Ибп 24в постоянного тока схема
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.
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.
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.
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.
Импульсные источники питания (ИИП) заполонили мир. Кажется, что они применяются везде, полностью вытеснив традиционные. На самом деле, этот вопрос неоднозначный.
В обзоре речь пойдет именно об импульсных блоках питания (ИИП) – преобразователях переменного сетевого напряжения в постоянное. Следует отличать такие устройства от импульсных стабилизаторов (стабилизируют входное постоянное напряжение) и преобразователей DC/AC или AC/AC (например, 12VDC/220 VAC, преобразующих напряжение автомобильной бортсети в 220 вольт), хотя в этих устройствах применяются похожие принципы.
Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.
Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.
Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.
Инвертор
Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.
Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).
От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.
Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:
- первый цикл – верхний левый и нижний правый;
- второй цикл – нижний левый и верхний правый.
Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.
Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.
Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев ключи приводятся в действие не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел – драйвер. Связано это с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.
Фрагмент схемы промышленного импульсного источника – полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе T1.
В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие свойства обоих типов.
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.
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).
Цепи обратной связи
Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.
У компьютерного БП дополнительно имеется схема управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т.д.).
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.
Фильтр
Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.
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):
Выпрямитель
Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).
Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и мостовым двухполупериодным выпрямителем.
Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.
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:
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.
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.
Высоковольтный выпрямитель и фильтр
Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.
Участок схемы импульсника с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения C1-C2.
Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.
Как устроен ШИМ контроллер
В стабилизированных и регулируемых источниках питания напряжение на выходе поддерживается методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода в том, что первичная обмотка питается импульсами неизменной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса. Трансформированные во вторичную обмотку импульсы затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше усредненное напряжение. Если в результате увеличения тока нагрузки напряжение на выходе просело, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду увеличить ширину импульсов. Если напряжение увеличилось, ширина импульсов уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.
Культовой микросхемой для построения импульсных источников считается TL494. На ее примере можно разобрать принцип действия
шим контроллера блока питания.
Назначение выводов микросхемы указано в таблице.
Назначение | Обозначение | Номер вывода | Номер вывода | Обозначение | Назначение | |
---|---|---|---|---|---|---|
Прямой вход усилителя ошибки 1 | IN1 | 1 | 16 | IN2 | Прямой вход усилителя ошибки 1 | |
Инверсный вход усилителя ошибки 1 | IN1 | 2 | 15 | IN2 | Инверсный вход усилителя ошибки 1 | |
Выход обратной связи | FB | 3 | 14 | Vref | Выход опорного напряжения | |
Управление временем задержки | DTC | 4 | 13 | ОТС | Выбор режима работы | |
Частотозадающий конденсатор | C | 5 | 12 | VCC | Напряжение питания | |
Частотозадающий резистор | R | 6 | 11 | С2 | Коллектор 2-го транзистора | |
Общий провод | GND | 7 | 10 | E1 | Эмиттер 1-го транзистора | |
Коллектор 1-го транзистора | C1 | 8 | 9 | E2 | Эмиттер 2 -го транзистора |
Частоту генератора задают элементы, подключаемые к выводам 5 и 6. Напряжением на выводе 4 ограничивают ширину выходного импульса. Это необходимо для исключения «перехлеста» открытия транзисторов чтобы избежать ситуации, когда оба ключа оказываются открыты. Через этот вывод также можно организовать мягкий пуск БП. Вывод 13 служит для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, импульсы на выводах обоих ключей станут одинаковыми. На выводе 14 постоянно присутствует образцовое напряжение, равное +5 вольтам. Оно может быть использовано в любых схемотехнических целях.
Выводы 1 и 2 служат прямым и инверсным выводами усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на 2 ноге, то ширина выходных импульсов будет уменьшаться пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на 2 выводе выше, чем на 1, то на выходе импульсы будут отсутствовать. Также работает второй усилитель ошибки (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к ноге 3. Первый усилитель обычно используют для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.
В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на данной микросхеме. Здесь применены практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях OP1..OP4, позволяет настраивать уровень выходного напряжения и ограничивать ток. Для создания импульсного напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме посредством драйвера.
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
Также при создании ИИП применяются и другие микросхемы-регуляторы ШИМ. Они могут отличаться от TL494 по функционалу и назначению выводов, но в них используются те же принципы. Разобраться в их работе не составит труда.
Построение схемы во многом зависит от задач, которые возлагаются на источник бесперебойного питания. В одном случае необходимо предусмотреть длительное время работы в батарейном режиме, а в другом - требуется наименьшее время переключения нагрузки. Для каждого такого конкретного случая построение схемы ИБП будет иметь свои особенности. Но для примера можно привести основные структурные схемы, основанные на типах современных источников бесперебойного питания. А заодно рассмотреть их ключевые достоинства и недостатки.
Схема ИБП типа Off-Line.
Эта схема подразумевает самую простую систему коммутации. В нормальном режиме нагрузка питается напрямую от сети. При любых сбоях сетевого питания устройство переводит нагрузку на работу от аккумуляторных батарей. При этом резервные аккумуляторы, как правило, являются составной частью самого ИБП.
Достоинства:
- простая конструкция;
- малые габариты корпуса;
- невысокая стоимость;
- длительное время переключения;
- интенсивный износ аккумуляторов;
- малое время работы в батарейном режиме;
- ограниченная (невысокая) мощность;
- отсутствует стабилизация напряжения (или не во всех режимах);
- аппроксимированная синусоида (условно приближенная к синусоидальной форме).
Построенные по такой схеме источники бесперебойного питания используются для кратковременного поддержания бесперебойного энергоснабжения отдельных маломощных устройств. К их числу относятся различные виды персональных компьютеров и офисных устройств: ноутбуки, системные блоки, принтеры, сканеры, МФУ, небольшие плоттеры и др.
Схема ИБП типа Line-Interactive.
Согласно схеме линейно-интерактивного ИБП, принцип действия аналогичен предыдущем типу. Но здесь уже происходит регулировка напряжения в определенном диапазоне. То есть при незначительном падении или превышении напряжения устройство стабилизирует параметры без перевода в батарейный режим. Питание от аккумуляторов задействуется только при выходе за пределы диапазона. Обычно в таких видах ИБП используются ступенчатые стабилизаторы, которые на выходе дают напряжение с прямоугольной или трапецеидальной формой синуса.
Достоинства:
- компактные размеры;
- низкое энергопотребление;
- относительно доступная стоимость;
- стабилизация напряжения.
- необходимо время на переключение питания;
- ступенчатое изменение выходного напряжения;
- нет полноценной фильтрации помех;
- модифицированный синус.
Область применения сильно ограничена отсутствием чистого синусоидального напряжения у большинства таких моделей линейно-интерактивного типа. Источники бесперебойного питания с такой схемой работы подходят только для питания потребителей, не сильно требовательных к качеству электроэнергии или способных самостоятельно выпрямлять и фильтровать напряжение. По сути, это компьютерная, офисная и бытовая техника, а также осветительные приборы.
Схема ИБП типа On-Line.
В такой схеме электрическая энергия преобразуется дважды. Сначала выпрямитель преобразует поступающее напряжение в постоянное, а затем происходит обратный процесс - постоянное напряжение преобразуется в переменное с использованием инвертора. Это позволяет обеспечивать эталонные характеристики исходящего электрического тока независимо от качества входного напряжения. При этом схема подразумевает подключение аккумуляторных батарей в цепи постоянного напряжения (между выпрямителем и инвертором). Это гарантирует нулевое время перехода на питание от аккумуляторов. А в случае технических проблем с самим ИБП или его полного выхода из строя электропитание нагрузки продолжится по обходной цепи байпас.
Достоинства:
- отсутствие времени перехода в батарейный режим (моментальное переключение);
- стабилизация напряжения и частоты в любом режиме работы;
- возможность гибкой настройки выходных параметров;
- подавление импульсных и высокочастотных помех;
- подключенные потребители не влияют на основную сеть;
- выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
- технически сложная конструкция устройства;
- дополнительные энергозатраты на двойное преобразование;
- высокий ценовой диапазон.
Благодаря напряжению с идеальной формой синуса и стабильным параметрам тока на выходе, такие схемы построения ИБП могут быть использованы повсеместно. Устройства с двойным преобразованием напряжения подходят для питания нагрузки, крайне чувствительной к качеству электроэнергии. Среди таких потребителей можно выделить коммуникационное оборудование, сложную вычислительную технику, точные электронные измерительные приборы, системы отопления, вентиляции и др.
Схемы ИБП по мощности.
Вполне очевидно, что построение схемы ИБП зависит не только от типа источника бесперебойного питания. На нее во многом влияет номинальная мощность устройства. От размера мощности будет зависеть количество задействованных на схеме элементов и функциональные возможности устройства. Для примера можно привести схемы источников бесперебойного питания малой и средней мощности.
Структурная схема ИБП малой мощности.
ККМ-В - корректор коэффициента мощности / выпрямитель
ИНВ - инвертор
ППН - преобразователь постоянного напряжения
ЗУ - зарядное устройство
ВИП - вторичный источник питания
АБ - аккумуляторная батарея
К1, К2 - реле блока коммутации
Структурная схема ИБП средней мощности.
ККМ - корректор коэффициента мощности
В - выпрямитель
ИНВ - инвертор
ЗУ - зарядное устройство
ВИП - вторичный источник питания
АБ - аккумуляторная батарея
БК - блок коммутации
ДЗУ - дополнительная плата зарядного устройства.
Принципиальная схема силовой цепи ИБП малой мощности.
Принципиальная схема силовой цепи ИБП средней мощности.
Процесс изготовления.
Для изготовления бесперебойного источника питания потребуется пара аккумуляторов 18650 , причем включаться они будут по схеме 2S (две батареи последовательно). Нарастить емкость можно будет, реализовав схему 2S2P — две ячейки по два аккумулятора включаются последовательно.
У автора нашлось несколько старых аккумуляторов от ноутбуков, в которых и используются батареи 18650. Чаще всего выходит из строя только одна ячейка, и контроллер блокируется. При этом остальные останутся вполне себе рабочими.
Разобрав корпус аккумулятора (в данном случае это схема 3s2p), автор производит замеры напряжение на ячейках мультиметром , находит дохлую. Напряжение на рабочих ячейках составляет 3,46В.
Автор рекомендует сначала перекусывать металлическую ленту, соединяющую отрицательные контакты батарей.
Это связано с тем, что на плюсовых контактах гораздо выше вероятность случайно замкнуть ленту с корпусом батареи (минусом). В этом случае батареи придут в негодность.
Далее нужно измерить напряжение на каждой из батареек, и выбрать лучшие. На большинстве батареек напряжение составило более 3,2В, что вполне приемлемо.
Чтобы проверить их в работе, и хорошенько зарядить, автор устанавливает кандидатов в автоматическое зарядное устройство , и делает три цикла разряд-заряд.
Исходя из данных, приведенных на наклейке ноутбучного аккумулятора, можно узнать емкость батареек и их рабочее напряжение. Общая емкость такого аккумулятора равна емкости одной ячейки.
После завершения циклов зарядки, устройство показывает текущую емкость батарей. Конечно, она меньше заводской (1800 против 2200 мА), но их вполне можно использовать.
Чтобы правильно управлять зарядом каждой из батареек, нужно установить плату защиты и балансировки (BMS) . Эта разновидность плат предназначена для сборок 2S.
Напряжение, снимаемое с двух параллельно включенных батареек, составит не более 8,4В. Роутеру же требуется 12 В. Поэтому придется использовать вот такой регулируемый повышающий преобразователь .
К сожалению, использовать родной блок питания на 12В от роутера для питания бесперебойника не получится. Ему требуется напряжение 8,4В. Для этого нужно заменить его на зарядное устройство на 8,4В и 2А , либо использовать блок питания от роутера с вот такой понижающей платой .
При помощи дремеля мастер срезает лишние крепления в корпусе, чтобы освободить место для компонентов, а также вырезает отверстия в боковой стенке для переключателя и разъема.
Зачистив металлические ленты наждачной бумагой для облегчения пайки, автор дополнительно изолирует их от корпуса.
Еще один кусочек изоляционной ленты приклеивается на корпус одной из батарей — это создаст еще один слой в месте соединения корпусов. Таким образом уменьшается риск короткого замыкания.
К положительному и отрицательному выводам ячейки 2S автор припаял провода, и установил по предохранителю на 1,5А — этого будет более чем достаточно для роутера.
Средняя точка ячейки отводится проводом без предохранителя.
Если Вы будете создавать блок для больших нагрузок, то нужно увеличить номиналы предохранителей.
Ячейка фиксируется в корпусе на горячий клей или двухсторонний скотч.
Для контроля напряжения на аккумуляторах, автор использует простенький вольтметр . В нем не будет необходимости, если Вы возьмете понижающую и повышающую платы с установленными вольтметрами.
Как видно, выходное напряжение с зарядного устройства чуть выше заявленного — 8,6В.
Чтобы экран зафиксировался вровень с поверхностью корпуса, сам корпус следует прижать к ровной поверхности, и зафиксировать экран горячим клеем.
Плате BMS нужно подключение к средней точке для контроля напряжения каждой ячейки.
Таким образом она может активировать функцию балансировки, которая очень важна.
Когда один из литий-ионных элементов заряжается примерно до 4,2В, активируется транзистор и через этот резистор разряжается ячейка.
Таким образом, BMS будет поддерживать ее на уровне 4,2В до тех пор, пока другая ячейка не зарядится до того же уровня. Номинал балансировочных резисторов у этой платы BMS составляет 62 Ом.
На плате BMS 3S уже резисторы на 43 Ом. Она имеет балансировочный ток 97 миллиампер, и может работать с ячейками большей емкости.
Вернемся к мини ИБП, я изолирую разъемы коммутатора с помощью усадочных трубок. Переключатель будет подключен между платой BMS и повышающим конвертером.
Выходной разъем нужно вывести через отверстие в корпусе перед пайкой проводов. Нужно проверить полярность разъема, очевидно, что он должен иметь ту же полярность, что и оригинальное зарядное устройство.
Также мастер припаивает параллельно выходу ИБП конденсатор емкостью 470мкФ, для фильтрации пульсаций.
Вращая потенциометр на повышающей плате, нужно установить выходное напряжение 12,1В. Небольшой запас делается для компенсации просадки.
Зарядка закончена, и красный светодиод на зарядном становится зеленым.
Вольтметр на холостом ходу ИБП показывает 8,6В, но это напряжение зарядного устройства. Напряжение батарей — 8,4В.
Автор подобрал нагрузку из резисторов и лампочки так, чтобы ток составил около 1А.
Вольтметр ИБП показывает напряжение аккумуляторной батареи. Простой самодельный вольтамперметр измеряет выходное напряжение и потребляемый ток.
Я закончу этот тест, потому что предохранители 1,5А близки к их пределу сейчас я не хочу, чтобы они сгорели.
Плата защиты от разряда BMS отключает батарею, когда напряжение на одной из ячеек опускается до 2,9В.
В итоге с такой нагрузкой ИБП проработал полтора часа.
Если мы рассчитаем мощность исходя из емкости и напряжения аккумуляторной батареи, сравним ее с рассеянной на нагрузке, то КПД устройства — около 70%, что не так уж плохо.
Теперь можно заменить штатный блок питания роутера на новый бесперебойник с зарядным, и выключить свет для проверки.
Заряда батарей при таком токе потребления должно хватить на часов на шесть.
Как уже говорилось, для повышения мощности устройства и емкости, можно увеличить количество батарей в ячейках.
Для экономии места в корпусе можно использовать плоские литий-полимерные аккумуляторы .
Благодарю автора за простой способ изготовления универсального источника бесперебойного питания на литий-ионных батареях.
Также этот ИБП отлично подходит для питания камер видеонаблюдения .
Всем хорошего настроения, крепкого здоровья, и интересных идей!
Подписывайтесь на телеграм-канал сайта, чтобы не пропустить новые статьи.
Авторское видео можно найти здесь.
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:
Какие бывают виды и где применяются
Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:
- однополярные с одним уровнем напряжения;
- ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
- двухполярные.
Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.
Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:
- Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
- Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
- Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.
Описать все области использования импульсников невозможно. Они применяются там, где надо получить большой ток от легкого и компактного источника.
Также можно разделить ИИП по схемотехнике:
- с импульсным трансформатором;
- с накопительной индуктивностью.
В схемотехнику можно углубляться и дальше и классифицировать БП по другим критериям, но это принципиального значения не имеет.
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.
Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного
Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор - выпрямитель с фильтром - стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.
В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.
Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.
В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.
К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.
Среди минусов импульсных источников также надо упомянуть генерацию помех в питающую сеть и «замусоренность» выходного напряжения высокочастотными составляющими.
Читайте также: