Главная » Принципы построения источников бесперебойного питания
Статьи

Принципы построения источников бесперебойного питания

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

О. Федяков
технический директор ООО «К-Инженеринг»,

Ю. Кякинен
начальник отдела стандартизации ООО «К-Инженеринг»,

И. Неплохое
к.т.н., технический директор Бизнес-группы «Центр-СБ»

Источники бесперебойного питания являются важнейшей частью охранных систем, охранного телевидения, систем контроля доступа и противопожарных систем. От их работы зависит функционирование всех этих средств. Выбор конкретного типа источника питания определяется номинальным напряжением запитываемых устройств, обычно 12 или 24 В, током потребления и требуемым временем резерва. Однако источник питания характеризуется большим числом характеристик, многие из которых определяются структурой источника питания. Причем название «12-вольтовый источник» вовсе не гарантирует, что на его выходе во всех режимах работы поддерживается с достаточно высокой точностью напряжение 12 В, не говоря уже о других характеристиках. В то время как многие устройства требуют обеспечение достаточно стабильного напряжения питания, без скачков и значительных пульсаций. Однако на практике даже тщательное изучение паспорта не позволяет определить, каким образом функционирует источник питания. В данной статье рассматриваются динамические характеристики источников бесперебойного питания, т.е. изменения выходного напряжения при изменении режимов его работы в зависимости от схемы включения аккумуляторной батареи заряда и разряда.

ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ

Наиболее простая схема источника бесперебойного питания приведена на рисунке 1. Аккумулятор подключается практически непосредственно к выходу источника питания, что определяет существенные недостатки данного класса источников.

Для заряда аккумулятора требуется повышенное напряжение, при температуре окружающей среды 20° С напряжение заряда 12-вольтового аккумулятора должно быть примерно 13,8 В. Соответственно, при питании источника от сети выходное напряжение выбирается около 14 В, т.е. примерно на 15% выше номинального напряжения 12 В. Получается, такой источник питания, по сути, скорее 14-вольтовый, и к нему не допускается подключение устройств, требующих напряжение питания 12 В ±10%. Устройства с более широким диапазоном напряжения питания будут работать при повышенном напряжении, что в общем случае определяет повышенное потребление электроэнергии, дополнительное выделение тепла и более жесткие условия эксплуатации питаемых устройств и снижение их надежности, которое может быть значительным.

Простейшая цепь для формирования режимов аккумулятора «заряд - разряд», которая обычно используется на практике, определяет дополнительные недостатки источников данного класса. Для ограничения тока заряда аккумулятора в простейшем случае используется резистор, а для подключения нагрузки в режиме резервирования параллельно ему ставится диод (рис. 2,3). Чтобы не происходило значительного снижения номинального тока нагрузки за счет зарядного тока аккумулятора, при переходе с резерва на сетевое питание и для уменьшения рассеиваемой мощности на резисторе его величина выбирается сравнительно большой, порядка 50 Ом. Максимальный ток заряда, разряженного до 10 В аккумулятора от 14-вольтового источника, не превышает 70-80 мА - соответственно, время заряда аккумулятора емкостью 7 Ач увеличивается примерно в 10 раз. С другой стороны, подключение нагрузки к аккумулятору через диод в режиме резерва дает падение напряжения на нем порядка 0,7 В, что определяет дополнительный перепад напряжения при переходе на резерв и пониженное напряжение при резервировании. При отключении сети напряжение на выходе падает до напряжения заряженного аккумулятора, которое зависит от тока нагрузки. При токе нагрузки порядка 1,5 А напряжение составит примерно 12,5-12,7 В (рис. 4), и с учетом падения напряжения на диоде перепад выходного напряжения превысит 2 В. Соответственно, при разряде аккумулятора до 10 В напряжение на нагрузке падает до 9,3 В, а отключение нагрузки при большем напряжении значительно сокращает время резерва. Обратное включение сети вызывает скачок напряжения до 14 В, т.е. примерно на 5 В. Все это необходимо учитывать при определении совместимости подключаемых к такому источнику «12-вольтовых устройств».

Рис. 1. Структура простейшего источника бесперебойного питания


Также простейшая схема не предполагает наличие защиты аккумулятора от глубокого разряда, и первое же длительное отключение сети потребует обеспечить его замену, что необходимо учитывать при сравнении стоимости источников питания с защитой аккумулятора от глубокого разряда и без защиты. При максимальной экономии затрат на производство простейших источников питания сигналы перехода на резерв и сигналы разряда аккумулятора также не предусматриваются, что усугубляет ситуацию даже при наличии круглосуточного дежурства на объекте. Дальнейшая возможность экономии, которая также реализуется на практике, - это защита источника от перегрузки по выходу при помощи обычного предохранителя. Например, в источнике питания с током нагрузки 1,5 А ставится предохранитель на 2 А (рис. 3). Перегрузка источника по току потребления при электронной защите вызывает ограничение тока с автоматическим последующим восстановлением нормального режима работы, а перегоревший предохранитель даже при кратковременной перегрузке потребует его замены, что может произойти и через несколько суток.

Таким образом, данный класс источников питания можно называть «бесперебойным» со значительными ограничениями, с учетом данных ограничений их можно использовать в простейших системах безопасности, с широким диапазоном напряжений питания, порядка 10-14 В, в расчете на достаточно редкие и сравнительно непродолжительные отключения сети.

ТРЕБОВАНИЯ ГОСТ Р 53325-2009

Что касается источников, обеспечивающих питание средств противопожарной защиты, то, по ГОСТ Р 53325-2009 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний», они должны быть источниками 1-й категории надежности электроснабжения и должны соответствовать требованиям, которым простейшие источники бесперебойного питания в большей части не отвечают. Так, например, значение выходного напряжения при питании от сети должно быть в пределах от 90 до 110% номинального значения, т.е. в нашем случае в пределах 10,8-13,2 В. Должен автоматически формироваться сигнал неисправности при минимальном значении напряжения аккумулятора, должно обеспечиваться сохранение работоспособности источника при обрыве или коротком замыкании цепи аккумулятора. Должны формироваться сигналы при отсутствии выходного напряжения, а также входного напряжения электроснабжения по сети и от аккумулятора. Должны быть предусмотрены оптические индикаторы наличия (в пределах нормы) основного и резервного или резервных питаний (раздельно по каждому вводу электроснабжения), индикаторы наличия выходного напряжения. Должна быть автоматическая защита от короткого замыкания или повышения выходного тока выше максимального значения. Источник должен автоматически восстанавливать свои параметры после устранения короткого замыкания или повышения выходного тока выше максимального значения. Эти требования значительно превосходят требования действующих ранее НПБ 86-2000 «Источники электропитания постоянного тока средств противопожарной защиты. Общие технические требования. Методы испытаний».

Рис. 2. Схема подключения аккумулятора

Рис. 3. Фрагмент печатной платы

Рис. 4. Напряжение аккумулятора при различных токах нагрузки

РАЗДЕЛЕНИЕ ЦЕПЕЙ НАГРУЗКИ И ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА

Для устранения существенных недостатков простейших источников бесперебойного питания необходимо значительно усложнить схему построения источника питания. Возможно применение различных структур, но основной принцип, который требуется соблюдать, -это разделение цепей нагрузки и заряда аккумулятора (рис. 5).

Особенно важно выполнение этого условия в источниках с большими значениями токов нагрузки номинальных или кратковременных. При обеспечении времени заряда аккумулятора в течение 1-2 суток зарядный ток даже аккумулятора емкостью 7 Ач должен быть около 1 А, а зарядный ток аккумуляторов большей емкости может составлять несколько ампер. Соответственно, при заряде аккумулятора с выхода источника бесперебойного питания его выходной ток существенным образом зависит от режима работы, и величину тока нагрузки необходимо снижать на величину тока заряда. / На рисунке 6 приведен один из вариантов схемы источника бесперебойного питания, где аккумулятор заряжается через отдельную схему со входа стабилизатора напряжения, что позволяет обеспечить оптимальный режим заряда, несоздавая дополнительной нагрузки на стабилизатор. При этом выходное напряжение стабилизатора может выдерживаться на уровне 12 В с достаточно высокой точностью, независимо от величины зарядного тока аккумулятора. Стабилизатор работает только на нагрузку, и ток заряда аккумулятора через него не проходит в отличие от первого варианта. В режиме резервирования нагрузка подключается к аккумулятору через силовой ключ, что обеспечивает меньшее падение напряжения, чем на диоде. Силовой ключ также может использоваться для отключения аккумулятора при достижении минимально допустимого напряжения для его защиты от глубокого разряда. Однако, очевидно, данное построение определяет скачок напряжения при переходе с сетевого питания на резерв и, конечно, скачок напряжения при включении сетевого питания после разряда аккумулятора.

На рисунке 7 приведена структура источника резервированного электропитания, использующего так называемый стабилизатор-ключ LOW-DROP (патент № 50350 от 17.02.2005). В схеме параметрического стабилизатора в качестве регулирующего элемента используется полевой транзистор Р-канального типа с малым сопротивлением канала, равным примерно 0,02 Ом. Это позволяет обеспечить напряжение регулирования равным примерно 0,1 В и использовать стабилизатор в качестве ключа. Стабилизатор при снижении входного напряжения на нем из-за разряда аккуму-

лятора сначала стабилизирует выходное напряжение, а затем переводится в режим открытого ключа, и при достижении минимально допустимого значения напряжения аккумулятора происходит закрывание ключа и отключение нагрузки. Данное построение источника полностью исключает скачок напряжения при переходе с сетевого питания на аккумулятор, что является существенным преимуществом по сравнению с рассмотренными ранее техническими решениями. Во всех режимах работы обеспечивается выходное напряжение не более 12 В. Для развязки выходной цепи аккумулятора в схеме могут использоваться диоды, но для снижения падения напряжения необходимо использовать диоды Шоттки. Возможны и другие способы обеспечения развязки по выходу, например, включение двух стабилизаторов-ключей LOW-DROP - на выходе сетевого источника питания и аккумулятора.

Конечно, на базе структурной схемы, приведенной на рисунке 7, возможны различные варианты реализации. Например, может использоваться схема импульсного ШИМ-стабилизатора, в которую вводится дополнительный источник отрицательного смещения типа DC/DC-конвертера. В качестве регулирующего элемента также используется полевой транзистор Р-канально-го типа с малым сопротивлением канала. Это позволяет исключить в схеме ШИМ-стабилизатора «мертвое время», что увеличивает длительность рабочего цикла до 100%, а также обеспечить напряжение регулирования равным примерно 0,1 В и использовать стабилизатор в качестве ключа.

Рис. 5. Источник с отдельной цепью заряда аккумулятора

Рис. 6. Схема заряда аккумулятора с входа стабилизатора напряжения

Рис. 7. Схема заряда аккумулятора с входа стабилизатора напряжения

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

На рисунке 8 приведен график, на котором наглядно показано, каким образом изменяется выходное напряжение источников питания, использующих различные принципы построения, при различных режимах работы. Источник питания с простейшей схемой построения при питании от сети и полностью заряженном аккумуляторе обеспечивает повышенное выходное напряжение около 14 В - кривая 1, временная область I. При отключении сети напряжение падает примерно до 12 В, и далее происходит снижение выходного напряжения при разряде аккумулятора - временная область II. Если период отключения сетевого питания сравнительно непродолжительный, то при восстановлении сети происходит скачок выходного напряжения до 14 В - временная область III. При более длительном отключении сети аккумулятор полностью разряжается до напряжения ниже допустимого и восстановлению не подлежит -временная область IV. При восстановлении сети восстановится первоначальное напряжение 14 В - временная область V, однако резервирование в дальнейшем обеспечиваться будет только после замены аккумулятора, в противном случае при следующем отключении питания напряжение упадет практически до нуля - временная область VI.

Рис. 8. Выходное напряжение различных источников питания

Рис. 9. Заряд аккумулятора током постоянной величины

Выходное напряжение источника со структурной схемой, изображенной на рисунке 6, при питании от сети соответствует номинальному значению 12 В - кривая 2, временная область I. При отключении сети напряжение повышается до напряжения аккумулятора, и далее происходит снижение выходного напряжения при разряде аккумулятора - временная область II. При восстановлении сети выходное напряжение восстанавливается до 12 В - временная область III. При более длительном отключении сети аккумулятор при достижении минимально допустимого напряжения отключается от нагрузки - временная область IV. При восстановлении сети восстановится первоначальное напряжение 12 В - временная область V.

Наиболее стабильное выходное напряжение обеспечивает источник питания со структурной схемой (рис. 7). При переходе на резерв практически сохраняется номинальное выходное напряжение 12 В за счет стабилизатора-ключа LOW-DROP, который работает при сетевом питании и в режиме резерва, при питании от аккумулятора (кривая 3, временные области и V, VI). И только при длительном отключении сети, когда аккумулятор разряжается до напряжения менее 12 В, происходит снижение выходного напряжения (кривая 3, временная область IV).

ЗАРЯД АККУМУЛЯТОРА

Отдельная цепь заряда аккумулятора также позволяет оптимизировать режим заряда и значительно сократить время заряда. При заряде аккумулятора от источника постоянного напряжения порядка 14 В через постоянный резистор ток заряда изменяется в широких пределах. Даже если в начале цикла предусматривается оптимальная величина зарядного тока, то с ростом напряжения на аккумуляторе соответственно уменьшается зарядный ток.

Этот эффект учтен в зарубежных стандартах, где определяется допустимое время заряда аккумулятора. Обычно требуется обеспечить заряд аккумулятора до 80% емкости не более чем за сутки, а заряд до 100% емкости не позднее, чем через последующие двое суток.

Использование отдельной схемы заряда аккумулятора со стабилизацией зарядного тока на оптимальном уровне позволяет значительно сократить полное время заряда аккумулятора. Например, для 12-вольтового аккумулятора емкостью 7 Ач обеспечивается постоянный ток заряда в течение всего цикла на уровне 0,7 А (рис. 9).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время имеется широкий выбор отечественных источников бесперебойного питания, однако для правильного выбора на этапе проектирования необходимо внимательно рассмотреть как характеристики источников питания, так и требования по питанию подключаемого оборудования. Необходимо предусмотреть совместимость оборудования при всевозможных режимах работы источника питания и электропотребителей. Особое внимание надо уделить определению максимальных кратковременных токов потребления системой и возможность их обеспечения источником питания в начале цикла заряда аккумулятора. Конечно, диапазон рабочих температур, влажности, степень защиты от электромагнитных помех, электрических разрядов и т.д. должны соответствовать условиям эксплуатации оборудования. К сожалению, в паспортах на источники бесперебойного питания не всегда приводятся все требуемые технические характеристики, в этих случаях необходимо уточнять информацию у разработчиков. В противном случае возможны отказы системы в процессе эксплуатации и даже выход из строя дорогостоящего оборудования. При этом его замена по гарантии весьма проблематична.

Взято с http://www.algoritm.org

11.02.2010



------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Облако тегов:

«За безопасность необходимо платить, а за ее отсутствие расплачиваться». /Уинстон Черчилль/