Источник бесперебойного питания. Схема и описание устройства
ИБП используются для защиты различных типов электрооборудования в первую очередь компьютерной техники от перепадов напряжения в сети, а также могут в течение нескольких минут, часов или даже суток поддерживать их работу при полном отключении электроэнергии
Источник бесперебойного питания способен справиться со следующими проблемами в электросети : полное отключение питающей сети, высоковольтные импульсные помехи, долговременные и кратковременные всплески напряжения; высокочастотный шум или помехи имеющие место быть в электросети, отклонение частоты более чем на 3 Гц.
Важными параметрами ИБП, является время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время автономной работы от аккумуляторной батареи.
Источник бесперебойного питания основа схемы построения |
Резервная схема построения ИБП в рабочем режиме питание нагрузки происходит от электрической сети, которое источник бесперебойного питания фильтрует на предмет высоковольтных импульсов и электромагнитных помех пассивными фильтрами.
При отклонениях сетевого напряжения за нормированные значения нагрузка автоматически подключается к питанию от аккумуляторов с помощью схемы инвертора, которая имеется в каждом ИБП. Как только напряжение в сети войдет в норму источник бесперебойного питания переключит нагрузку на электропитание от сети.
Интерактивная схема ИБП аналогична резервной схеме, но дополнительно на входе установлен ступенчатый стабилизатор напряжения на основе автотрансформатора, позволяющий регулировать выходное напряжение. При обычном режиме работы ИБП работающие по интерактивной схеме не регулируют частоту, а вот в случае отсутствия напряжения он начинает питаться от инвертора с аккумуляторной батареей. Плюсом такой схемы является более короткое время переключения. Кроме того осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением.
Схема двойного преобразования ИБП работает следующим образом: Входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем с помощью инвертора обратно в переменное. В случае отсутствия входного напряжения переключение нагрузки на питание от аккумуляторов происходит мгновенно, т.к аккумуляторы включены в цепь постоянно.
Основные блоки и узлы которые могут входить в состав ИБП:
Устройство коммутаций
Сетевой фильтр
Зарядное устройство
Аккумуляторная батарея
Инвертор: Преобразователь переменного напряжения в постоянное, Стабилизатор постоянного напряжения, Преобразователь постоянного напряжения в переменное
Устройство коммутаций байпас
Датчик тока
Исходный фильтр
Датчик температуры
Интерфейс
Устройство индикации
Входное сетевое напряжение 220В, 50Гц подается через устройство коммутации и сетевой фильтр на зарядное устройство. Сетевой фильтр необходим для исключения попадания помех в питающую сеть, зарядное устройство осуществляет зарядку аккумуляторной батареи при условии наличия сетевого напряжения.
Инвертор входит в состав любого ИБП. Он построен на основе полупроводникового преобразователя постоянного напряжения АБ в переменное напряжение, поступающее на нагрузку. Часто инвертор совмещает в себе функции как собственно инвертора, так и зарядного устройства. В зависимости от типа ИБП инвертор выдает напряжение различной формы
Байпас - устройство коммутаций. Это устройство используется для непосредственной связи входа и выхода ИБП, исключая схему резервирования питания.
Байпас выполняет следующие функции:
включение или отключение ИБП
перевод нагрузки с инвертора на байпас в случае перегрузок и коротких замыканий на выходе
перевод нагрузки с инвертора на байпас с целью снижения потерь электроэнергии
Статический байпас собран на основе тиристорного ключа из встречно-паралельно включенных тиристоров. Управление ключом происходит от системы управления ИБП
Импульсный блок питания был взят готовый на 28 В, 50А, но можно собрать и самому схем существует великое множество. К импульсному источнику питания подключены два последовательно соединенных 12 вольтовых автомобильных аккумулятора. Инвертор тоже был использован готовый, т.к цена на его комплектующие почти в два раза выше готового устройства. Данного ИБП хватает почти на сутки энергопотребления небольшого частного дома. В случае длительного отключения, а в наших сибирских просторах это часто бывает, включаю на 6 часов дизель-генератор.
Схема ИБП |
Наш ИБП рассчитан на следующие возможности: прямое преобразование из постоянного 12 вольтового напряжения в переменное 220 В с частотой 50 Гц. Максимальная мощность этой схемы ИБП 220 Вт. Обратное преобразование применяется для заряда аккумуляторной батареи. Ток заряда 6 А. Схема обеспечивает быстрое переключение из прямого преобразования в обратный режим.
На радиокомпонентах VT3, VT4, R3…R6, С5, С6 сделан тактовый генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования 50 Гц. Генератор, задает режим работы биполярных транзисторов VT1, VT6. В их коллекторную цепь подсоединены обмотки IIa, IIб трансформатора. Сетевой фильтр собран на пассивных компонентах С1, С2, L1, а на радиоэлементах VD1, СЗ, С4 фильтр тактового генератора.
Источник бесперебойного питания. Характеристики устройства: прямое преобразование из постоянного 12-ти вольтового напряжения в переменное 220 В с частотой 50 Гц (). Максимальная мощность — 220 Вт. Обратное преобразование — используется для заряда аккумулятора. Зарядный ток около 6 А. Быстрое переключение из прямого преобразования в обратный режим.
Схема источника бесперебойного питания представлена ниже
На элементах VT3, VT4, R3…R6, С5, С6 собран тактовый генератор, который вырабатывает импульсы с частотой в среднем 50 Гц. Генератор, управляет работой транзисторов VT1, VT6. В коллекторную цепь этих транзисторов подключены обмотки IIa, IIб трансформатора Т1.
В качестве выпрямителя в обратном режиме и для защиты транзисторов VT1, VT6 в прямом режиме используются диоды VD2, VD3. Сетевой фильтр выполнен на элементах С1, С2, L1, а на элементах VD1, СЗ, С4 фильтр тактового генератора.
Работа источник бесперебойного питания:
Прямое преобразование: Напряжение +12 В попеременно прикладывается к обмоткам IIа или IIб, а трансформатор Т1 преобразует его в напряжение 220 В/50 Гц. Это напряжение присутствует на розетке XS1, и к ней подключаются всевозможные потребители (лампы накаливания, телевизор и др.)
Индикатором нормальной работы является свечение светодиодов VD4, VD5. Ток нагрузки может достигать 1 А, что соответствует мощности 220 Вт.
Детали и конструкция
Т1 — можно применить любой трансформатор, на выходе обеспечивающий два напряжения 10В с током нагрузки до 10 А. Катушка L1 изготовлена на ферритовом кольце К28х16х9 М2000НМ. Кольцо следует предварительно обмотать лакотканью, а затем намотать две обмотки по 10 витков провода диаметром 0,55…0,70 мм. Транзисторы VT1, VT6 и диоды VD2, VD3 следует установить на радиатор площадью не менее 200 см2. через слюдяные пластинки.
Внимание! Так как элементы схемы находятся под напряжением электросети, то следует соблюдать меры электробезопасности при наладке прибора.
Делаем мощный источник бесперебойного питания на базе стандартного UPS, подключив к нему два КАМАЗовских аккумулятора. Так же делаем автоматическую вентиляцию при переходе на автономный режим.
Такова уж действительность, что Российские электросети заставляют самих потребителей заботиться о стабильности получаемого электричества. В нашем случае необходимо решить две важные проблемы: большое падение напряжения (характерное для жаркого/холодного времени года, когда включаются кондиционеры/электронагреватели) и полное отключение электричества («выбивание» автоматов, аварии на подстанции и т.д.).
Если первая проблема легко решается установкой автотрансформатора, позволяющего получать на выходе стабильное напряжение 220 вольт, то вторая требует организацию системы бесперебойного питания, рассчитанную на большой период автономной работы.
Организовать бесперебойное снабжение дачного дома или гаража можно при помощи модернизации компьютерных . После двух лет работы в любом ИБП деградируют внутренние аккумуляторные батареи. Иcточник бесперебойного питания с нерабочими батареями неоднократно наблюдались на радиорынке по символической цене в 1000 рублей.
Для большого времени автономной работы источник бесперебойного питания необходимо подключить к нему аккумуляторы большой емкости. Самым оптимальным вариантом будут стартерные аккумуляторы от автомобилей типа КАМАЗ - 140 АЧ. Так как в большинстве мощных источников бесперебойного питания применяются аккумуляторы общим напряжением 24 вольта, то нам понадобиться пара аккумуляторных батарей, соединенных последовательно. От состояния ваших батарей будет зависеть продолжительность автономного энергоснабжения.
В первую очередь достаем и выкидываем неисправную батарею. Для удобства подключения внешнего аккумулятора большой емкости нам необходимо сделать контактные зажимы (желательно красного и черного цветов, обозначающих плюс и минус соответственно). Для этого, на лицевой панелиисточника бесперебойного питания проделываем два отверстия, фиксируем контактные зажимы и припаиваем к ним провода, которые подходили к внутренней аккумуляторной батарее.
Продолжительный режим работы в состоянии преобразования энергии аккумулятора в напряжение 220 вольт сопровождается большим нагревом. Для предупреждения преждевременного выхода из строя решено установить на вентиляционную решетку два обычных вентилятора размером 80х80х25 мм.
Вентиляторы подключены последовательно. Для запуска вентиляторов в режиме преобразования используем светодиод, который обозначает работу источника бесперебойного питания от батареи. Припаиваем проводами выводы светодиода к обмоткам маленькой реле. К одному из контактов реле припаиваем провод от входящего плюса нашей аккумуляторной батареи. Ко второму - свободный красный провод вентилятора. Свободный черный провод вентилятора припаиваем к входящему минусу аккумуляторной батареи.
Все! Теперь, при переходе источника бесперебойного питания в режим работы от аккумуляторной батареи у нас автоматически будет включаться охлаждение.
У многих пользователей ПК есть в наличии старые отработавшие свой срок ИБП. Частая их причина нетрудоспособности - это выход из строя аккумуляторов. Так как замена на новые батареи нерентабельна, а порой просто невозможна из-за отсутствия аналогов, эти устройства попросту валяются без дела или выбрасываются на помойку.
Но можно дать вторую жизнь ИБП, сделав из него очень полезное устройство - инвертор, преобразующий 12 в бортовой сети автомобиля в необходимое для некоторых приборов 220 в. Притом, что заводская версия инвертора обойдется в немалые деньги, а так вы сэкономите деньги, и сделаете из хлама нужную вещь.
Итак, первое, что нужно сделать - это удалить старые, потекшие батареи. Они достаточно просто демонтируются, сняв нижнюю крышку и отключив провода питания. Если остались следы потекшего электролита, чистим корпус от кристаллов окисления.
Такая операция обеспечит устранение дальнейшего вытекания кислоты, а также значительно облегчит вес аппарата.
Изменение схемы подключения
По конструкции бесперебойники отличаются, но принцип действия у них один и тот же - преобразовывать напряжение 12 в в 220 в. То есть в каждой модели присутствует плата с электронным преобразователем напряжения. Он-то нам и нужен. Но есть одно условие, он должен быть рабочим.
Так как приборы, которые будут подключаться к этому устройству имеют стандартную вилку на 220 в, необходимо на боковой или задней панели, установить обычную бытовую розетку для скрытой проводки. К ней-то и припаиваем провода выхода с преобразователя 220 в, которые ранее подходили к специальным трехрожковым вилкам на задней панели ИБП.
В первом и во втором случае, провода припаивают к тем, что шли на батарею ИБП. Очень важно соблюсти полярность подключения. Красный провод - это плюс, а черный - минус.
Как и в сети авто, так и в ИБП эти цвета должны совпадать. Лучше всего, конечно, проверить полярность мультиметром, чтобы наверняка.
Такая схема подключения предусматривает моментальную работу устройства при его подключении. Если вы хотите сделать включение через тумблер или автомат, то просто в проводе, идущем от АКБ автомобиля разрываем «плюс» и присоединяем один провод на вход, а другой на выход автомата, закрепленного на корпусе ИБП. Таким образом разрывается питание инвертора, когда это необходимо.
Тонкости в работе
Следует понимать, что такое устройство не выдаст большую мощность. Как правило. она составляет не более 150 Вт, но этого вполне достаточно для подключения небольшого телевизора, ноутбука и другой слаботочной техники.
Почему не заряжается аккумулятор автомобиля от зарядного устройства
Давно искал возможность обеспечить резервное питание для моей домашней малотоковой нагрузки (роутер, камера и т.п.). Не покупать же под такое отдельный ИБП 220В (отдельный потому, что подобные устройства, как правило, располагаются далеко от основного ПК, который у меня подключен через стандартный ИБП)! В сети (да и здесь на сайте) попадались разные самодельные штуки на базе модулей powerbank"ов и повышающих схем, но ни одного рабочего решения я так и не увидел. И вот, практически случайно, на просторах aliexpress был обнаружен такой мини-ИБП.
По ссылке предлагается ИБП с выходным напряжением 5В. Перед заказом надо списаться с продавцом и определить необходимые параметры - выходное напряжение и тип разъема на кабеле-переходнике (выход у всех моделей - стандартный USB-A male, в комплекте дается кабель-переходник). Я заказал с выходом 12В и с самым ходовым цилиндрическим разъемом 5.5x2.1mm. Цена для всех моделей одинакова.
Заявленные характеристики: выход 12 Вольт 1 Ампер,
безударное переключение на работу от аккумулятора при пропадании сети 220В, защита от КЗ и перегрузки, заряд аккумулятора возможен одновременно с питанием нагрузки. Время заряда аккумулятора до восстановления емкости 90% - 3 часа.
Пришел в непримечательной коробочке без указаний на производителя. На коробочке неизвестный китайский менеджер написал выходное напряжение.
Дополнительная информация
ИБП выглядит как стандартный блок питания, евровилка (можно заказать с американской). В сравнении с типовым блоком питания 12В - наш герой справа:
Общее качество изготовления корпуса - отличное. Ничего не люфтит, разъемы на месте, крышка батарейного отсека легко открывается и закрывается. Длина отсека позволяет вставить только незащищенные аккумуляторы.
Дополнительная информация
В комплекте - сам ИБП, кабель-переходник
и Li-Ion аккумулятор типоразмера 18650 китайского производителя FST емкостью 2600mAh.
FST () - судя по всему, китайский производитель второго эшелона, имеет свой сайт, на котором я и нашел спецификации этого аккумулятора:
По коду можно определить, что аккумулятор довольно-таки старый - изготовлен 29 апреля 2015 года.ИБП имеет на левом боку маленький переключатель на два положения (наименованы соответственно как A и B), а также два светодиода, сигнализирующие о режиме работы ИБП.
Вот так описывает режимы сам производитель:
Режим А - это основной режим ИБП. По умолчанию, питание нагрузки производится от сети 220В и одновременно осуществляется подзаряд аккумулятора (при необходимости). При потере сети 220В происходит безударный переход на питание от аккумулятора и обратный возврат на питание от сети.
Режим B - это режим обыкновенного блока питания, в этом режиме аккумулятор не задействован вообще. Может использоваться, когда надо избежать ненужного разряда аккумулятора.
А теперь - общее тестирование. Проводилось при помощи известной электронной нагрузки.
1. Тестирование блока питания.
На номинальных параметрах без проблем отработал несколько часов, температура корпуса не превышала 55 градусов. При токе 1.2А срабатывает защита от перегрузки и блок отключает выход. Восстановление происходит автоматически при устранении перегрузки.
На холостом ходу и при малой нагрузке (до 400mA) блок издает довольно громкие неприятные звуки в виде шелеста и разного скворчания.
2. Тестирование ИБП
Здесь все не так радужно. Попытка тестирования на заявленных параметрах (нагрузка 1А) закончилась отключением ИБП через 15 минут. Расчеты показывают, что это едва 20-25% емкости аккумулятора. Напряжение на клеммах аккумулятора в этот момент было примерно 3.6В. Что является причиной такого поведения - непонятно. Возможно, это перегрев блока или аккумулятора (аккумулятор был довольно-таки теплый, температура корпуса ИБП достигала 60 градусов).
Пришлось поумерить аппетиты и провести тестирование на половинной мощности (нагрузка 0.5А). В этом случае полученные результаты значительно лучше - общее время работы составило 1 час 13 минут, из аккумулятора удалось добыть 7.260Wh из примерно 9.620Wh расчетных, т.е. порядка 75%.
Отключение ИБП происходит при напряжении аккумулятора меньше 3В.
Отдельное тестирование самого аккумулятора не проводил. Правильнее будет заказать какой-нибудь фирменный среднетоковый аккумулятор типа Sanyo NCR18650GA, и повторить тестирование в составе ИБП.
С зарядкой аккумулятора в составе ИБП тоже не все чисто. Заряд осуществляется током всего лишь 160mA, и расчет показывает, что в таком режиме заряд будет продолжаться не менее 16 часов. И да, так оно и вышло в реале (как это стыкуется с заявлением производителя, что 90% заряд достигается за 3 часа - известно только ему). Отсечка заряда производится на напряжении 4.215В, что является вполне правильным значением.
3. Разборка
Разборка производится элементарно. Достаточно открутить 4 шурупа на обратной стороне ИБП, и он аккуратно распадается на две половинки. Плата к корпусу никак не крепится, а просто зажимается между двумя половинками.
К сожалению, полноценных знаний, чтобы оценить схемотехнику ИБП, не имею, поэтому приведу здесь фотографии основной платы и укажу маркировку наиболее важных компонентов. Возможно, это кому-нибудь пригодится.
Верх:
Низ:
Качество пайки - удовлетворительное. Флюс не отмыт, некоторые детали припаяны криво-косо (присмотритесь, как припаян трансформатор - только одной стороной, вторая висит в воздухе!).
Кстати говоря, неприятный шум при работе на малой нагрузке, о котором я писал выше, значительно ослаб после того, как я тщательно отмыл плату от остатков флюса и всякой грязи. Хотя может и совпадение, конечно…
4. Выводы
Как обычно у китайской техники, параметры завышены ровно в два раза. Однако учитывая практически уникальную функциональность этого ИБП на сегодняшний день и то, что для планируемой нагрузки в виде камеры мне нужно меньше 500mA, покупка себя оправдала.
P.S. Для последователей (если таковые найдутся) могу посоветовать договариваться с продавцом о покупке без аккумулятора.