерения напряжения в средней точке транзисторной стойки (рис.13). Напряжение средней точки (сигналы XFMR1 и XFMR2) подается на вход микросхемы IC17 (конт.12 и конт.13)

Рис.13 Датчик тока силовых ключей инвертора

В качестве датчика температуры, измеряющего температуру внутри UPS, используется терморезистор RTH1.

Источники питания

Для функционирования всей электронной схемы UPS, необходимо наличие нескольких питающих напряжений, а именно:

1) напряжения +5В (предназначено для питания микропроцессора, АЦП и всей логики ИБП);

2) напряжения +12В (предназначено для питания операционных усилителей, ЦАП, интерфейсных цепей и проч.);

3) напряжения +24В (предназначено для питания реле);

4) напряжения -8В (необходимо для питания ЦАП, драйверов инвертора и интерфейсных цепей).

Напряжение +24В формируется аккумуляторами, и из него получают все остальные положительные напряжения с помощью линейных интегральных стабилизаторов:

— на +12В (IC4 – Low-Drop стабилизатор типа LM340T-12)

— на +5В (IC5 – классический стабилизатор LM7805).

Наиболее интересным построением отличается источник напряжения -8В . Для формирования этого напряжения используется автогенератор, создающий импульсы, которые затем выпрямляются и сглаживаются (рис.14). Использование такого источника возможно потому, что нагрузка канала -8В является слаботочной.

Рис.14 Принцип формирования отрицательного напряжения -8V

BEEPER

В различных аварийных режимах UPS издает предупреждающие звуковые сигналы. Для формирования этих сигналов используется «пищалка» (по-английски, Beeper ), обозначаемая на схеме BZ1. На «пищалку» подаются высокочастотные импульсы, формируемые автогенератором, используемым для формирования отрицательного напряжения -8В . Импульсы с выхода операционного усилителя автогенератора (конт.2 – IC9) через R92 подаются на базу транзистора Q46, который уже непосредственно создает импульсный ток через BZ1. Кроме того, база транзистора Q46 соединена портом P0.5 (конт.34) микропроцессора. Этот выход микропроцессора является выходом с открытым коллектором (рис.15). Во время нормальной работы UPS этот порт открыт, т.е. на нем устанавливается « лог. 0 » (импульсы автогенератора шунтируются на землю). В результате транзистор Q46 закрыт и «пищалка» не работает. При возникновении аварийной ситуации, порт P0.5 закрывается, т.е. переходит в состояние высокого импеданса. В результате, импульсы автогенератора подаются на базу транзистора Q46, и BZ1 начинает издавать звуки.

Рис.15 Принцип управления «пищалкой» ИБП APC Smart-UPS 1000

Интерфейсы

Для связи с компьютером в SmartUPS 1000 используется интерфейс DB-9, который может работать как в режиме Simple Signaling , так и в режиме Smart Signaling. Для работы через интерфейс DB-9 используется специальный соединительный кабель черного цвета (номер по фирменному каталогу №940-0024С ), которым UPS подключается к последовательному порту RS-232 компьютера. Соединительный разъем на схеме обозначен J1. Назначение сигналов разъема представлено в табл.3.

Таблица 3.Сигналы интерфейсного разъема

Наименование

Shutdown Input

Входной сигнал отключения UPS . Для выключения UPS , на этом контакте должен установиться TTL -сигнал высокого уровня (+5В) или сигнал высокого уровня интерфейса RS -232 (+12 В) на время не менее 4.5 секунд. UPS выключается через 20 секунд после активизации сигнала. UPS реагирует на сигнал отключения только в том случае, если находится в режиме работы от аккумуляторов. Если UPS находится в интеллектуальном сигнальном режиме ( smart signaling mode ), то контакт используется для приема входных (управляющих) данных от ПК. Если UPS был вы-ключен посредством данного сигнала, то включение UPS возможно только после того, как входное сетевое напряжение вновь станет номинальным.

Transfer To On Battery Signal Output

Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на питание от аккумуляторных батарей. Когда UPS переходит на питание от батарей, этот сигнал изменяет свое состояние с низкого уровня интерфейса RS -232 (-12В) на высокий уровень интерфейса RS -232 (+12 В). Поэтому «нормальным» состоянием этого сигнала, т.е. когда входное сетевое напряжение находится на номинальном уровне, является состояние низкого уровня (-12В). Если используется интеллектуальный сигнальный режим ( smart signaling mode ), то данный контакт используется для передачи выходных данных от UPS на ПК.

Normally Open On Battery Signal

Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на питание от аккумуляторных батарей. Ос-новное отличие данного сигнала от сигнала на конт.2 заключается в том, что он является выходом с открытым коллектором, и поэтому может управлять цепями, работающими с сигналами уровней TTL . Сигнал Normally Open On Battery устанавливается в низкий уровень в момент перехода UPS на работу от аккумуляторных батарей. Так как это выход с открытым коллектором, то через внешние схемы к этому контакту должно прикладываться смещающее напряжение уровня TTL . Этот контакт позволяет напрямую управлять какой-либо нагрузкой, питающейся от напряжения величиной до 40 В, но величина тока нагрузки в этом случае не должна превышать значения 50 мА. Нагрузка, напрямую управляемая данным контактом не должна быть индуктивного типа.

Common

Normally Open Low Battery Signal

Выходной сигнал, показывающий, что аккумуляторные батареи разряжены. Контакт является выходом с открытым коллектором. Сигнал на контакте устанавливается в низкий уровень в том случае, если напряжение на батареях становится ниже соответствующего порога, т.е. когда батареи разряжены. Вывод совместим с сигналами уровней TTL . Кроме того, к контакту напрямую можно подключать нагрузку, питающуюся напряжением до +40В, при этом ток через контакт не должен превышать величины 50мА. Подключаемая нагрузка не должна быть индуктивного типа.

Normally Closed On Battery Signal

Выходной сигнал, показывающий, что UPS перешел на работу от аккумуляторных батарей. Контакт является выходом с открытым коллектором. Отличие данного сигнала от сигнала на конт.3 заключается в том, что внутренний транзистор, управляющий данным сигналом, при переходе на питание от аккумулятора выключается, устанавливая сигнал на этом контакте в высокий уровень (в то время как транзистор, управляющий контактом 3, наоборот открывается, устанавливая свой выходной сигнал в низкий уровень).

Remote Turn On/Off

Входной сигнал удаленного включения и выключения UPS . UPS включается и питает подклю-ченную к нему нагрузку при установке этого сигнала в высокий уровень интерфейса RS -232 (+12 В) на время, большее чем 1 секунда. Если же к данному контакту прикладывается потенциал зем-ли (0В) на время большее, чем 1 секунда, UPS выключается.

Unregulated +2 4 Vdc

Нерегулируемое напряжение +24В постоянного тока. На этом контакте должно присутствовать напряжение не ниже +18В. Между источником тока напряжения +24В (+18В) и конт.8 должен последовательно включаться токоограничивающий резистор, который ограничивает ток конт.8 на уровне 40 мА (параллельно включенные R 1и R 2).

Common

Управление интерфейсом осуществляется с помощью специализированной микросхемы IC2. Эта микросхема, в свою очередь, управляется микропроцессором по последовательному интерфейсу посредством передачи команд и считывания данных по линиям SDO-ASIC и SDI-ASIC. Однако эти сигналы к микропроцессору проходят через микросхему мультиплексора 74HCT257 (IC22), на микропроцессоре эти сигналы обозначены DATA-IN и SD-OUT.

Кроме того, SmartUPS 1000 оборудован еще и интерфейсом для подключения SNMP устройств, расширяющих функциональные возможности ИБП. В частности, при использовании SNMP-устройств, можно обеспечить подключение SmartUPS к локальной сети, а также оснастить его различными дополнительными датчиками (влажности, дыма, температуры и т.п.), позволяющими осуществлять мониторинг окружающей среды, что может оказаться очень полезным, например, при размещении ИБП в отдельной серверной комнате. Сигналы на SNMP-коннектор частично подаются от микропроцессора напрямую, а часть сигналов проходит через микросхему мультиплексора 74HCT257 (IC22).

Для обеспечения взаимодействия с пользователем, SmartUPS имеют достаточно информативную панель оператора, на которой отражается и величина нагрузки, и уровень заряда аккумуляторной батареи и текущий режим работы. Так как на панели оператора имеется достаточно много светодиодов, то управлением ими осуществляется с помощью двух микросхем типа UCN5821 (IC18 и IC19). Эти микросхемы представляют собой 8-разрядные преобразователи последовательного кода в параллельный с функцией защелкивания выходных данных. Информация о том, какие светодиоды панели управления должны светиться, передается с помощью сигналов DSP-DATA, DSP-CLK и LED-STRB. Эти данные формируются микропроцессором и передаются в последовательном виде по линии DSP-DATA. Передача 8-битного последовательного кода тактируется синхросигналами на линии DSP-CLK. Когда передача данных заканчивается, микропроцессор генерирует сигнал LED-STRB, по которому происходит защелкивание на выходах микросхемы UCN5821 параллельного кода, полученного из последовательного кода.

Кроме того, на управляющей панели имеется две кнопки ON (включение) и OFF (выключение).

На этом обзор схемотехники ИБП APC SmartUPS 1000 мы закончим, а его принципиальная схема представлена здесь. После обзора схемотехники, а также после анализа блок-схемы, представленной на рис.1, особых трудностей при работе с принципиальной схемой быть не должно.

Статьи

Ноутбуки
Мониторы LCD
Мониторы ЭЛТ
UPS
Системные платы
Источники питания
Печатающие устройства
Интерфейсы
Сканирующие системы
Технологии RECHARGE
Дисковая система

Вскрытие и осмотр начинки источника бесперебойного питания (ИБП) APC Back-UPS CS 500ВА BK500-RS

Привет всем читателям! Попалась мне в руки ИБП APC Back-UPS CS 500ВА BK500-RS. Работает давно, не помню уже с каких времен. Ремонт плановый, в виде замены АКБ. В остальном с электроникой все нормально. Материала вроде предостаточно по этой ИБП в интернете, но я все равно сделаю для истории свою статейку) Начнем с характеристик:

Выход
• Выходная мощность: 300Ватт / 500ВА
• Максимальная задаваемая мощность(Вт): 300Ватт / 500ВА
• Номинальное выходное напряжение: 230V
• Топология: режим ожидания
• Тип формы напряжения: Ступeнчатая аппроксимация синусоиды
• Максимальная выходная сила тока: 7
• Выходные соединители: (2) IEC Jumpers (Батарейное резервное питание); (1) IEC 320 C13 (selector_surgetitle); (3) IEC 320 C13 (Батарейное резервное питание)
• Время переключения: 4 мс типичное : 8 мс максимальное

Входной
• Номинальное входное напряжение: 230V
• Входная частота: 47 – 63 Гц
• Тип входного соединения: IEC-320-C14 inlet
• Диапазон входного напряжения при работе от сети: 180 – 260В
• Изменяемый (устанавливаемый) диапазон входного напряжения: 160 – 282В
• Число сетевых шнуров: 1

Корпус у данного ИБП пластиковый, когда-то был белого цвета. За время использования превратился такой в грязно-белый, да и + ко всему, стоял у нас этот ИБП в серверной, где прошел ремонт. В общем, теперь он такой красавец в крапинку. На передней панели расположена кнопка включения ИБП, и четыре светодиода, оповещающие нас о том, что происходит с ИБП. С боков в самом низу располагаются вентиляционные отверстия. Точно такие же имеются на верхней части источника. Служат для естественного охлаждения.

На задней панели расположен входной разъем, блок выходных разъемов, три разъема работают от АКБ в случае отключения питания, а один, обозначенный серого цвета, подключен ко входному разъему, но только через автоматический выключатель, его вы увидите ниже. Защита телефонной линии, либо Ethernet, отсутствует. На дне ИБП расположена крышка батарейного отсека, который является полноценным боксом, и отделен от платы электроники и трансформатора. Всегда мне в APC это нравилось. Не часто встречается такая фича.

Чтобы добраться до электроники, нам необходимо открутить два винта на задней панеле, снять её (что делается очень легко), и затем снять одну из половинок. Далее, чтобы освободить плату, необходимо отключить провода. Вот тут мне пришлось попыхтеть. Все провода подходящие к силовым разъемам задней панели терминированы методом пайки. И вот тот самый автоматический выключатель TEKNIC TR11 WY63 7.0 A. Установлен из расчета на то, сколько выдержит входной провод.

Плата с передней панели. В ней ничего особенного: микрик да четыре светодиода. Но вот здесь есть интересный момент. Подключается плата плоским шлейфом, и который не впаял в плату, а сначала на концах обжат, а уже затем с такими наконечниками запаян в плату. Очень интересное решение.

Вся электроника выполнена на одной плате. Монтаж качественный, ни каких нареканий не возникает. Плата двухсторонняя, сборка выполнена автоматическим монтажом. Единственное, это то, что плата немного обрезана плохо от общей заготовки. Такая волосатая. Главное, что не как в загадке: «Стоит в углу и волосатый».

На плате собраны полноценные фильтры помех. Помимо того, что на входе имеется фильтр, на выходе установлено полно помехоподавляющих конденсаторов. Немного подробнее: дроссель 420-0053-Z-001, варистор GNR20D561K, GNR14D471K, множество керамических конденсаторов JNC JY472M X1/Y1.

Блок питания собран по импульсной схеме с применением ШИМ-контроллера TNY255N от Power Integrations. Конденсаторы в блоке питания установлены фирмы Jamicon.

На плате установлено только одно реле. Сделано оно из белого пластика. Модель O/E/N 68-12-2CE DC12V от OEN India Limited.

Переходим к инвертору. Собран он на двух транзисторах STP140NF55 от STMicroelectronics, которые установлены на два радиатора для охлаждения.

Рядом с ним имеются два транзистора STP55NF06 от тех же STMicroelectronics. Один подключен к обмотке трансформатора, а вот куда другой подключен – я не посмотрел, и особо не задавался вопросом для чего они используются.

Как я уже говорил ранее, фирма APC любит делать сложные устройства, напичканы кучей защит. Отсюда сразу растет огромное количество компонентов и микросхем, которое варьируется от одного устройства к другому. На данной плате были обнаружены: ОУ LM324DG в количестве двух штук от ON Semiconductor, сдвиговый регистр 74HC595D и осциллятор HEF4060BT. Также на плате присутствует TL1431C. На плате присутствует множество компонентов в корпусе SOT-23 с маркировками 7CW, A4W, A7W, W1M, W2F, 8F, 702.