Часть 1
Часть 2
Часть 3
Введение
Начнём со структурной схемы ИБП. Она приведена ниже:
В общем-то классика жанра. Входное напряжение через реле K3, K1, K2 и K4 проходит на выход и питает нагрузку. При этом оно также поступает на основной трансформатор ИБП, питает схему и заряжает аккумулятор. Зарядное устройство намеренно не выделено отдельным блоком, потому его функции выполняет инвертор, но об этом будет рассказано подробнее в следующий раз.
Реле K1 и K2 выполняют вышеописанную функцию автотрансформатора. Включаясь в разных комбинациях, они эксплуатируют трансформатор ИБП в режиме авторансформатора и регулируют выходное напряжение.
На вышеприведённом рисунке показано состояние реле при номинальном напряжении в сети.
При пониженном напряжении включение будет такое:
А при повышенно вот такое:
Как видите, пока всё довольно просто. Но, чтобы переключать эти реле, необходимо знать величину входного напряжения. Таким образом мы плавно переходим к следующей части — измерениям.
Измерение входного и выходного напряжения
Для измерения используем вот такую незамысловатую схему (промоделирована в MicroCap, потом полностью проверена в «железе»):
V4, V5 — это источники, имитирующие входное и выходное напряжение.
На операционниках собраны простые усилители. При помощи R11, R12 формируется напряжение смещения величиной примерно в 1,5В.
Резисторы подобраны таким образом, чтобы при напряжениях 270В размах на выходах операционников составлял 2,5 В. Больше такой дешёвый операционник как LM358 выдать не сможет, да нам и не нужно.
Эпюры сигналов показаны ниже:
В вышеприведённой схеме есть одна хитрость. Это использование конденсатора C1. Давайте посмотрим на эпюры напряжений, если его исключим.
Это ситуация, когда есть входное напряжение и есть выходное:
Пока отличий от схемы с конденсатором нет. Но давайте представим, что V5 — это входное напряжение. И тут вдруг бац, оно пропадает. Мы работаем от инвертора и у нас есть только выходное напряжение (про модифицированную синусоиду пока забываем, сейчас это неважно). В результате получаем вот такие эпюры:
Ничего себе! Операционник теперь выдаёт нам совсем другое напряжение, хотя по факту ничего не изменилось! А всё почему? Потому что отсутствует связь по переменному току, т.к. нет конденсатора!
Кто-то может сказать, а зачем вообще городить эту цепь из параллельно соединённых конденсатора C1 и резистора R13? Всё для повышения уровня защиты. Ведь у нас узел измерения гальванически связан с входной сетью. Резистор R13 уменьшает ток. Сажать фазу или ноль (неизвестно каким образом пользователь воткнёт вилку в розетку) с цифровой землёй крайне опасно. А наличие резистора с конденсатором уменьшает ток до 0,5 мА.
Далее хотел бы показать осциллограммы сигналов после высокоомных резисторов R1 и R4:
И на выходе операционников:
Как видно, получаем хороший чистый сигнал пригодный для дальнейшей непосредственной оцифровки.
В следующих статьях поговорим об измерении выходного тока, а также о построении инвертора. Там будут использованы тоже крайне интересные решения!
Комментарии (54)
ihouser
01.09.2018 21:02+1Вот читаю статьи про ИБП и меня не покидает мысль, что все это неправильно. Большинство современных приборов питаются от постоянного 5… 24В БП. А нам все еще предлагают преобразовывать 220В в 12 В потом обратно в 220В и запитать прибор у которого вероятно имеется хороший БП работающий от 170 до 250В и преобразующий его в те же 12В.
Хочу ИБП как для ноутбуков. Есть такие? Или как сделать такой самому с «умной» подзарядкой АКБ (не через простой резистор)?
FDA847 Автор
01.09.2018 22:52Да, я тоже постоянно об этом думаю. Большинству техники действительно переменное 220 В не нужно. Но в то же время у них отсутствует прямое подключение к постоянке, т.е. прибор требуется доработать. В Интернете неоднократно встречал информацию, что в мире уже поднимаются вопросы о том, чтобы заводить в каждую квартиру сразу линию с каким-то постоянным напряжением. Наверное когда-то это действительно произойдёт. А может и производители техники будут выпускать модели, работающие сразу от двух типов сетей.
Например, отечественная фирма ОВЕН, выпускающая промышленные контроллеры, производит такие приборы. Они могут питаться как от 24В постоянки, так и от 160 до 280В (ну около этого) переменки.
Я сам пробовал собирать на базе микросхем LinkSwitch такой источник питания. Он исправно работал при напряжении от 18 до 250В (постоянки и переменки).saege5b
01.09.2018 23:05Низковольтное в квартире слабооправдано.
Но в случае с комп.БП весьма нелогично гонять с ИБП в синус 220 потом обратно, хотя гораздо проще предусмотреть ввод в БП промежуточного напряжения с ИБП напрямую.FDA847 Автор
01.09.2018 23:10Вопрос только в том, чтобы производители БП делали соответствующий низковольтный вход. Тогда весь такой ИБП можно свести с AC-DC с регулировкой выходного напряжения и резервному аккумулятору. Ну, если Li-ion использовать, то ещё и зарядное устройство. Конечно, это было бы в разы проще. Собственно, в телекоммуникациях поэтому наверное и принято питаться от 48В, чтобы исключить потери на преобразованиях напряжения.
MrAloof
02.09.2018 06:38Что на счёт унификации? В комп конечно достаточно 12в. И БП с DC входом есть — не проблема если есть потребность.
Но кроме компа нужно ещё что то подключить: телефон, монитор и т.п. Вводим стандарт 12в? Но остаются преобразователи внутри на 3.3в, 5в и т.д…
Так что не нужно плодить сущности. 220VAC можно передать далеко, хватает всем, потери на преобразование не велики.
Если ИБП рядом с прибором — можно совместить его сразу с БП. Касательно компьютера — взять плату питания от DC, навестить к ней схему ИБП, разместить это всё в стандартном корпусе, врезав клеммы для АКБ.FDA847 Автор
02.09.2018 09:05Смотря какие цели преследуются. Например, если в офисе требуется организовать резервное питание, то эффективнее было бы проложить отдельную линию с резервными аккумуляторами, например, на 48В. От неё запитать потребителей. При этом в зависимости от количества этих потребителей очень сильно экономим на потерях.
Дома ситуация другая. Мало кому нужно держать постоянно включенный сервер, поэтому тут может быть желание повысить эффективность за счёт перевода того же освещения на постоянку. То есть вместо кучи преобразователей в каждой лампочке использовать, например, один на всю квартиру. В масштабах самой квартиры или дома, возможно, выгода будет небольшая, а в масштабах страны очень даже нормально!MrAloof
02.09.2018 09:46Для офиса не пойдет. Только для маломощных нагрузок типа аварийного освещения/сигнализации какой-нибудь. В стометровой линии на 48В будут потери соизмеримые с потерями на преобразованиях DC48-AC220-DC12.
FDA847 Автор
02.09.2018 09:501. Всё зависит от суммарной потребляемой мощности и сечения проводов.
2. Зачем 100 м линия, если надо запитать 2-3 в офисе, а то и вообще только сервер и сетевое оборудование?
Здесь вопрос исключительно в удобстве. Современные DC-AC имеют весьма низкий КПД. Хорошо, если там 70% получится, обычно даже меньше. Поэтому некоторые вещи питать от постоянки проще и эффективнее.arheops
02.09.2018 10:53Вам прийдется проектировать сеть с проводами максимальной нагрузки. Тоесть для офиса те же 2кватт на линию, но для 48 вольт будет в 6+ раз дороже(в 5 раз толще провод 48в + 220в отдельно).
FDA847 Автор
02.09.2018 10:56Да, провода выйдут дороже, но зато сам ИБП обойдётся в копейки. Аккумуляторы недорогие, AC-DC на 48В тоже стоит недорого. А вот обычный ИБП на такую мощность будет стоить десятки тысяч рублей. И проработает при этом недолго.
arheops
02.09.2018 10:59Ну мы говорим о проводах вместо 4квадратов меди в 20 квадратных мм.
Это уже совсем другой по сложности монтажа и соединений проект.
Вот у меня в даче на 36 м2 медного провода 150метров зарыто. Прикиньте стоимость. ИБП даже топовый будет дешевле.
Я понимаю, что у вас потребители мелкие, но считать то вам все равно прийдется по максимально возможным подключениям в эту розетку.
Плюс вам прийдется взять нестандартные розетки, иначе будут истории включения 220в чайников в 48в сеть, что приводит к нереальным токам.FDA847 Автор
02.09.2018 11:00Для 2 кВт хватит сечения в 6 кв. мм. Это обычный провод.
arheops
02.09.2018 11:052000/48=41А, плюс четыре провода проложенных вместе(еще 220в), это 6кв.мм минимум. Если розеток больше 2 в группе, то еще на 1.5-2.
Это подводка. А узел распределения на 4-5 таких линий(в небольшом офисе их 10-100)?
Честно говоря, уже в офисе размером 10х10м провода будут стоить дороже, даже если удорожание 2х(а оно 4-10х).FDA847 Автор
02.09.2018 11:24В итоге совершенно нормальная разводка
ClearAirTurbulence
02.09.2018 11:53Вы хоть раз 6кв мм тянули-коммутировали? Или, что немаловажно, покупали?
FDA847 Автор
02.09.2018 11:56Естественно, тянул и не раз. Вообще не вижу с этим проблем!
Кроме того, Вы рассматриваете какой-то надуманный крайний случай. Реально ИБП на 48В будет располагаться в 2 м от нагрузки. Всё таки сервера и коммутационное оборудование принято располагать в стойках или шкафах.
MrAloof
02.09.2018 06:24Вы вместо потерь на преобразовании получите потери на сопротивлении.
Низковольтную постоянку в квартиру? От какого места предлагаете? Даже если от электрощита в подьезде — падение напряжения будет существенным. Или предлагаете 16 квадрат прокладывать?
И чем конкретно это будет отличаться от преобразователя в розетке?
SemaIVVV
01.09.2018 21:05Автор, а какие детали отвечают именно за выравнивание напряжение, без включения инвертора?
Интересуюсь не праздно, хочу узнать, реально дорого вытягивать из низкого напряжения 170В в стандарт 210В-230В, и понижать высокое 275В на стандарт. Или это просто не учитывается разработчиками ИБП, как не существующее, а если нужно, то сделали бы и не слишком дороже получилось бы?
Просто у меня в деревне, такое напряжение. В секунду — (в одну секунду времени) напряжение меняется от 11 до 36 раз, амплитудой от 170 до 275 вольт. Не в полную амплитуду конечно, а полчаса идет полоса от 170 до 190 вольт, потом может пойти полоса от 250 до 275 вольт и так постоянно. Всего пару часов в день, напруга находится скачками между 198 и 230 вольт.
Если кто- то не понимает, чем прикольно такое напряжение, то расскажу: никакой выпрямитель, который находится в среднем ценовом диапазоне, до 150 долларов, (APC 650Ваттный например), или ИБП вроде APC 750VA, 1200VA, не в состоянии долго удерживать эти скачки. Мало того, что их реле постоянно щелкают металлическим звуком как пулемет (помним о смене 11-36 раз в секунду напруги, которая переключает ИБП на инвертор и обратно на трансформатор), так они еще и в определенный момент виснут с выдачей постоянного писка, и их нужно отключить от сети и снова включить, чтобы они начали работать.
Если же поставить в настройках ИБП замедленную реакцию на переключение инвертора — то аккумулятор просто высаживается за полчаса и ИБП отключается. Выпрямитель понятное дело просто выключает нагрузку периодически, что тоже не есть гуд и также вылетает с писком периодически и требует выключения/включения.
Брать аппарат за полторы тысячи долларов как-то не очень хочется, вот я и интересуюсь: какие детали, и на сколько дорого смогут выпрямить мой пулемет?
P.S>
Зная такое УГ своей напруги, я хотя бы холодильник купил от самсунга с супер блоком питания и защитой — он не отключается при 140В и по верху 400В ему не страшны, поэтому он напрямую работает от розетки у меня. Правда, когда идет полоса 160В, он плохо морозит, не хватает энергии (да и пылесос не сосет, микроволновка не греет, в общем счетчик крутит, а приборы не работают как надо).SergeyMax
01.09.2018 21:53Рискну предположить, что вам поможет ИБП с двойным преобразованием. Новые такие бесперебойники стоят атомных денег, но б/у (разумеется без батарей) можно найти буквально за копейки.
sim2q
01.09.2018 23:10> ИБП с двойным преобразованием
Или хотя бы стабилизатор с PFC и чистым синусом на выходе, был обзор кажется у автора на страничке с тестом led-лампочкек. Пылесос и тем более микроволновку он конечно не утащит
Int_13h
02.09.2018 05:51Совсем не атомных, по цене сравнимы со стоимостью нового компьютера, ноутбука или просто топового процессора.
SergeyMax
02.09.2018 08:19Ну что вы, топовый процессор гораздо дороже!)
Int_13h
02.09.2018 13:39Вы правы, за 27 тыс. руб. топовый процессор не купить, а ИБП с двойным преобразованием на 900 Вт
уже можно :)
SemaIVVV
02.09.2018 13:01С атомными деньгами я бы взял электронный стабилизатор, как и написал выше (от $1500), там нет щелканий никаких.
FDA847 Автор
01.09.2018 22:56Как я писал в начале статьи, в данном ИБП реализован режим не плавной стабилизации, а скачкообразной. То есть он позволяет при понижении напряжения до 160В вытягивать его вверх и при превышении до 280В опускать вниз. ИБП без этого режима в таких случаях тут же переходят на инвертор, разряжая аккумулятор.
Но даже такой режим весьма непростой. При резких скачках с одной стороны хочется минимизировать переключения за счёт фильтрации, а с другой стороны нужно всё таки быстро реагировать на крайние значения. Сейчас реализован некий средний вариант, в работе он показал себя неплохо, но в то же время есть ещё над чем поработать.SemaIVVV
02.09.2018 12:52Так а по деньгам то что? Вытягивать такие показатели — нужны дорогие детали для схемы, или просто никто не делает, так, как редки такие случаи напряжения?
FDA847 Автор
02.09.2018 13:01Видимо просто спроса особого на такие вещи нет. В телекоммуникациях 48В повсеместно используется. Там и системы ЭПУ готовые имеются. Даже кондиционеры на 48В выпускаются. А вот для обычных офисных применений пока стандарт, видимо, 230В.
У нас недавно тоже задача была реализовать ИБП для одной нашей системы, где в составе предусматривался компьютер. Заказчику требовалась бесперебойная работа в районе 2-3 часов.
В результате сделали следующим образом. Собственную электронику запитали от аккумулятора на 12В. А в качестве компьютера использовали ноутбукSemaIVVV
02.09.2018 13:05Ага, понял, спасибо за разъяснение. Вот жеж беда, хоть отписывайся китайцам, чтобы создали индивидуально для меня плату :)
А кстати, на сколько сложно на существующей плате того же например APC 750VA, изменить эти показатели у него (он сейчас вытягивает с 175В-> и 255В <-). Можно ли несложными переделками увеличить эти показатели до нужных мне характеристик?FDA847 Автор
02.09.2018 13:14Эти параметры определяются трансформатором ИБП. Я о нём скоро писать тоже буду.
Там простое ответвление от первичной обмотки для реализации режима автотрансформатора.
Serge78rus
01.09.2018 23:05Может в Вашем случае стоит попробовать стабилизатор напряжения?
SemaIVVV
02.09.2018 12:51А я не написал о них разве в комменте? Что они также виснут.
Serge78rus
02.09.2018 18:46Теперь вижу, что Вы там описАлись и назвали его «выпрямителем», а поскольку в этом и следующем абзаце уже упоминается UPS, то и слово «выпрямитель» я отнес к нему.
MrAloof
02.09.2018 07:00Поставьте стабилизатор электромеханический. За 200 баксов можно на 10КВт купить. Но можно и релейный.
Если ИБП, то вам нужен исключительно online (с двойным преобразованием).SemaIVVV
02.09.2018 12:55Не 200 а $550-$700 и его придется ставить на чердак, чтобы пулемет железных щелчков не слышать, и то не факт. Хочу как то проверить сначала, вдруг потом спать невозможно будет из-за щелканья, там релюхи то посерьезнее чем в ИБП-шках и щелкают как по наковальне (или вообще в отдельную будку выносить на улицу куда-то). Сейчас у меня именно этот вариант на рассмотрении, других, более дешевых уже не осталось.
MrAloof
02.09.2018 13:33Я вам написал про электромеханический — это тороидальный трансформатор с подвижным контактом. Там нет щелчков, только небольшой шум электродвигателя при изменении напряжения. На 10 КВт например Ресанта можно за 13 тр купить.
Но даже если релейный — вы же не под подушку его собираетесь положить? Откуда такие требования к шуму? В закрытом шкафу или отдельном помещении уровень шума релейных стабилизаторов вполне приемлемый.SemaIVVV
02.09.2018 16:20В отдельном помещении — вопрос бы даже не стоял, но у меня нет отдельного помещения, а это деньги. У меня вариант на чердаке, но боюсь через потолок слышно будет (хочу как то проверить).
На счет электромеханического — может новые какие появились, вы точно своими глазами видели и слышали такой? Просто я такой проверял уже — сам подвижный контакт понятно едет шурша, но переключение, там такая же релюха стоит, которая так же щелкает перед тем как начинает ехать контакт. Именно эта релюха и щелкает как пулемет (я же говорю никто даже в мыслях не понимает что за напруга и думают что мне жужжание мешает :) ).
ЛЮБОЙ выпрямитель, или ИБП в моей сети, ПЕРЕКЛЮЧАЕТ СЕБЯ от 3-х до 11-ти раз В СЕКУНДУ РЕЛЮХОЙ!
Ни о каких последующих действиях речи не идет, едет ли там контакт, или каскад пониажет/повышает — сама релюха бьет как по наковальне 11 раз в секунду!MrAloof
02.09.2018 18:04Во первых, в электромеханических не должно быть реле. Я не встречал, в том числе в Ресанта на 10КВт
Во вторых, с вашими требованиями под шуму выносите стабилизатор на улицу или обкладывайте шумоизоляцией.
remzalp
02.09.2018 10:30в России Ресанта производит много стабилизаторов напряжения, довольно бюджетно и неплохо.
В большом частном доме с вводом трехфазного пришлось монстрячить схему балансировки нагрузки. Часто по фазам бывает 160-180-250, так что перекидывается электроникой основной фокус потребления на менее нагруженную фазу.SemaIVVV
02.09.2018 12:59Дело не в стабилизаторе — вы не уловили суть. Это всё из-за того, что никто даже представить не может себе такую напругу. Вы представляете себе пулемет железных щелчков реле? И так круглые сутки почти, вы спать как собираетесь?
Возьмите вилку стальную и быстро постучите ей по холодильнику, тогда немого будет понятно как работают ЛЮБЫЕ стабилизаторы, в которых механические релюхи.
А чисто электронные стабы стоят, как я и написал, от 1500 долларов и дальше, и брать за такие деньги их у меня нет никакого желания.MrAloof
02.09.2018 13:58Еще раз повторю — вы под подушку их кладёте? Откуда такие претензии к уровню шума?
1500$ стоят ИБП двойного преобразования на 6-10КВт — они вас спасут. Хотя шум вентиляторов там гораздо больше и постоянней чем от щелчков реле.SemaIVVV
02.09.2018 16:08Еще раз повторю — возьмите вилку и постучите по холодильнику, а потом идите сюда писать о том, — нормально-ли будет вам спать под это?
Вы даже в страшном сне не представляете, что такое 11-36 скачков напруги в СЕКУНДУ. (ИБП понятное дело в секунду щелкает меньше от 3 до 11 раз)
Konachan700
02.09.2018 14:31Так стабилизатор с движком внутри, если под три фазы брать — три ящика размером метр на полметра на полметра, под них электрощитовая нужна отдельная. Кто же его в жилом помещении-то держит? Да и особо он не шумит, через стенку не слышно уже — ставили в деревне, знаю.
SemaIVVV
02.09.2018 16:13Как вариант, на улице — то понятное дело, что уже не будет слышно, а я предполагал на чердаке ящик установить железный — но вот боюсь, что будет слышно через потолок.
MrAloof
02.09.2018 18:22Ну если у вас жестяные стены и чуткий слух, то вас спасёт только инверторный стабилизатор. Или инверторный ИБП.
И конечно ваши требования отразятся на стоимости оборудования.
Нет желания брать за 1500$ — снижайте требования.
В конце-концов всегда можно пристроить к дому вводный электрощитовой шкаф.
Serge78rus
01.09.2018 21:16Кто-то может сказать, а зачем вообще городить эту цепь из параллельно соединённых конденсатора C1 и резистора R13? Всё для повышения уровня защиты. Ведь у нас узел измерения гальванически связан с входной сетью. Резистор R13 уменьшает ток. Сажать фазу или ноль (неизвестно каким образом пользователь воткнёт вилку в розетку) с цифровой землёй крайне опасно. А наличие резистора уменьшает ток до 1-2 мкА.
Беда в том, что при подключенном параллельно резистору конденсаторе 10 мкФ, говорить об ограничении тока в 1-2 мкА уже не приходится.
Далее хотел бы показать осциллограммы сигналов после высокоомных резисторов R1 и R4:
Если Вы это измеряли на включенной схеме, то в чем смысл измерения виртуального нуля, коим является инвертирующий вход ОУ в схеме с замкнутой обратной связью?
SergeyMax
Ну всё правильно он выдаёт, 1,57В с почти нулевой амплитудой пульсаций (автомасштабирование микрокапа вас наверное ввело в заблуждение). Это напряжение соответствует напряжению на делителе R11/R12.
FDA847 Автор
С автомасштабированием как раз всё понятно. 1.57 там просто как постоянный уровень (Micro-Cap рисует синусоиду из-за своих внутренних расчётов с большой точностью).
Я имел в виду, что напряжение на выходе операционника X2 стало вдруг 2.015 В вместо необходимых 2.441 В при отключении источника питания V5. Ничего, понятное дело, загадочного тут нет, всё работает как положено. Просто я лишний раз акцентировал внимание на необходимость конденсатора C1.
SergeyMax
Ааа, вот вы про что. Тогда попробуйте смоделировать оба варианта (с отключенным и подключенным V5) на более продолжительном временном отрезке, например 10 секунд, возможно вас ждёт что-то интересное)
FDA847 Автор
Естественно, моделировал! Там всё то же самое. Более того, данная схема в «железе» уже собрана и проверена. Её работа полностью соответствует результатам моделирования. За это я люблю Micro-Cap — точность моделирования у него на высоте!
SergeyMax
А скриншота у вас не завалялось?
FDA847 Автор
Вот загрузил два скриншота.
Это вариант с наличием конденсатора
Этот без
Промоделировано за 10 сек.
SergeyMax
Благодарю! Сегодня я определённо невнимателен, показалось, что разница в смещении, и только сейчас понял, что в амплитуде.