Простой онлайн источник бесперебойного питания (ИБП) (схема)

Конструкция и ремонт источников бесперебойного питания фирмы АРС (часть 2)

УСТРОЙСТВО ИБП КЛАССА OFF-LINE

К ИБП класса Off-line фирмы АРС относятся модели Back-UPS. ИБП этого класса отличаются низкой стоимостью и предназначены для защиты персональных компьютеров, рабочих станций, сетевого оборудования, торговых и кассовых терминалов. Мощность выпускаемых моделей Back-UPS от 250 до 1250 ВА. Основные технические данные наиболее распространенных моделей ИБП представлены в табл.1.

Таблица 1. Основные технические данные ИБп класса Back-UPS

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

Структурная схема ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I показана на рис. 1. Сетевое напряжение поступает на входной многоступенчатый фильтр через прерыватель цепи. Прерыватель цепи выполнен в виде автоматического выключателя на задней панели ИБП. В случае значительной перегрузки он отключает устройство от сети, при этом контактный столбик выключателя выталкивается вверх. Чтобы включить ИБП после перегрузки, необходимо вернуть в исходное положение контактный столбик выключателя. Во входном фильтре-ограничителе электромагнитных и радиочастотных помех используются LC-звенья и металлооксидные варисторы. При работе в нормальном режиме контакты 3 и 5 реле RY1 замкнуты, и ИБП передает в нагрузку напряжение электросети, фильтруя высокочастотные помехи. Зарядный ток поступает непрерывно, пока в сети есть напряжение. Если входное напряжение падает ниже установленной величины или вообще исчезает, а также если оно сильно зашумлено, контакты 3 и 4 реле замыкаются, и ИБП переключается на работу от инвертора, который преобразует постоянное напряжение аккумуляторов в переменное. Время переключения составляет около 5 мс, что вполне приемлемо для современных импульсных блоков питания компьютеров. Форма сигнала на нагрузке — прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности с частотой 50 Гц, длительностью 5 мс, амплитудой 300 В, эффективным напряжением 225 В. На холостом ходу длительность импульсов сокращается, и эффективное выходное напряжение падает до 208 В. В отличие от моделей Smart-UPS, в Back-UPS нет микропроцессора, для управления устройством используются компараторы и логические микросхемы.

Принципиальная схема ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I практически полностью приведена на рис. 2-4. Многозвенный фильтр подавления помех электросети состоит из варисторов MOV2, MOV5, дросселей L1 и L2, конденсаторов С38 и С40 (рис. 2). Трансформатор Т1 (рис. 3) является датчиком входного напряжения.

Его выходное напряжение используется для зарядки аккумуляторов (в этой цепи используются D4…D8, IC1, R9…R11, С3 и VR1) и анализа сетевого напряжения.

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

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

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

Все модели Back-UPS, за исключением BK250I, имеют двунаправленный коммуникационный порт для связи с ПК. Программное обеспечение Power Chute Plus позволяет компьютеру осуществлять как текущий контроль ИБП, так и безопасное автоматическое закрытие операционной системы (Novell, Netware, Windows NT, IBM OS/2, Lan Server, Scounix и UnixWare, Windows 95/98), сохраняя файлы пользователя. На рис. 4 этот порт обозначен как J14. Назначение его выводов:

1 — UPS SHUTDOWN. ИБП выключается, если на этом выводе появляется лог. «1» в течение 0,5 с.

2 — AC FAIL. При переходе на питание от батарей ИБП генерирует на этом выводе лог. «1».

3 — СС AC FAIL. При переходе на питание от батарей ИБП формирует на этом выводе лог. «0». Выход с открытым коллектором.

4, 9 — DB-9 GROUND. Общий провод для ввода/вывода сигналов. Вывод имеет сопротивление 20 Ом относительно общего провода ИБП.

5 — СС LOW BATTERY. В случае разряда батареи ИБП формирует на этом выводе лог. «0». Выход с открытым коллектором.

6 — ОС AC FAIL При переходе на питание от батарей ИБП формирует на этом выводе лог. «1». Выход с открытым коллектором.

7, 8 — не подключены.

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

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

КАЛИБРОВКА И РЕМОНТ ИБП

Установка частоты выходного напряжения

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

Установка значения выходного напряжения

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

Установка порогового напряжения

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

Установка напряжения заряда

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

Типовые неисправности

Типовые неисправности и методы их устранения приведены в табл. 2, а в табл. 3 — аналоги наиболее часто выходящих из строя компонентов.

Таблица 2. Типовые неисправности ИБП Back-UPS 250I, 400I и 600I

Простейший ИБП

Маломощный импульсный блок питания можно использовать в самых разных радиолюбительских конструкциях. Схема такого ИБП отличается особой простотой, поэтому может быть повторена даже начинающими радиолюбителями.

Основные параметры БП:
Входное напряжение — 110-260В 50Гц
Мощность — 15 Ватт
Выходное напряжение — 12В
Выходной ток — не более 0,7А
Рабочая частота 15-20кГц

Исходные компоненты схемы можно достать из подручного хлама. В мультивибраторе использовались транзисторы серии MJE13003, но при желании можно заменить на 13007/13009 или аналогичные. Такие транзисторы легко найти в импульсных блоках питания (в моем случае были сняты из компьютерного БП).

Конденсатор по питанию подбирается с напряжением 400 Вольт (в крайнем случае, на 250, чего очень не советую)
Стабилитрон использован отечественный типа Д816Г или импортный с мощностью порядка 1 ватт.

Диодный мост — КЦ402Б, можно использовать любые диоды с током 1 Ампер. Диоды нужно подобрать с обратным напряжением не менее 400 вольт. Из импортного интерьера можно ставить 1N4007 (полный отечественный аналог КД258Д) и другие.

Импульсный трансформатор — ферритовое кольцо 2000НМ, размеры в моем случае К20х10х8, но были использованы и также большие кольца, при этом намоточные данные не менял, работало нормально. Первичная обмотка (сетевая) состоит из 220 витков с отводом от середины, провод 0,25-0,45мм (больше нет смысла).

Вторичная обмотка в моем случае содержит 35 витков, что обеспечивает на выходе порядка 12 Вольт. Провод для вторичной обмотки подбирается с диаметром 0,5-1мм. Максимальная мощность преобразователя в моем случае не более 10-15 ватт, но мощность можно изменить подбором емкости конденсатора С3 (при этом, намоточные данные импульсного трансформатора уже меняются). Выходной ток такого преобразователя порядка 0,7А.
Сглаживающую емкость (С1) подобрать с напряжением 63-100Вольт.

На выходе трансформатора стоит использовать только импульсные диоды, поскольку частота достаточно повышена, обычные выпрямительные могут и не справится. FR107/207 пожалуй, самые доступные из импульсных диодов, часто встречаются в сетевых ИБП.

БП не имеет никаких защит от короткого замыкания, поэтому не следует замыкать вторичную обмотку трансформатора.

Перегрев транзисторов не замечал, с выходной нагрузкой 3 Ватт (светодиодная сборка) они ледяные, но на всякий случай можно установить на небольшие теплоотводы.

СХЕМА BACK UPS

Источник бесперебойного питания, или как в простонародье его называют ЮПС (BACK UPS) — это по сути повышающий преобразователь и зарядное устройство в одном корпусе. Устройство очень полезное, особенно для владельцев ПК. Устройство может автономно питать компьютер, если по каким-то причинам внезапно выключили электричество. К сожалению, встроенный аккумулятор не позволяет питать компьютер в течении долгого времени, поскольку его емкость ограничена 7-ю амперами (в некоторых мощных моделях стоит АКБ до 15-20А). Перейдем к самому аккумулятору.

В источниках бесперебойного напряжения используется закрытый гелиевый или кислотный аккумулятор. Встроенный аккумулятор рассчитан обычно на емкость от 7 до 8 Ампер/час, напряжение — 12 вольт. Аккумулятор полностью герметичен, это позволяет использовать устройство в любом состоянии. Помимо аккумулятора, внутри можно разглядеть громадный трансформатор, в данном случае на 400-500 ватт. Трансформатор работает в двух режимах —

1) как повышающий трансформатор для преобразователя напряжения.

2) как понижающий сетевой трансформатор для зарядки встроенного аккумулятора.

При работе в обычном режиме нагрузка питается отфильтрованным напряжением сети. Для подавления электромагнитных и помех во входных цепях используются фильтры. Если входное напряжение становится ниже или выше установленной величины или вообще исчезает, то включается инвертор, который в нормальном режиме находится в отключенном состоянии. Преобразуя постоянное напряжение батарей в переменное, инвертор осуществляет питание нагрузки от батарей. BACK UPS класса Off-line неэкономично работают в электросетях с частыми и значительными отклонениями напряжения от номинальной величины, поскольку частый переход на работу от батарей уменьшает срок службы последних. Мощность выпускаемых производителями Back-UPS находится в диапазоне 250-1200 ВА. Схема источника бесперебойного напряжения BACK UPS достаточно сложна. В архиве вы можете скачать большой сборник принципиальных схем, а ниже приведены несколько уменьшенных копий — клик для увеличения.

Тут можно встретить специальный контроллер, который отвечает за правильную работу устройства. Контроллер активирует реле, когда сетевое напряжение отсутствует и если бесперебойник включен, то он будет работать как преобразователь напряжения. Если напряжение в сети снова появляется, то контролер отключает преобразователь и устройство превращается в зарядное устройство. Емкость встроенного аккумулятора может хватать до 10 — 30 минут, если, разумеется, устройство питает компьютер. Подробнее почитать про работу и назначение узлов бесперебойника можно почитать в этой книге.

BACK UPS может быть использован в качестве резервного источника питания, вообще рекомендуется иметь каждому дому по бесперебойнику. Если бесперебойный ИП предназначен для бытовых потребностей, то желательно выпаять с платы сигнализатор, он напоминает, что устройство работает как преобразователь, напоминание писком он делает в каждые 5 секунд, а это надоедает. На выходе преобразователя чистые 210-240 вольт 50 герц, но что касается формы импульсов, там явно не чистый синус. BACK UPS может питать любую бытовую технику, в том числе и активную, разумеется, если мощность устройства позволит этого.