Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП)
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.
Содержание статьи
- Назначение и виды источников бесперебойного питания
- Варианты построения рабочих схем ИБП
- Преимущества и недостатки UPS Standby
- ИБП интерактивной схемы
- ИБП двойного преобразования
- Состав ИБП
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, солнечных батарей 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 питание электрических котлов, 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 аккумулятор, 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 импульсными блоками, 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;
- зарядное устройство, 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.
Читайте также по этой теме: Как выбрать ИБП для котла
- Как устроен электрический звонок: принципы работы
- Как устроены и работают инфракрасные датчики движения
- Как устроены и работают программируемые комнатные термостаты для теплых полов
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Схемотехника и ремонт бесперебойного блока питания
Внезапные отключения электроэнергии — не такое уж частое явление, но случаются они, обычно, в тот момент, когда долго вводимые перед этим данные не успели сохранить. Исключить такие ситуации призвано использование UPS (Uninterruptible Power Supply, он же ИБП – Источник Бесперебойного Питания), оберегающего компьютер от потери данных при исчезновении внешнего электроснабжения. Эти в целом надежные приборы иногда выходят из строя, а отремонтировать во многих случаях их можно самостоятельно.
Таблица неисправностей и возможных причин поломки
Здесь и далее рассматриваются локальные UPS – предназначенные для питания одиночных ПК с периферией. Такие устройства применяются в офисах, их мощность не превышает 10 ватт.
Самые простые ситуации можно разрешить, не обладая специальными знаниями и навыками и не разбирая ИБП. Эти случаи сведены в таблицу.
Видимое проявление проблемы | Возможная причина | Способ устранения |
---|---|---|
UPS не включается или работает только от аккумулятора | Неисправен сетевой шнур | Заменить сетевой шнур |
Перегорел плавкий предохранитель или сработало устройство защиты. | Заменить предохранитель или взвести защитное устройство. | |
Отсутствует или неисправна батарея | Установить исправную АКБ | |
При исправной батарее горит сигнал низкого уровня заряда | Сбилась калибровка зарядного контроллера | Восстановить калибровку с помощью ПО от производителя |
Нет питания нагрузки при исчезновении напряжения сети (аккумулятор исправен) | Сбой программного обеспечения | Сбросить контроллер кнопкой «Сброс» (если есть) или перепрошить программу |
Не заряжается АКБ | Сбой программного обеспечения | Сбросить контроллер кнопкой «Сброс» или перепрошить программу |
ИБП отключается, горит значок перегрузки | Излишняя нагрузка | Уменьшить мощность нагрузки или количество потребителей |
Не все УПС управляются программно. Недорогие модели собраны на дискретных элементах и микросхемах небольшой степени интеграции. Советы по перезагрузке, перепрошивке или настройке ПО к ним не относятся. Также надо учитывать, что одни и те же неисправности могут быть как при сбое работы ПО, так и при проблемах с «железом», поэтому сброс или перепрошивка – сродни первой медицинской помощи. Может помочь, а может не помочь. В этом случае понадобится глубокая диагностика и ремонт аппаратной части.
Основные виды схем применяемых в ИБП
Если предварительное тестирование проведено, то можно попытаться провести более глубокую диагностику. Даже обладая специальными знаниями, полезным будет изучить общие принципы работы ИБП и принципиальные схемы конкретных приборов.
Для резервирования питания офисной техники применяются несколько типов бесперебойников, различающихся своей схемотехникой. Первый тип – Offline .
Как и у всех УПС, в схеме имеется сетевой фильтр, зарядное устройство и батарея, которая питает преобразователь (инвертор) постоянного напряжения в переменное. В нормальном режиме выход преобразователя к нагрузке не подключен. При исчезновении питающей сети происходит переключение потребителей на питание от инвертора. Основной минус такого подхода – на переключение требуется время. Оно минимально для человеческого восприятия, но для техники может быть слишком большим. Некоторые устройства могут за это время отключиться или потерять данные. Зато эти бесперебойники простые, дешевые, надежные и ремонтопригодные.
ИБП, построенные по схеме Line interactive , работают по сходному принципу, но у них на входе установлен стабилизатор сетевого напряжения. Он построен по принципу переключения отводов первичной обмотки трансформатора. Поэтому при изменениях параметров сети потребители питаются стабильным напряжением, и переключение в автономный режим происходит только тогда, когда входной стабилизатор не может справиться. То есть, гораздо реже.
Самым дорогим, но и оптимальным способом построения резервного источника считается On-line . В этом случае батарея постоянно подзаряжается сетевым напряжением (буферный режим), а потребители постоянно питаются от инвертора стабилизированным напряжением. При исчезновении питания от сети не происходит переключения, бестоковая пауза отсутствует. Такие приборы эффективны, но дороговаты.
Алгоритм ремонта источника бесперебойного питания
Если есть подозрения на выход из строя (потерю емкости) аккумулятора, проверить его можно без разборки прибора. Для этого надо подержать UPS включенным в сеть 220 вольт до заведомо полной зарядки АКБ. Потом к разъему для нагрузки надо подключить лампы накаливания соответствующей мощности (для источника с выходной мощностью 600 ватт потребуется 10 стоваттных ламп) и дождаться появления сигнализации разряда батареи (Low battery level).
Светодиодные лампы непригодны для тестирования в таком режиме. Их потребляемая мощность недостаточна, разрядная батарея будет состоять из нерационально большого количества элементов.
Если время полного разряда существенно меньше заявленного в технической документации, значит, пришло время задуматься о скорой замене батареи. Если емкость снизилась до уровня, при котором время резервирования стало неприемлемым, менять аккумулятор придется срочно.
Если предварительные методы диагностики и ремонта результата не дали, можно разобрать UPS и попытаться протестировать более глубоко. Прежде надо здраво оценить свою квалификацию – если она недостаточна, возможно, поход в сервисный центр обойдется дешевле и быстрее.
Если решение починить прибор самостоятельно принято, надо изучить конструкцию корпуса бесперебойника. Некоторые приборы помещены в пластиковый кейс, скрепленный винтами.
Перед началом разборки отключить прибор от питающей сети 220 вольт, отключив сетевой шнур от розетки и от источника бесперебойного питания.
Чтобы снять крышку, надо перевернуть УПС и снизу отвернуть четыре винта (самореза). В некоторых устройствах крышка крепится на защелках, которые надо аккуратно оттянуть.
Компоновка обычна для большинства недорогих UPS:
- в верхнем отсеке находится плата с электроникой, на стенку выведены разъемы для слаботочных цепей;
- в нижнем – аккумулятор, силовой трансформатор, на стенку выведены силовые разъемы.
Если тест аккумулятора не проведен до разборки, его можно произвести сейчас, но понадобится набор лампочек на 12 вольт. Надо полностью зарядить АКБ и подключить к нему нагрузку из ламп. Контролируя напряжение на выходе, надо зафиксировать время разряда до 10,5 вольт. Емкость при этом вычисляется по формуле:
- С – фактическая емкость в ампер-часах;
- P — мощность лампы, Вт;
- 12 – напряжение АКБ, вольт;
- t – время разряда, часов.
Еще лучше замерить ток разряда и подставить его в формулу вместо множителя P/12 в амперах. Решение о замене батареи принимается по тем же критериям, что и при тестировании без разборки.
Надо помнить, что некоторые ИБП вообще не включаются при отсутствии или серьезной неисправности аккумулятора. Поэтому поиск проблемы рекомендуется начать с тестирования АКБ.
Компоновка аппарата APC Back Up 500 выполнена по-другому. Для аккумулятора предусмотрен отдельный отсек, добраться до него можно без разборки, просто отжав защелку крышки.
Входная силовая часть (фильтр и силовой трансформатор) расположены в другом отсеке.
Чтобы до него добраться, надо вывинтить два самореза. Откроется ниша с элементами силовой цепи.
Чтобы добраться до платы с электроникой, надо отжать защелки передней панели.
В приборах других производителей порядок разборки и расположение основных элементов может отличаться. На основании приведенных примеров разобраться не составит труда.
Диагностику прибора начинают с визуального осмотра. Так можно обнаружить:
- отпаявшиеся провода;
- вздувшиеся оксидные конденсаторы;
- отгоревшие дорожки;
- трещины;
- обгоревшие компоненты.
Читайте также
Схема бестрансформаторного источника питания
Если элемент обгорел, это не говорит однозначно о нем, как о виновнике неисправности. Проблема может быть в другом компоненте. Но уже так можно локализовать неисправность на участке схемы.
Если невооруженным глазом обнаружить проблему не удалось, надо анализировать схему. Пошаговую инструкцию в этом случае дать невозможно – схемы разнообразны, а потенциальные неисправности еще разнообразнее. Но общий принцип поиска проблемы разобрать вполне реально. Это будет сделано на примере UPS N-Power SVP-625 – в ней применены стандартизированные решения без особенностей. Схема ИБП построена под управлением микроконтроллера MDT10P73.
Рассматривая структурную схему, легко понять, что этот прибор относится к классу Line active. Сетевое напряжение, пройдя через фильтр, поступает на силовую высоковольтную обмотку, которая служит для входа и для выхода – в зависимости от режима. Схема AVR (автоматическая регулировка напряжения) в зависимости от уровня на входе, может подключить дополнительно к основной обмотке (синий и черный провода) регулировочную – провода белый и синий. В зависимости от входного уровня, дополнительная секция подключается к основной то в фазе, то в противофазе, добавляя или уменьшая напряжение на выходе. Коммутация осуществляется с помощью реле RY2 и RY3 (обозначения по принципиальной схеме). Реле RY1 замыкает вход и выход в нормальном режиме работы, при его размыкании потребители запитываются от аккумулятора через инвертор.
Зарядное устройство, построенное по принципу линейного стабилизатора, питается от дополнительной обмотки, от нее же питается схема формирования dead time (клампирование) – она нужна, чтобы исключить сквозной ток через транзисторы инвертора.
Инвертор построен по пушпульной схеме. Ключами служат полевые транзисторы.
Диагностику надо начать с проверки предохранителей FUSE1 и FUSE2. Чаще всего они перегорают из-за выхода из строя транзисторов инвертора Q4..Q7. Обнаружив неисправность плавких вставок надо сразу протестировать и полевые транзисторы .
Дальнейшую диагностику лучше проводить исходя из внешних признаков неисправности. Если при включении ИБП не подает признаков работы (не слышен легкий гул трансформатора, не горят индикаторы) и предохранители исправны, проверяется:
- наличие переменного напряжения на входе (контакты 3 и 4 клеммника CN1);
- при его отсутствии проверяется сетевой шнур и его соединения;
- если напряжение присутствует, проверяется наличие выходного напряжения на клеvмнике CN2 (контакты 1,2);
- если его нет, проверяется исправность контактных групп реле RY1, RY2, RY3 и элементов входного фильтра CX1, MOV1, CY1, Cy2 и выходного фильтра CX2 и R100.
Если все в порядке, а индикации включения нет (Power), проверяется операционный усилитель U2 и его обвязка.
Если не заряжается заведомо исправная батарея и отсутствует индикация VBAT, проверяется:
- наличие переменного напряжения на клеммнике CN1 контакты 3 и 4;
- при его наличии – исправность диодного моста D5..D8;
- если там все в порядке – наличие постоянного напряжения на входе и выходе микросхемы LM317 (U5);
- при отсутствии напряжения на входе проверяется транзистор Q8 схемы CLAMP;
- при отсутствии напряжения на выходе с большой вероятностью неисправна LM317.
Если не происходит стабилизации напряжение при изменениях в сети, надо проверить исправность реле RY2, RY3 и транзисторных ключей Q11, Q12. Если все в порядке, надо проверить исправность датчика входного напряжения (сигнал HOT, операционный усилитель U2 формирует постоянное напряжение, пропорциональное сетевому). Если все в порядке, есть основания думать, что неисправен микроконтроллер.
При любых подозрениях об исправности контроллера, надо проверить наличие напряжения питания +5 вольт на выводе 20, наличие тактовых импульсов с частотой 20 МГц на выводах 9,10, а также всех входных сигналов, задающих режимы работы.
Если при исчезновении питающей сети напряжение к потребителям не поступает, АКБ и датчик напряжения (тракт HOT-VIN) в порядке, проверяется исправность реле RY1, транзистора Q10 и наличие на затворе ключа сигнала на переключение. Если все в порядке, надо проверять, в порядке ли контроллер. Если переключение происходит, а переключения нет, проверяется:
- Наличие импульсов на затворах пар Q4Q5 и Q6Q7 (линии PSHPL2 и PSPHL1).
- Если их нет, проверяется исправность ключей микросхемы U3.
- Если все в порядке – снова проверяется контроллер.
Также могут быть и другие неисправности — проблемы с датчиком тока, с формированием управляющих сигналов, с питающими напряжениями и многое другое. Все перечислить и предугадать невозможно. Процесс поиска неисправности весьма творческий, и для успеха надо хорошо разобраться в работе схемы.
Найденные компоненты, вышедшие из строя, заменяют. Если это мощные транзисторы, эксплуатирующиеся на радиаторах, их сначала надо установить на теплоотвод на теплопроводящую пасту или упругую подложку, привинтить – а потом припаивать.
Самая сложная проблема – намоточные детали (дроссели, трансформаторы) . Перемотка «на коленке» в большинстве случаев не дает надлежащего качества, и срок службы будет недолгим. Здесь поможет наличие прибора-«донора», из которого можно взять недостающие детали. Если неисправен микроконтроллер, новый чип придется запрограммировать. Для этого понадобится собственно программа прошивки, а также программатор с соответствующим ПО.
Для наглядности рекомендуем к просмотру тематические видео.
Если неисправен ИБП другого типа, ремонт начинается с поиска принципиальной схемы и ее изучения до полного понимания принципа действия. А данное руководство в этом поможет.
Схемотехника источников бесперебойного питания: наглядные примеры
В данной статье рассмотрим схемотехнику источников бесперебойного питания различных типов.
Источник бесперебойного питания (ИБП или UPS) применяется для сохранения работоспособности электроприборов на ограниченное время при перебоях напряжения в питающей сети. Устройства чаще всего используются совместно с серверами, компьютерами, различной офисной техникой и т. д. Схемотехника бесперебойников определяется условиями его использования: подключаемой мощностью, продолжительностью поддержания нужного напряжения питания и некоторыми дополнительными функциями. Обозначение источника бесперебойного питания на электрических схемах показано ниже:
Подключение ИБП
Большинство устройств оснащены USB-портом для подключения к ПК. Поэтому при отключении основного источника напряжения компьютер автоматически переходит в режим низкого потребления энергии. Чтобы UPS согласованно работал с ПК, достаточно соединить их через свободный порт, а на ПК установить драйвер, идущий в комплекте с ИБП. Также не стоит забывать, что нагрузка, подключаемая к устройству, должна потреблять в 1,5 раза меньше энергии (в ваттах), чем мощность UPS, умноженная на 0,7. Т. е. инвертор в 1000 Вт можно использовать для питания нагрузки мощностью до 470 Вт (максимум – 700). Ниже – схема подключения ибп:
Стоит отметить, что подключать к бесперебойнику принтеры не рекомендуется: при включении этого устройства в сеть формируется сильный скачок потребления энергии, который инвертор примет за опасность и перейдет в защитный режим. Сетевой фильтр для UPS не нужен, т. к. имеется встроенный. Ниже принципиальная электрическая схема ИБП наиболее простого исполнения.
Подобный прибор способен выдать нестабилизированное напряжение в 12 и стабилизированное в 5 вольт. Как только электроэнергия отключается, в работу вступает аккумулятор (на схеме В1). Если вам нужно на выходе стабилизированное напряжение в 15 вольт, соедините последовательно пару АКБ на 12 В, а также используйте стабилизатор 7815 (сейчас – 7805).
Схемы бытовых ИБП переменного тока
Устройства подключаются к обычной однофазной сети 220 вольт. По функциональной схеме существует три разновидности:
- оффлайн (offline) или резервные – бюджетный вариант;
- линейно-интерактивные;
- онлайн (online) – с двойным преобразованием (наиболее дорогие).
Структурная схема источника бесперебойного питания с двойным преобразованием представлена ниже:
Эти приборы, помимо высокой стоимости отличаются низким КПД: много энергии преобразуется в тепло. Чем же обосновано использование таких устройств? Главный плюс заключается в моментальной реакции на отключение основного источника питания. Далее – схема ups линейно-интерактивного типа:
Этот вид ИБП представляет собой обычный автотрансформатор, у которого обмотки соединены напрямую, что обеспечивает стабилизацию напряжения. Однако подобные устройства уже включены в большинство бытовых приборов, и, если в вашей сети отклонения от номинального напряжения небольшие, то нет смысла покупать дорогое линейно-интерактивное изделие. Можно обойтись обычным оффлайн, схема ибп 12 в которого представлена ниже:
Переключение в резервный режим в подобных бесперебойниках происходит чаще всего с помощью механического реле, чтобы не удорожать конструкцию. Если деталь качественная, ее хватит на весь период работы блока. Если реле дешевое, то выход из строя ИБП чаще всего происходит именно из-за него.
Инвертор
Его задача в составе UPS – преобразование постоянного напряжения в переменное 220 В и подача к потребителю. Иногда задействуется режим «байпас». Это когда выходное напряжение инвертора формируется из сетевого, т. е. аккумулятор не используется. Благодаря этому переключение на резервный режим происходит мгновенно. Схема инвертора бесперебойника (верхняя часть – сетевой фильтр, GV1 — АКБ):
Трансформатор от ИБП и его применение
Один из вариантов использования этого элемента бесперебойника – изготовление блока питания. Снимите трансформатор, омметром найдите обмотку с наибольшим сопротивлением: на нее подается 220 В. Теперь измерьте напряжение на остальных выводах и найдите 15 В. Остается к нему подсоединить выпрямительный мост, сглаживающий конденсатор – блок готов. Простейшая схема подключения трансформатора от бесперебойника:
Подобное самодельное устройство можно использовать, например, для подзарядки ноутбука.
Схема бесперебойника с ЮСБ интерфейсом
Во многих портативных устройствах есть схемы, получающие напряжение питания через USB-порт. Если ток пропадает, подключается аккумулятор. Чтобы при переключении напряжение не пропадало, можно использовать простейшую схему бесперебойника с юсб интерфейсом, собранную на диодах. Она достаточно эффективна, правда, в ней теряется много мощности:
Что такое источник бесперебойного питания — назначение и описание устройства
Современные бытовые сети 220 вольт в целом надежны, но нештатные отключения напряжения время от времени происходят, а случаются они обычно неожиданно. Это приводит к потере данных, а иногда к порче оборудования. Естественно желание пользователей защититься от такой ситуации.
Справиться с такой проблемой поможет источник бесперебойного питания (ИБП). Из зарубежной технической литературы к нам пришла аббревиатура UPS (расшифровка – uninterruptable power supply, означает примерно то же самое). Оба термина (а также «обрусевший» УПС) широко распространились в быту и технике.
Для чего нужен ИБП
Назначение ИБП – поддержать электроснабжение компьютеров и другого оборудования после исчезновения напряжения в сети, чтобы дать пользователю возможность сохранить введенные данные и штатно завершить работу систем. Профессиональные источники также позволяют поддержать технику без выключения на период достаточно длительной бестоковой паузы на входе.
Конструкция и принцип работы
Принципиально в состав ИБП должны входить следующие узлы, выполняющие предназначенные функции:
- Зарядное устройство . Это участок схемы управления, отвечающий за зарядку аккумулятора.
- Аккумулятор . Основной компонент – обеспечивает питание нагрузки при исчезновении напряжения в сети.
- Преобразователь (инвертор) . Предназначен для преобразования постоянного напряжения от аккумуляторов в близкое к переменному, подходящее для питания резервируемой нагрузки.
У многих ИБП форма выходного напряжения далека от синусоидальной. Это надо учитывать при применении UPS для питания нестандартных нагрузок.
Также многие УПС в зависимости от исполнения имеют вспомогательные устройства:
- схема контроля напряжения — срабатывает при выходе сетевого напряжения за пределы 220 вольт и переключающая нагрузку на электроснабжение от батарей;
- схема защиты UPS от нештатных режимов;
- схема коммутации (служит для переключения источника питания нагрузки);
- схема контроля уровня заряда АКБ;
- фильтр, не пропускающий верхние гармоники выходного напряжения, чтобы на выходе получить нечто похожее на синус вместо ступенчатого или прямоугольного сигнала;
- схема индикации.
Продвинутые блоки бесперебойного питания могут осуществлять связь с компьютером (например, генерировать сигнал на завершение работы ОС при исчерпании запаса энергии в аккумуляторе).
Основные типы
При всем разнообразии технических решений, большинство бесперебойников можно свести к трем типам:
- Offline (резервные) . У этой категории ИБП при наличии напряжения на входе нагрузка питается от сети, и лишь в аварийном режиме (выходе входного напряжения за установленные пределы) переключающаяся на питание от преобразователя. В большинстве случаев это делается с помощью электромеханических реле. Недостатком таких схем является большое время переключения источника питания (до сотых долей секунды) и все проблемы, связанные с наличием контактных групп реле (подгорание, износ механических узлов и т.п.). К плюсам относят относительную простоту схемотехнических решений и невысокую стоимость.
- Line-interactive . Принцип работы такого ИБП также относится к категории offline, но нагрузка в штатном режиме питается не прямо от сети, а через промежуточный трансформатор, первичная обмотка которого имеет отводы. Схема управления отслеживает выход напряжения за пределы и пытается исправить его, коммутируя отводы для достижения на выходе штатного уровня. Во многих случаях трансформатор имеет лишь одну дополнительную секцию. Ее можно отключить, подключить синфазно с основной секцией или противофазно ей. Это позволяет иметь трехступенчатую регулировку выхода. В большинстве случаев этого достаточно. Лишь когда трансформатор не справляется (особенно, при полном отсутствии сети), происходит переход на питание по схеме аккумулятор-инвертор. Такая конструкция имеет дополнительный плюс – переход на резерв происходит намного реже, повышается долговечность УПС, продлевается ресурс аккумуляторов.
- Online (с двойным преобразованием) . Эта топология считается наилучшей для построения ИБП.
Переменный ток сети выпрямляется (выпрямитель одновременно служит зарядным устройством для АКБ), а потом вновь преобразовывается в переменный. На линии постоянного тока подключены аккумуляторы в буферном режиме. При исчезновении напряжения на входе в работу включается аккумулятор.
Особенностью такого построения является то, что коммутация при нештатной ситуации не нужна, поэтому время переключения равно нулю, а бестоковая пауза на выходе отсутствует. Также плюсами являются независимость выходного напряжения от входного (его параметры полностью задаются DC-AC преобразователем) и более высокая надежность. Недостатком таких UPS считается высокая стоимость и пониженный КПД.
Технические характеристики UPS
Выбор УПС производится по его характеристикам, которые условно можно разделить на входные и выходные. Важно найти оптимальный баланс — параметры UPS должны устраивать пользователя, но без переплаты за избыточные характеристики и функции.
Входные
Главным входным параметром бесперебойника является питающее напряжение. Оно должно соответствовать напряжению сети. Также надо обратить внимание на потребляемый ток (автоматический выключатель, защищающий сетевую розетку, должен его выдерживать) и частоту сети. Эти данные обычно написаны около разъема сетевого питания.
Выходные
На уровень напряжения и его частоту также надо обратить первоочередное внимание и при изучении выходных параметров. Для компьютера это может быть неважным – его БП импульсный, питающее напряжение все равно сначала выпрямляется. А для энергоснабжения вспомогательных устройств этот момент может оказаться критичным. Если здесь все в порядке, дальше надо обратить внимание на нагрузочную способность – выходную мощность УПС. Она должна быть не меньше, чем суммарная мощность всех нагрузок.
Следующий важный для пользователя параметр – время автономной работы. Он зависит от емкости батареи и в определенной мере связан с другой характеристикой – временем зарядки полностью разряженной АКБ. Это время показывает, сколько будет восстанавливаться ИБП после исчезновения напряжения сети и разряда аккумулятора, близкого к полному. Для наглядности эти параметры приведены в таблице для нескольких популярных источников.
Тип UPS | APC BK500EI | Ippon Back Power Pro | Powercom War 500A | Tripp Lite Pro 550X | APC Back UPS ES525VA |
---|---|---|---|---|---|
Время работы, мин | 5 | 5 | 8 | 4 | 4 |
Время зарядки, ч | 6 | 4 | 6 | 5 | 5 |
Отсутствие жесткой зависимости времени работы под полной нагрузкой и временем зарядки объясняется различными условиями пополнения энергии (разным зарядным током), но в целом корреляция прослеживается.
Кроме того, надо обратить внимание на наличие:
- защит от перегрузки, а также коротких замыканий;
- защиты от высоковольтных импульсов (пиков);
- индикации нормальных и аварийных режимов;
- время переключения;
- наличие управления с ПК.
Также важным может быть количество выходных разъемов для подключения нагрузок, но здесь все равно имеется ограничение по нагрузочной способности ИБП.
Некоторые выходы УПС может быть не резервированы от аккумулятора, а лишь защищены от выбросов и помех.
Часть характеристик написана на шильдике УПС, часть – в технической документации (паспорте). Некоторые можно определить визуальным осмотром (количество розеток, разъем для связи с ПК и т.п.).
Срок службы
Срок службы UPS определяется периодом эксплуатации электронной схемы (включая силовые элементы) и временем работы аккумуляторов. Современные электронные компоненты довольно надежны, если они проработают 5..7 (а то и более) лет, никто не отметит чего-то из ряда вон выходящего.
Другое дело батареи. Они работают в буферном режиме, их срок эксплуатации составляет 4..6 лет. Увеличить этот период сложно, а уменьшить неправильной эксплуатацией очень легко. Например, отрицательно влияют на срок службы батарей глубокие разряды. Несмотря на достаточно большую емкость, аккумуляторы ИБП (особенно простых, применяемых в быту и в офисах) не могут обеспечить длительное время работы компьютера. Поэтому услышав писк UPS, возвещающий об исчезновении сетевого напряжения, лучше не работать на компьютере до последнего издыхания аккумулятора бесперебойника, а штатно завершить работу и дождаться восстановления 220 вольт в розетке.
Важность использования для компьютера
Самая важная задача ИБП – дать пользователю время завершить работу без потери введенных данных. Но не менее значительна функция штатного выключения некоторого «железа» компьютера. Так, жесткому диску нужно время, чтобы правильно «припарковать» головку. Если питание исчезло раньше, это чревато поломкой недешевого устройства.
В связи с переходом на SSD эта проблема стремительно остается в прошлом, тем не менее, штатное завершение работы всегда лучше нештатного.
Другая проблема – корректное завершение работы операционной системы. При внезапном отключении могут не только не сохраниться данные, но и повредиться системные файлы. Это может привести к необходимости переустановки ОС.
Применение UPS не принципиально для работы с компьютером, особенно если питающая сеть надежна. Но одно-единственное исчезновение напряжения в неподходящий момент может привести к неприятным последствиям, поэтому лучше подстраховаться заранее.
Становой Алексей
Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.