Как работает ибп на принципиальной схеме

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.

Кнопка взвода устройства защиты сети UPS APC.

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 .

Структурная схема ИБП 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.

Работа UPS типа Line interactive в нормальном режиме и в режиме резервирования.

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.

Блок-схема устройства On-line.

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.

Винты крепления верхней панели.

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.

Тестирование АКБ под нагрузкой из ламп на 12 вольт.

Компоновка аппарата APC Back Up 500 выполнена по-другому. Для аккумулятора предусмотрен отдельный отсек, добраться до него можно без разборки, просто отжав защелку крышки.

Отсек АКБ.

Входная силовая часть (фильтр и силовой трансформатор) расположены в другом отсеке.

Снятие задней крышки.

Чтобы до него добраться, надо вывинтить два самореза. Откроется ниша с элементами силовой цепи.

Расположение входных цепей и силового трансформатора.

Чтобы добраться до платы с электроникой, надо отжать защелки передней панели.

Снятие передней панели APC 500.

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.

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.

Блок-схема UPS N-Power SVP-625.

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.

Выходное напряжение и нулевой уровень dead time.

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:

1. Наличие импульсов на затворах пар Q4Q5 и Q6Q7 (линии PSHPL2 и PSPHL1).
2. Если их нет, проверяется исправность ключей микросхемы U3.
3. 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.

Мощные транзисторы на радиаторах в ИБП Powerman 600.

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 источника бесперебойного питания N-Power SVP-625

В статье рассматривается принципиальная схема источника бесперебойного питания (ИБП) под российско-итальянским брэндом N-Power. Однако маломощные ИБП этой торговой марки производились на китайских заводах, и их качество, мягко говоря, оставляет желать лучшего. Поэтому отказы этих устройств не являются редкостью. А что самое ценное при ремонте электронного устройства? Конечно же, наличие принципиальной схемы.

Источник бесперебойного питания N-Power SVP625 (Smart-Vision Prime) мощностью 625 ВА относится к системам линейно-интерактивного типа. Этот тип систем предполагает, что ИБП переходит на питание от аккумуляторов только в случае пропадания сетевого питающего напряжения или при значительном отклонении напряжения от номинального диапазона значений. В состав любого линейно-интерактивного источника входит модуль автоматической регулировки выходного напряжения (англ. — AVR), который позволяет повышать или понижать входное сетевое напряжение на фиксированную величину, в результате выходное напряжение остается в заданном диапазоне значений. Наличие AVR приводит к тому, что ИБП значительно реже переходит на работу от аккумуляторов, что положительно сказывается на ресурсе батарей.

Рис. 1. Форма выходного тока ИБП

Рис. 2. Внутренняя компоновка ИБП

N-Power SVP-625 при работе от аккумуляторов формирует на своем выходе импульсное переменное напряжение (рис. 1), о чем в рекламных буклетах производитель умалчивает. UPS оснащен коммуникационным интерфейсом USB для мониторинга и управления. Внутренняя компоновка источника питания представлена на рис. 2, на котором видно, что в качестве силового трансформатора используется тороидальный трансформатор, к преимуществам использования которого можно отнести следующие:

— снижение уровня шума;

— улучшение массогабаритных показателей;

— снижение токов холостого хода в 10. 20 раз;

— уменьшение электромагнитных полей рассеяния в несколько раз. Назначение обмоток трансформатора и общая схема его подключения представлены на рис. 3. Конфигурация обмоток трансформатора является достаточно традиционной для линейно-интерактивных ИБП данного класса. Можно считать, что имеется три обмотки:

— Силовая низковольтная обмотка, ток в которой формируется инвертором в момент перехода на работу от аккумуляторов. В среднюю точку этой обмотки подается напряжение с аккумулятора. Поочередное переключение силовых ключей инвертора формирует ток то в одном, то в другом плече этой обмотки, в результате чего и создается выходной переменный ток. Провод этой обмотки имеет максимальное сечение. Средний вывод обмотки обозначается красным проводом, а крайние выводы — черным и белым проводами (достаточно часто встречаются трансформаторы, в которых вместо белого провода используется синий).

Рис. 3. Назначение обмоток трансформатора и общая схема его подключения

— Высоковольтная силовая обмотка, подключенная к входу-выходу ИБП. К этой обмотке прикладывается сетевое питающее переменное напряжение 220 В или наоборот, на этой обмотке формируется выходное напряжение ИБП при работе от аккумуляторов. Эта обмотка совмещена с обмоткой автоматического регулятора напряжения AVR, и вместе они представляют собой автотрансформатор. На обмотке AVR формируется напряжение, уровень которого составляет примерно 13% от уровня сетевого напряжения, и это напряжение добавляется к сетевому, или вычитается из него. Другими словами, модуль AVR представляет собой автотрансформатор, обмотка которого подключается синфазно или противофазно в зависимости от того, что требуется сделать — повысить или понизить выходное напряжение относительно входного.

— Дополнительная (вторичная) обмотка, к которой подключается зарядное устройство или схема фиксации (клампирования). Когда сетевое напряжение присутствует, ЭДС, наведенная на этой дополнительной обмотке, используется для заряда аккумулятора. Когда же сетевое напряжение пропадает, и ИБП переходит на работу от аккумулятора, эта обмотка используется для фиксации на нулевом уровне выходного напряжения ИБП в моменты между "отрицательными" и "положительными" полуволнами (рис. 4).

Рис. 4. Эпюра выходного напряжения ИБП с фиксированным нулевым уровнем

В целом, схемотехника рассматриваемого ИБП не отличается какими-либо интересными решениями, все реализовано традиционно, как и в подавляющем большинстве аналогичных устройств других производителей. Конструктивно вся схема ИБП выполнена на одной печатной плате типа PB-000SC-1КОМ-V80 (рис. 5). Принципиальная схема этой платы представлена на рис.6. На самом деле в этом UPS есть еще одна печатная плата (на рис. 5 она справа), которая запаивается в основную плату. На этой дополнительной плате находится контроллер USB, выполняющий функцию коммуникации с персональным компьютером.

Рис. 5. Внешний вид печатной платы PB-000SC-1КОМ-V80

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема ИБП (по щелчку крупно)

Далее мы проведем анализ схемотехники этого ИБП по принципиальной электрической схеме (рис. 6) и отметим его основные узлы.

Схемотехника и назначение основных узлов

Входные и выходные цепи

Эти цепи служат для фильтрации сетевых помех и защиты нагрузки, подключенной к ИБП, от бросков сетевого напряжения. Фильтрация осуществляется конденсаторами CX1, CX2, CY1, CY2 (рис. 6). Защита от повышенного напряжения обеспечивается варистором MOV1. Здесь же находятся коммутирующие реле RY1, RY2 и RY3. Реле RY1является входным, оно своими контактами замыкает или размыкает вход с выходом. Когда сетевое напряжение находится в допустимом диапазоне значений, контакты реле замкнуты и входное сетевое напряжение передается на выход ИБП. Когда же сетевое напряжение пропадает или выходит за допустимые границы, контакты RY1 размыкается, отключая выход ИБП от входа. Реле RY2 и RY3 относятся к модулю AVR и позволяют подключить обмотку автотрансформатора синфазно или противофазно сетевому напряжению.

Датчик выходной мощности

Он позволяет измерять величину выходного тока, протекающего через нагрузку, подключенную к ИБП. В качестве измерительного элемента в этой схеме используется низкоомный резистор R101 (0,2 Ом). Резистор установлен таким образом, что весь выходной ток ИБП протекает через него, в результате на резисторе создается падение напряжения, прямо пропорциональное силе тока в нагрузке. Таким образом, напряжение, полученное на резисторе, соответствует мощности нагрузки, подключенной к выходу ИБП. Выпрямление и сглаживание напряжения, снимаемого с резистора R101, осуществляется схемой на базе операционного усилителя (ОУ) LM324 (вход — выв. 5 и 6 ИМС U2). На выходе схемы датчика мощности формируется сигнал POWER, который подается на аналоговый вход (выв. 1) микропроцессора U1 типа MDT10P73.

Датчик входного напряжения

Этот датчик позволяет измерить величину сетевого напряжения, и, естественно, оценить его наличие. С входного разъема IN (CN2) берется сетевое напряжение (сигнал HOT), которое далее через ограничительные резисторы R7-R10 подается на вход операционного усилителя LM324 (выв. 9 и 10 U2). Схема на основе этого операционного усилителя выпрямляет и сглаживает входное напряжение, в результате чего формируется сигнал постоянного тока VIN, подаваемый на аналоговый вход микропроцессора AIC0 (выв. 2 U1). Уровень сигнала VIN прямо пропорционален напряжению питающей сети.

Датчик частоты и фазы питающей сети

Позволяет измерить частоту переменного тока питающей сети и его фазу. С входного разъема IN (CN2) берется сетевое напряжение (сигнал HOT), которое далее через ограничительные резисторы R17, R18, R19 подается на вход ОУ LM324 (выв. 12 и 13 U2). В результате на выходе операционного усилителя формируется импульсное напряжение (сигнал PHASE). Частота и фаза этих импульсов соответствует частоте и фазе переменного тока сети. Эти импульсы подаются на вход микропроцессора PB1 (выв. 21 U1).

Этот узел представляет собой линейный стабилизатор. В качестве источника энергии зарядное устройство использует ЭДС, наводимую в дополнительной обмотке силового трансформатора (контакты 4 и 3 разъема CN1) в периоды, когда сетевое напряжение номинальное. Снимаемое с этой обмотки переменное напряжение выпрямляется диодным мостом (D5-D8), после чего дополнительно выпрямляется диодом D9 и сглаживается конденсатором С15. Для получения необходимого зарядного напряжения величиной около 14,5 В используется интегральный стабилизатор LM317 (U5). Величина его выходного напряжения, а соответственно, и величина зарядного напряжения, определяется резистивным делителем R28 R29. Зарядное устройство управляется сигналом CHRG, который формируется микропроцессором на выв. 22 PB1. Этот сигнал разрешает (высоким уровнем) или запрещает (когда установлен в низкий уровень) работу зарядного устройства. Напряжение, прикладываемое к аккумулятору, на схеме обозначено как BAT+.

Датчик выходного напряжения

Он контролирует величину напряжения на выходе ИБП во время резервной работы от аккумулятора. Для оценки выходного напряжения используется ЭДС, наведенная на дополнительной обмотке силового трансформатора PT (контакты 4 и 3 разъема CN1). Снимаемое с этой обмотки переменное напряжение выпрямляется диодным мостом D5-D8, и через делитель R26 R27 подается на аналоговый вход микропроцессора AIC4 (выв. 7 U2). Сигнал VOUT прямо пропорционален выходному напряжению ИБП.

Датчик заряда аккумулятора

Этот датчик позволяет оценить величину напряжения на аккумуляторе. Он представляет собой обычный резистивный делитель напряжения R2x R2xx. Делитель подключается к контакту аккумуляторной батареи (BAT+). С этого делителя напряжение, пропорциональное напряжению на аккумуляторе, подается на аналоговый вход AIC2 микропроцессора U1 (выв. 4).

Эта цепь обеспечивает запуск ИБП при нажатии кнопки на панели управления. Пусковой кнопке соответствует контакт 4 соединительного разъема CN4. В момент нажатия на кнопку открываются транзисторы Q1 и Q2, в результате чего напряжение аккумулятора VBAT прикладывается к стабилизатору напряжения +5 В, выполненному на микросхеме типа 7805 (U4). От этого стабилизатора питается микропроцессор U1. После запуска микропроцессора открытое состояние транзисторов Q1, Q2 и управление ими обеспечивается выходным сигналом микропроцессора PC5 (выв. 16 U1). Этим сигналом, например, микропроцессор выключает ИБП при получении команды через коммуникационный интерфейс или при значительном разряде аккумуляторной батареи во время резервного режима работы. В момент запуска (при открытых транзисторах Q1, Q2) также начинает вырабатываться напряжение +V1, необходимое для управления силовыми транзисторами инвертора.

Инвертор обеспечивает формирование переменного тока на выходе ИБП в резервном режиме. Он построен по схеме двухтактного преобразователя, часто называемого Push-Pull. Преобразователь создает ток в низковольтной силовой обмотке трансформатора PT. В среднюю точку этой обмотки подается напряжение аккумулятора. Для создания переменного тока транзисторы инвертора должны переключаться поочередно с частотой 50 Гц. Одно "плечо" двухтактного преобразователя образовано парой параллельно включенных транзисторов Q4, Q5, а второе плечо — транзисторами Q6, Q7. Такое параллельное включение транзисторов позволяет увеличить мощность схемы. Поочередное включение транзисторов обеспечивается сигналами PSHPL1 и PSHPL2, которые микропроцессор формирует в резервном режиме на своих выходах — выв. 23 и 24.

Схема предназначена для формирования нулевого уровня в выходном напряжении ИБП во время работы инвертора. Такая фиксация осуществляется шунтированием дополнительной обмотки силового трансформатора в соответствующие моменты времени. Шунтирование обеспечивается транзистором Q8, который управляется сигналом CLAMP, формируемым на выходе микропроцессора PB4 (выв. 25 U1). Алгоритм формирования переменного тока с "паузой на нуле" демонстрирует рис. 7.

Рис. 7. Эпюры для пояснения принципа работы схемы фиксации нулевого уровня

Он управляет источником бесперебойного питания в соответствии с микропрограммой, "прошитой" в его внутренней энергонезависимой памяти EEPROM. Микропроцессор типа MDT10P73 установлен в контактную панель. Наличие внутренней прошивки делает микропроцессор уникальным, что приводит к значительным сложностям при его неисправности и необходимости замены. Процессор также имеет встроенную оперативную память, АЦП, стек, таймеры, тактовый генератор и другие узлы. Он работает на тактовой частоте 20 МГц, которая задается кварцевым резонатором X1.

Он позволяет измерить температуру внутри корпуса ИБП. Это необходимо для предотвращения аварийных режимов работы ИБП и аварийных режимов заряда-разряда аккумулятора. В качестве датчика температуры используется термистор TH1. Сигнал с этого датчика подается на аналоговый вход микропроцессора AIC1 (выв. 3 U1).

Обеспечивает связь с печатной платой, на которой находится контроллер USB. Эта небольшая печатная плата впаивается в четырехконтактный разъем USB.

Лицевая панель управления подключается к разъему CN4. Ее светодиоды-индикаторы управляются микропроцессором (выв. 27, 28,15 U1). Кнопка панели управления выведена на контакт 4 разъема CN4.

Позволяет усиливать сигналы, формируемые микропроцессором для управления некоторыми цепями. Буферный каскад реализован на микросхеме U3 типа ULN2003A, которая представляет собой сборку из семи усилителей Дарлингтона. Эта микросхема выполняет очень важную функцию, обеспечмвая "развязку" между микропроцессором и силовыми каскадами. Так, например, при выходе из строя транзисторов инвертора сборка U3 не должна "пропустить" импульсы повышенного напряжения и тока на микропроцессор, предотвращая, тем самым, его отказ.

Этот узел (на схеме обозначен BZ1) формирует предупреждающие звуковые сигналы при аварийных режимах и во время работы от аккумулятора. Управление "пищалкой" осуществляет микропроцессор с выв. 13 (PC2).

В заключение необходимо сказать несколько слов о неисправностях этой модели ИБП. Так как UPS N-Power имеют не такое распространение, как, например, источники бесперебойного питания APC или IPPON, большого разнообразия отказов автору статьи наблюдать не пришлось. Все встретившиеся неисправности были связаны с инвертором, а именно, с пробоем силовых транзисторов Q4-Q7. При этом в обязательном порядке перегорают предохранители FUSE1 и FUSE2 (оба по 25 А). В некоторых случаях пробой транзисторов инвертора приводил к выходу из строя микросхемы U3, что было очень хорошо заметно по ее корпусу. Справедливости ради следует отметить, что наличие буфера U3 защитило микропроцессор U1 от такой же участи.

Автор: Алексей Конягин (г. Пенза)

Мнения читателей

• АЛЕКСАНДР / 14.09.2021 — 22:04

НЕ МОГЛИ БЫ ВЫ СКАЗАТЬ КАК ОТКЛЮЧИТЬ ЗАЩИТУ ЧТОБ ОН БЕЗКОНЕЧНО РАБОТАЛ НА АКБ КАКУЮ ДЕТАЛЬ ВИПАЯТЬ НАДО. СПАСИБО

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания АРС

Блок-схема ИБП класса Line-interactive

Блок-схема ИБП класса On-line

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

Структурная схема моделей Smart-UPS и Smart-UPS/VS

Блок бесперебойного питания: назначение и специфика работы бытового ИБП

Для сохранения работоспособности приборов при сбоях в сети используют блок бесперебойного питания. В зависимости от типа обслуживаемых потребителей и параметров электроэнергии нужно выбирать разные модели. Эти устройства востребованы, поэтому приобрести нужный по характеристикам экземпляр не составляет труда.

Но перед покупкой нужно самостоятельно разобраться в его особенностях, а не доверять этот вопрос заинтересованным в продажах менеджерам.

В этом материале мы рассмотрим устройство и особенности работы ИБП, а также расскажем о правилах его использования.

Схемы ИБП переменного тока

Для бытовых нужд используют устройства для бесперебойного питания, подключаемые к однофазной сети 220 В, которые могут некоторое время при отсутствии электроэнергии питать потребителей, требующих такого же напряжения.

Существуют также ИБП, которые подключены на вход к трехфазной сети, а на выход дают или 380 В или 220 В. Однако они дороги, их используют при необходимости получать автономную мощность от 10 кВ·А, что для бытовых нужд не требуется.

Бытовые ИБП переменного тока по схеме функционирования делят на следующие типы:

• резервные (оффлайн);
• интерактивные (линейно-интерактивные);
• двойного преобразования (онлайн).

Они различаются качеством выдаваемого напряжения и ценой. Наиболее дешевые – резервные, а самые дорогие – двойного преобразования.

Для преобразования переменного тока в постоянный в зарядном устройстве используют выпрямитель. А обратная трансформация происходит при помощи инвертора.

В бесперебойниках для переключения цепи с сети на аккумулятор, как правило, устанавливают обыкновенные электромеханические реле. Если эта деталь качественная, то ее ресурса хватает на все время функционирования ИБП. Но чаще всего, при поломке блока проблема кроется именно в этом элементе конструкции.

Стабилизация напряжения присутствует также во многих бытовых устройствах, поэтому если отклонения незначительны, то и нет смысла приобретать более дорогую линейно-интерактивную модель.

Наличие трансформатора часто вынуждает производителя использовать принудительное охлаждение, поэтому такие ИБП комплектуют кулерами. Они издают шум, по интенсивности сравнимый с работой компьютерного системного блока.

Самые сложные и дорогие приборы двойного преобразования имеют к тому же наименьший КПД. Электроэнергия уходит в тепло, которое излучает устройство. Поэтому их использование необходимо обосновать.

Наиболее значимый плюс такого вида бесперебойников заключается в мгновенной реакции на отключение электричества. Но для большинства бытовой техники это не так важно. Те же компьютеры обычно комплектуют ИБП резервного или интерактивного типа.

Наиболее важные параметры

Сейчас на рынке много предложений по продаже бытовых источников бесперебойного питания. Чтобы правильно определить их предназначение и не ошибиться с выбором, нужно понимать на какие параметры следует обратить внимание в первую очередь.

Основные технические характеристики

Выходная мощность прибора определяет максимально допустимое значение, которое блок сможет гарантированно выдать потребителю. Ее измеряют в вольт-амперах (В·А). Для удобства пользователей часто приводят это значение и в ваттах.

Для измерения нагрузки приборов можно или воспользоваться амперметром или высчитать ее, применив показания установленного в квартире счетчика.

При определении реальной мощности компьютера не следует руководствоваться номиналом блока питания, так как его всегда покупают с запасом.

Если нет амперметра, то нужно выполнить следующие действия:

1. Отключить все цепи в щитке, кроме той, от которой запитан компьютер.
2. Отключить все приборы в этой цепи.
3. Включить компьютер и запустить на нем типичную для него программу (например, ролик с YouTube).
4. Дождаться, когда на счетчике произойдет изменение значения десятой доли киловатта.
5. Засечь время до следующего изменения.

Среднюю мощность потребления (P, ватт) за этот период (t, минут) можно высчитать по формуле:

P = 100 * (60 / t)

Следующая важная характеристика – период автономной работы. Этот показатель зависит от нагрузки, которую в этот момент испытывает ИБП. На максимально допустимой мощности аккумуляторы бытового устройства работают 1-3 минуты. А на половинной – гораздо дольше (до 10 минут).

Отсюда следует два вывода:

• при отключении электроэнергии, необходимо максимально снизить потребляемую приборами нагрузку;
• желательно приобретать ИБП с мощностью, которая превышает расчетную хотя бы на 30%.

Диапазон входного напряжения показывает минимально и максимально допустимый вольтаж сети, при котором не произойдет переключение питания на аккумуляторы. Как правило, все ИБП выдерживают интервал в 180-260 В.

У некоторых производителей можно встретить очень хорошие (рекламные) показатели, например, нижнее значение – 110 В. Тут нужно убедиться, что эти цифры взяты именно для максимальной нагрузки, а не для половинной.

Еще один важный технический показатель – уровень шума. ИБП, выполненные по линейно-интерактивной или онлайн технологии выделяют много тепла, поэтому производители устанавливают на них вентиляторы. Если кулеры дешевые, то со временем они будут издавать гул, что для жилого помещения нежелательно.

Интерфейс и выполнение настройки

Внешний вид блоков может быть самым разнообразным. Обычно они имеют классическую прямоугольную форму, где на лицевой стороне находятся индикаторы или дисплей, а на тыльной – силовые разъемы. Их количество не так важно, так как на выходе можно подключить удлинитель с тройником. Это никак не будет противоречить концепции ИБП.

Модель может иметь жк-дисплей, на котором будет отображена ситуация со снабжением подключенных приборов: наличие питания, количество потребителей, заряд аккумулятора и т.д.

Чтобы узнать параметры электроснабжения, состояние аккумуляторов ИБП и как он работает, можно подключить его к компьютеру. Для многих моделей реализована эта функция и разработано программное обеспечение.

Существует три основных вида интерфейса:

• USB. Наиболее распространенное соединение компьютера и ИБП.
• RS-232 (COM-порт). Редко присутствует в бытовых моделях.
• Ethernet 10/100. Его применяют для удаленного управления бесперебойником.

Программное обеспечение для получения характеристик с ИБП и его управления разработано не только под различные версии Windows. Так, например, у известного производителя Powercom есть Android-версия ПО, позволяющая удаленно следить за состоянием питания и при необходимости корректировать работу бесперебойника.

Размещают бесперебойники в непосредственной близости от защищаемых потребителей электроэнергии. Обычно их ставят на пол или на полки. Некоторые модели оснащены крепежами, позволяющими монтировать их на стены.

Качество выдаваемого тока

Бесперебойные источники питания должны выдавать ток надлежащего качества. При работе от батарей за это отвечает инвертор, а в случае питания от сети, проблемные моменты должны сглаживать фильтры и стабилизатор. Возникающие в электрической цепи помехи имеют разный генезис и последствия для электроники. Поэтому в этом вопросе тоже нужно тщательно разобраться.

Сетевые помехи и защита

Все современные ИБП оснащены защитой от проблем, связанных со стороны обслуживаемых приборов. Если суммарная нагрузка будет превышать максимально допустимую или произойдет короткое замыкание, то бесперебойник сразу отключит питание.

Помехи в сети можно условно разделить на частотные и импульсные. Первые не так опасны, особенно для блоков питания компьютеров или телевизоров, которые преобразуют переменный ток в постоянный. Вторые могут вызвать проблему у любой электроники.

Поэтому большинство ИБП оснащены защитой от импульсов и гармоник с помощью варисторов и высокочастотных фильтров.

Проблема появления высоковольтных импульсов характерна не только для силовых кабелей, но и для сетей передачи данных – компьютерных или телефонных. Они могут возникнуть по причине воздействия атмосферного электричества, пробоев рядом расположенной проводки, возникающих электрических наводок и других причин.

Многие производители выпускают модели с возможностью защиты локальной сети. Для этого у ИБП есть два разъема RJ-45 – один на вход и один на выход. Сигнал проходит через фильтр, который подавляет всплески напряжения. Для телефонных линий система такая же, только разъемы имеют формат RJ-11.

Низкое и высокое напряжение

Регулировка вольтажа происходит с помощью автоматического регулятора напряжения (AVR), основным элементом которого служит автотрансформатор. Принцип его функционирования опирается на изменении количества витков одной из обмоток, в результате чего происходит изменение напряжения в сторону увеличения или уменьшения его значения.

Наличие AVR в ИБП позволяет не включать каждый раз автономный режим при незначительном отклонении напряжения от нормативных показателей. Это значительно увеличивает срок службы аккумуляторов.

Согласно ГОСТ 29322-2014 допустимо 10-и процентное отклонение напряжения от эталонного значения на время не более чем 1 час. Все современные ИБП с регуляторами справляются с такими колебаниями.

Чистота выходящего сигнала

От модели инвертора, которая установлена в бесперебойник, зависит тип выходного сигнала. В идеале, кривой напряжения переменного тока должна быть синусоида. Но после преобразования через инвертор она принимает ступенчатый вид.

Для оборудования, которое содержит асинхронные электродвигатели (холодильник, кондиционер), трансформаторные блоки питания (качественная аудиотехника), блоки питания APFC (сервера и мощные вычислительные компьютеры) нужна чистая или хорошо аппроксимированная синусоида.

Ни один инвертор, а значит, и ИБП не выдает чистую синусоиду, чтобы не писали в рекламных брошюрах производители оборудования. Приближение выходящего сигнала к синусоиде оценивают через коэффициент нелинейных искажений (THD).

Выходящий от блока сигнал можно считать синусоидальным при THD<5%. У некоторых моделей, например IMV NetPro 2000, этот показатель равен всего 2%.

Правила использования ИБП

Приобретая бесперебойник для организации резервного питания, необходимо понимать, совместно с какими приборами его можно использовать. Иногда обойтись только ИБП невозможно и тогда нужно принимать дополнительные меры по обеспечению дома электричеством.

Подключение бытовых приборов

Компьютеры, модемы, роутеры, видео- и аудиоаппаратура – типичные домашние или офисные приборы, к которым подключают бесперебойники. Если эта техника содержит обыкновенные импульсные блоки питания, то достаточно будет приобрести относительно дешевые модели, которые не выдают чистую синусоиду.

Для освещения также не нужно приобретать дорогие изделия. Здесь главное правильно рассчитать максимальную мощность и время автономной работы.

При частых отключениях актуальна проблема незапланированной разморозки холодильников и порчи продуктов питания. При защите такого оборудования с асинхронными двигателями понадобятся ИБП более сложного устройства, так как потребуется «чистый» синусоидальный сигнал.

Кроме того, необходимо учесть наличие стартовых токов, возникающих при пуске двигателя. Упрощенно для холодильного оборудования их величину можно определить, умножив значение мощности на 5.

Если, например, на кухне есть холодильник с полной мощностью 300 Вт (при запуске – 1500 Вт) и морозильная камера на 200 Вт (при запуске – 1000 Вт), то нужен блок питания с чистой синусоидой и максимальной мощностью не менее 1700 Вт. Это значение получено на случай, когда будет работать морозильник, а в это время произойдет включение холодильника. Одновременный пуск обоих моторов маловероятен, да и такой ИБП выдержит односекундный всплеск в 2,7 кВт.

Блок онлайн типа с максимальной мощностью 2000 Вт сможет проработать около получаса при суммарном потреблении 500 Вт. Так как режим охлаждения занимает около 5 минут, то бесперебойника гарантированно хватит на 6 запусков обоих устройств.

Бесперебойники также активно используют для работы газовых отопительных котлов. Учитывая стоимость подключаемого оборудования, экономить на качестве ИБП в этом случае не следует.

Резервное и дополнительное электропитание

Для многих бытовых приборов невозможно подобрать недорогой ИБП, так как будет необходима значительная максимальная мощность при длительном периоде автономной работы. Стиральные машины, электрические духовки, системы распределенного кондиционирования потребляют много электричества.

Можно, конечно, обойтись без этих устройств на время отключения электроэнергии. Это целесообразно в том случае, если такие перебои происходят редко и на короткое время. Но если все же будет принято решение по обеспечению мощных потребителей автономным питанием, то лучше использовать бензиновый или дизельный генератор. Для их быстрого запуска при отсутствии напряжения используют систему автоматического ввода резерва (АВР).

При наличии дополнительного источника питания, ИБП все же стоит использовать, хотя бы для компьютеров. Мгновенного запуска генератора и восстановления электроснабжения добиться невозможно.

Стабилизация пониженного напряжения

Проблема пониженного напряжения актуальна для объектов, подключенных к старым или маломощным электросетям. Если такая ситуация возникает постоянно, то лучше использовать входной стабилизатор.

При пониженном напряжении возрастает сила тока, проходящего по внутридомовой сети. Например, пусть общая мощность подключенных к ИБП потребителей будет 1,5 кВт, а подаваемое напряжение равно 190 В.

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – сила тока в цепи до ИБП без стабилизатора;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – сила тока в цепи до ИБП со стабилизатором.

Таким образом, внутридомовая сеть без стабилизатора будет испытывать повышенную нагрузку, что могло быть не учтено при выборе сечения проводки.

Поэтому при постоянном пониженном напряжении лучше установить стабилизатор. В этом случае и нагрузка на автотрансформатор ИБП будет меньше, что продлит срок его службы. Кроме того, с учетом выравнивания вольтажа, можно приобретать более дешевые бесперебойники.

Бесперебойное питания потребителей постоянного тока

Для некоторых приборов нужно обеспечить бесперебойное питание постоянным током 12, 24 или 48 В. ИБП такого плана тоже есть в продаже. В их маркировке присутствует аббревиатура «DC». Блоки с подачей напряжения 60, 110 или 220 В тоже существуют, но их применяют в промышленности или энергетике.

Отличие бесперебойников постоянного тока во внутреннем устройстве от классических моделей заключается в отсутствии инвертора. Аккумуляторы подключают непосредственно к выходу через контактор с токоограничительным измерительным шунтом для предотвращения недопустимо глубокого разряда батарей.

Иногда на выходе может стоять стабилизирующий конвертор, если запитанные от ИБП приборы чувствительны к небольшим колебаниям напряжения.

Такие резервные источники питания используют для защиты следующего бытового оборудования, работающего от постоянного тока:

и охраны;
• всевозможных датчиков (протечки, дыма, огня, движения и др.);
• систем освещения;
• телекоммуникационных приборов;
• систем связи;
• компонентов системы управления «умный дом».

Многие ИБП постоянного тока имеют опцию подключения внешних аккумуляторов. В этом случае автономное функционирование обслуживаемых ими приборов может быть очень длительным.

Выводы и полезное видео по теме

Кратко об основных характеристиках бытовых ИБП:

Разнообразие типов ИБП и их характеристик является следствием различных условий их использования: мощности и вида подключаемых приборов, параметров и типовых проблем конкретной электросети. Бесперебойник обычно не самый дорогой элемент в системе, но от него зависит стабильность ее работы. Поэтому нужно определить условия эксплуатации и тщательно подойти к выбору модели.

Остались вопросы по теме статьи? Или можете дополнить этот материал интересной информацией о ИБП? Пожалуйста, пишите свои комментарии, задавайте вопросы, делитесь опытом в расположенном ниже блоке.